EP1544879A1 - Schneller Leistungsschalter für Hoch-oder Mittelspannung - Google Patents

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EP1544879A1
EP1544879A1 EP03405906A EP03405906A EP1544879A1 EP 1544879 A1 EP1544879 A1 EP 1544879A1 EP 03405906 A EP03405906 A EP 03405906A EP 03405906 A EP03405906 A EP 03405906A EP 1544879 A1 EP1544879 A1 EP 1544879A1
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EP
European Patent Office
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contact
switching
rotational
torsion spring
switch
Prior art date
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EP03405906A
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English (en)
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Kaveh Niayesh
Lutz Niemeyer
Magnus Backman
Willi Paul
Gerhard Salge
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ABB Research Ltd Switzerland
Original Assignee
ABB Research Ltd Switzerland
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H3/00—Mechanisms for operating contacts
    • H01H3/22—Power arrangements internal to the switch for operating the driving mechanism
    • H01H3/30—Power arrangements internal to the switch for operating the driving mechanism using spring motor
    • H01H3/3042—Power arrangements internal to the switch for operating the driving mechanism using spring motor using a torsion spring
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H1/00—Contacts
    • H01H1/12—Contacts characterised by the manner in which co-operating contacts engage
    • H01H1/14—Contacts characterised by the manner in which co-operating contacts engage by abutting
    • H01H1/20—Bridging contacts
    • H01H1/2041—Rotating bridge
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H3/00—Mechanisms for operating contacts
    • H01H3/22—Power arrangements internal to the switch for operating the driving mechanism
    • H01H3/30—Power arrangements internal to the switch for operating the driving mechanism using spring motor
    • H01H2003/3084—Kinetic energy of moving parts recuperated by transformation into potential energy in closing or opening spring to be used in next operation

Definitions

  • the invention relates to the field of primary technology for electrical circuit breakers, in particular for Power circuit in high and medium voltage technology. It is based on a method and a device for power switching as well as a switchgear with such a circuit breaker according to the preamble of independent claims.
  • the invention relates to a prior art, such as it is known from EP 1 180 776 A1.
  • There will be one High or medium voltage switch with an electrodynamic rotationally driven bridge contact piece discloses that in the contact-closed state the distance bridged between the two fixed contacts and opens two contact gaps when opening contact.
  • the two resulting partial arcs lie in series and are characterized Easier erasable than a single arc.
  • the Electrodynamic drive each includes a coil for Contact opening and closing contact, each by electromagnetic repulsion between the coil current and the eddy current induced in the bridge contact piece Bridge contact piece in a contact-opening or contact-closing Rotation is offset.
  • EP 1 067 569 a high or medium voltage switch is used with an electrodynamically translatory driven ring contact disclosed.
  • U.S. Pat. 3'268'687 becomes a high voltage circuit breaker specified that an electrodynamic Thomson drive for very fast opening of the contacts having.
  • the drive comprises a conductive disc, the electromagnetically by coil-induced eddy current forces is driven while a fast contact opening or contact closing translational movement performs.
  • the necessary switching speed is through achieved a capacitor discharge, which is close to a Current zero crossing is started.
  • Other embodiments relate to a translatory movement of a tubular, axially displaceable contact piece and a Bending movement of a resilient contact sheet clamped on one side, supported by the spring restoring force is moved by a Thomson drive.
  • the bending elastic spring oscillates during the switching process through the neutral position and into a counter-deflection, causing a part of the spring energy recovered and is stored.
  • the object of the present invention is to provide a method a device and an electrical switchgear with Such a device for power switching with a rotary Specify contact drive, which is characterized by short Switching time and low switching energy requirements.
  • This object is achieved according to the invention by the features of solved independent claims.
  • the invention is a method for power switching, in particular in a switch for medium or high voltage, with between two spaced fixed electrodes a rotationally movable Switching contact piece is arranged, which by a rotary drive in a first rotational switching direction for Purpose of the contact opening and in a second rotational shift direction for the purpose of contact closure of the fixed electrodes is placed in a rotary motion, the Switch contact piece by mechanical torsion spring force is rotated and the Torsionsfederkraft open to contact and the torsional spring force to contact closure of one common mechanical torsion spring mechanism applied become.
  • this becomes rotational movable contact piece during the switching process is not more by an electrodynamic but by one mechanical torsion drive in contact-opening or contact-closing Rotation offset.
  • This will be the first and the second rotation switching direction by the same Torsion spring mechanism driven.
  • a Thomson drive that is low energy efficient and often large-volume, omitted or only as a small one Support unit are designed. This is eliminated or also reduces the need for large capacitors and switches, z. B. thyristors, for driving of the Thomson drive. So be with little constructional Effort and with little need for switching energy very fast on and off switching power switch created.
  • a rotational energy of the switching contact piece when opening contact and / or Kunststoffschliessen partially recovered.
  • the Rotary drive thus includes a device for recovery and storing excess torsional stress from a previous shift.
  • the torsion spring mechanism in opposite Overshoot direction to original bias direction and block him in as far as possible Overshoot deflected position. This way will a much better energy efficiency in terms of achieved switching energy reached.
  • rotational energy losses of the switching contact piece when opening contact and / or at the contact closure by a Torsionsspannvorraum recharged can be a Torsion clamping device.
  • the torsion clamping device can be a Thomson drive or a stepper motor. This can be done with relatively small electric boost drives high switching energies and therefore very fast Switching times can be achieved.
  • the required capacitors, Thyristors or general switch and / or Stepper motors can be designed much more compact and economical become.
  • the invention relates to a Power switch for power switching, in particular for Execution of the method described above, comprising two spaced solid electrodes, a rotationally movable Switch contact piece and a rotary drive for Turning the switching contact piece in a first rotational switching direction for the purpose of establishing contact and in one second rotational shift direction for the purpose of contact closure the fixed electrodes, wherein the rotary drive a common mechanical torsion spring mechanism for rotating the switching contact piece in both the first rotational switching direction as well as in the second rotational shift direction having.
  • the rotary drive comprises a latching device for partial recovery mechanical rotational switching energy and a torsional clamping device for mechanical recharging of rotational switching energy losses.
  • Fig. 1a, 1b shows schematically in plan view a power switch 1 with two fixed electrodes 2a, 2b and a switching contact piece 2c, here a bridge contact piece 2c, which is about a rotation axis 4, here a symmetry or central axis 4, is rotatably supported and by a rotary drive 3, 6-9 is driven.
  • the desk 1 is in an encapsulated and optionally evacuated or isoliergastellen switch housing 5 is arranged.
  • the Rotary drive is typically, but not necessarily, arranged outside and above a gas-tight Rotary feedthrough 6, z.
  • B. a magnetic rotary feedthrough or a metal bellows bushing, with the switching contact piece 2c mechanically connected.
  • the rotary drive 3, 6-9 a mechanical torsion spring mechanism 3, the Turning the switching contact piece 2c both in a first Rotation switch 30 for contact opening as well as in a second rotational shift direction 31 for contact closure serves.
  • the rotary drive 3, 6-9 comprises a latching device 7 to partial recovering mechanical rotational switching energy and / or a Torsionsspannvortechnisch 9 for mechanical recharging of rotational switching energy losses. These arise through Friction and other irreversible processes. Further is a switch controller 8 for controlling the latching device 7 by means of switching commands 8a and Torsionsspannvortechnisch 9 by means of Torsionsspannbeplane 8b available.
  • Fig. 2a and Fig. 2b show in detail in plan view and Side view of the functioning of the rotating bridge contact 2c of length 1 and width b.
  • the width b or more precisely the conductor cross section is according to the required Current carrying capacity of the circuit breaker 1 selected.
  • At the fixed electrodes 2a, 2b are resilient contacts 10, z. B.
  • multicontact springs 10 present, the one resilient behavior of the fixed electrodes 2a, 2b, symbolized through 10 ', cause and ensure that a high Contact force, a low contact resistance and a low impedance Current transfer between the electrodes 2a, 2b, 2c is guaranteed. This also prevents that the contacts 2a, 2b, 2c at nominal current excessive heat up and overflow through the contact closed Weld switch 1 together. In addition, will be by the spring contacts 10, the dynamic reaction forces collected and compensated at the contact closure 31.
  • Fig. 2b shows four angular positions of the bridge contact piece 2c and thus of the torsion spring mechanism 3, namely a force-free neutral angular deflection 11b of Torsion spring mechanism 3, which between a contact-closed Angular displacement 11a and a contact-opened Angle deflection 11c is located, as well as a through the Torsionsspannvorraum 9 (not visible here) biased contact-opened angular deflection 11d.
  • the switching contact piece 2c always in the same direction rotates and, if necessary, the biasing and direction of rotation of the torsion spring mechanism 3 is alternated.
  • the contact opening typically draws an arc.
  • a bridge contact switching piece 2c in the contact columns 13a, 13b two Partial arcs 12a, 12b, which are in series with each other. This allows currents at higher voltage levels and with less effort in arc extinguishing switched off and be turned on.
  • the power switch 1 for both rotational switch directions 30, 31 fast switching and in particular a fast-switching synchronous switch 1.
  • Fig. 3a-3d show schematically an embodiment of the operation of the latching device 7, d. H. their latching means 7a, 7b, 11a, 11b, 11c, 11d, for a contact-opening rotational switching direction 30.
  • the Verklinkungsstoff 7a, 7b, 11a, 11b, 11c, 11d serve for partial recovery mechanical rotary switching energy when opening contact.
  • the latching device 7 has: in Fig. 3a, a contact-closed Torsionsarret ist 7a, 11a (comprising a rotatable opening pawl 7a for engagement in a counterpart 11a) for contact closure the torsion spring mechanism 3 and for storing the contact-opening rotational switching energy; in Fig. 3b and Fig.
  • a contact-opened Torsionsarrettechnik 7b, 11c (comprising a rotatable closure pawl 7b for engagement in a counterpart 11c) for partially recovering the contact-opening rotational switching energy; and in Fig. 3d a preloaded contact-opened Torsionsarret réelle 7b, 11d (comprising the rotatable Closing pawl 7b for engagement in a counterpart 11d) for recharging rotational losses and for storing the entire contact-closing rotational switching energy of the torsion spring mechanism 3.
  • the closure pawl 7b prevents the snapback 30 'of the overshooting torsion spring mechanism 3.
  • the Torsionsspannvorraum 9 only has the energy loss for example, about 36% of the stored total rotational switching energy (corresponding to a constant friction torque of 10% of the maximum torque) compensate and recharge.
  • the torsion spring 3 which is in particular a torsion spring 3 can be reduced in size.
  • the frictional losses in this case are estimated to be 14 J for a contact-opening switching operation.
  • the invention also provides a method for current switching, in particular in a switch 1 for medium or high voltage of the type described, wherein between two spaced fixed electrodes 2a, 2b a rotatably movable switching contact piece 2c is arranged by a rotary drive 3, 6-9 in a first Rotation switching direction 30 for the purpose of contact opening and in a second rotational switching direction 31 for the purpose of contact closure of the fixed electrodes 2a, 2b is set in a rotary motion, wherein the switching contact piece 2c by mechanical torsion spring force F f0 , F fs is rotated and the torsional spring force F f0 for contact opening and the Torsion spring force F fs for contact closure by a single common mechanical torsion spring mechanism 3 are applied.
  • a rotatably movable switching contact piece 2c is arranged by a rotary drive 3, 6-9 in a first Rotation switching direction 30 for the purpose of contact opening and in a second rotational switching direction 31 for the purpose of contact closure of the fixed electrodes 2a
  • the rotational energy of the switching contact piece is preferred 2c when opening contact and / or contact closure partially recovered.
  • the first and second rotation switching directions 30, 31 are typically opposite each other.
  • the switching contact piece 2c at the contact opening and / or Contact closure a force-free neutral angular deflection 11b of the torsion spring mechanism 3 or the switching contact piece Go through 2c.
  • the contact opening and the Contact closure should be synchronous and at high speed while avoiding or reducing arcing 12a, 12b are performed.
  • inventions relate u.a. the use as a switch 1 for medium or high voltages and / or Currents, as circuit breaker 1, disconnector, current limiter or current-limiting switch in power supply networks.
  • the invention also includes an electrical switchgear, in particular a high or medium voltage switchgear, characterized by a device 1 as previously described.

Landscapes

  • Driving Mechanisms And Operating Circuits Of Arc-Extinguishing High-Tension Switches (AREA)
  • Mechanisms For Operating Contacts (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung (1) zur Stromschaltung oder Leistungsschaltung sowie eine Schaltanlage mit einer solchen Vorrichtung (1). Erfindungsgemäss wird in einem Rotationsantrieb (3, 6-9) ein rotatorisch bewegliches Schaltkontaktstück (2c) durch mechanische Torsionsfederkraft (Ff0, FfS) gedreht, wobei die Torsionsfederkraft (Ff0) zum Kontaktöffnen und die Torsionsfederkraft (FfS) zum Kontaktschliessen von einem gemeinsamen mechanischen Torsionsfedermechanismus (3) aufgebracht werden. Ausführungsbeispiele betreffen u.a.: Wiedergewinnen von mechanischer Rotationsenergie des Schaltkontaktstücks (2c) beim Kontaktöffnen und/oder Kontaktschliessen; und Wiederaufladen von Rotationsenergieverlusten des Schaltkontaktstücks (2c) beim Kontaktöffnen und/oder Kontaktschliessen durch eine Torsionsspannvorrichtung (9), insbesondere durch einen Thomson Antrieb (9) oder einen Schrittmotor (9). Vorteile sind u. a.: schnell ein- und ausschaltender mechanischer Stromschalter (1) mit geringem Bedarf an extern zuzuführender Schaltenergie; Thomson Antrieb (9) oder Schrittmotor (9) nur als kleines Hilfsaggregat auslegbar; geeignet für Synchronschalten. <IMAGE>

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Primärtechnik für elektrische Leistungsschalter, insbesondere zur Leistungsschaltung in der Hoch- und Mittelspannungstechnik. Sie geht aus von einem Verfahren und einer Vorrichtung zur Leistungsschaltung sowie von einer Schaltanlage mit einem solchen Leistungsschalter gemäss Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche.
STAND DER TECHNIK
Die Erfindung nimmt auf einen Stand der Technik Bezug, wie er aus der EP 1 180 776 A1 bekannt ist. Dort wird ein Hoch- oder Mittelspannungsschalter mit einem elektrodynamisch rotatorisch angetriebenen Brückenkontaktstück offenbart, das im kontaktgeschlossenen Zustand die Distanz zwischen den zwei feststehenden Kontakten überbrückt und beim Kontaktöffnen zwei Kontaktspalte freigibt. Die beiden resultierenden Teillichtbögen liegen in Serie und sind dadurch leichter löschbar als ein einzelner Lichtbogen. Der elektrodynamische Antrieb umfasst je eine Spule zum Kontaktöffnen und Kontaktschliessen, wobei jeweils durch elektromagnetische Abstossung zwischen dem Spulenstrom und dem im Brückenkontaktstück induzierten Wirbelstrom das Brückenkontaktstück in eine kontaktöffnende oder kontaktschliessende Rotation versetzt wird. Nach einem bestimmten Drehwinkel wird das Brückenkontaktstück durch eine mechanische Abbrems- und Haltevorrichtung, beispielsweise durch mechanische Reibung, erst abgebremst und dann festgehalten. Der rotatorische Kontaktantrieb erreicht sehr schnelle Schaltzeiten und benötigt weniger Schaltenergie als ein translatorischer Kontaktantrieb. Zudem kann die Schaltstelle dielektrisch vorteilhafter ausgestaltet werden.
In der EP 1 067 569 wird ein Hoch- oder Mittelspannungsschalter mit einem elektrodynamisch translatorisch angetriebenen Ringkontaktstück offenbart.
In dem U. S. Pat. No. 3'268'687 wird ein Hochspannungs-Leistungsschalter angegeben, der einen elektrodynamischen Thomson Antrieb zum sehr schnellen Öffnen der Kontakte aufweist. Der Antrieb umfasst eine leitfähige Scheibe, die elektromagnetisch durch von Spulen induzierte Wirbelstromkräfte angetrieben wird und dabei eine schnelle kontaktöffnende oder kontaktschliessende Translationsbewegung ausführt. Die notwendige Schaltgeschwindigkeit wird durch eine Kondensatorentladung erzielt, die kurz vor einem Stromnulldurchgang gestartet wird. Andere Ausführungsbeispiele betreffen eine Translationsbewegung eines rohrförmigen, axial verschiebbaren Kontaktstücks sowie eine Biegebewegung eines einseitig eingeklemmten federnden Kontaktblechs, das aufgrund der Federrückstellkraft unterstützt durch einen Thomson Antrieb bewegt wird. Dabei schwingt die biegeelastische Feder beim Schaltvorgang durch die Neutralposition und in eine Gegenauslenkung, wodurch ein Teil der Federenergie wieder zurückgewonnen und gespeichert wird.
In dem Artikel von P. Brückner, Hösel und A. Erk, "Federkraftspeicher für Schaltgeräte mit kurzen Schaltzeiten" aus A. Erk und M. Schmelzle, "Grundlagen der Schaltgerätetechnik", ETZ-A, Bd.82, H.5, 27.2.1961, S.141-147, Springer-Verlag Berlin, 1974 werden Drehstabfedern als Kraftspeicher für Schnell-Ausschaltgeräte oder für Schnell-Einschaltgeräte beschrieben. Die Antriebe mit Drehstabfedern sind zum Schalten mit hoher Geschwindigkeit nur für eine einzige Schaltrichtung geeignet. Typische Anwendungen sind daher Schnelltrenner oder Schnellerder.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren, eine Vorrichtung und eine elektrische Schaltanlage mit einer solchen Vorrichtung zur Stromschaltung mit einem rotatorischen Kontaktantrieb anzugeben, der sich durch kurze Schaltzeit und niedrigen Schaltenergiebedarf auszeichnet. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst.
In einem ersten Aspekt besteht die Erfindung in einem Verfahren zur Stromschaltung, insbesondere in einem Schalter für Mittel- oder Hochspannung, wobei zwischen zwei beabstandeten Festelektroden ein rotatorisch bewegliches Schaltkontaktstück angeordnet ist, das durch einen Rotationsantrieb in eine erste Rotationsschaltrichtung zum Zwecke des Kontaktöffnens und in eine zweite Rotationsschaltrichtung zum Zwecke des Kontaktschliessens der Festelektroden in eine Drehbewegung versetzt wird, wobei das Schaltkontaktstück durch mechanische Torsionsfederkraft gedreht wird und die Torsionsfederkraft zum Kontaktöffnen und die Torsionsfederkraft zum Kontaktschliessen von einem gemeinsamen mechanischen Torsionsfedermechanismus aufgebracht werden. Erfindungsgemäss wird also das rotatorisch bewegliche Kontaktstück beim Schaltvorgang nicht mehr durch einen elektrodynamischen, sondern durch einen mechanischen Torsionsantrieb in kontaktöffnende oder kontaktschliessende Rotation versetzt. Dabei werden die erste und die zweite Rotationsschaltrichtung durch den gleichen Torsionsfedermechanismus angetrieben. Insbesondere kann ein Thomson Antrieb, der wenig energieeffizient und oftmals grossvolumig ist, weggelassen oder nur als kleines Unterstützungsaggregat ausgelegt werden. Dadurch entfällt oder verringert sich auch der Bedarf an grossen Kondensatoren und Schaltern, z. B. Thyristoren, zur Ansteuerung des Thomson Antriebs. So werden mit geringem baulichen Aufwand und mit geringem Bedarf an Schaltenergie sehr schnell ein- und ausschaltende Stromschalter geschaffen.
In einem ersten Ausführungsbeispiel wird eine Rotationsenergie des Schaltkontaktstücks beim Kontaktöffnen und/oder Kontaktschliessen teilweise wiedergewonnen. Der Rotationsantrieb umfasst also eine Vorrichtung zur Rückgewinnung und Speicherung überschüssiger Torsionsspannung aus einem vorhergehenden Schaltvorgang. Vorzugsweise lässt man hierfür den Torsionsfedermechanismus in entgegengesetzte Richtung zur ursprünglichen Vorspannrichtung überschwingen und blockiert ihn in einer möglichst weit durch Überschwingen ausgelenkten Position. Auf diese Weise wird eine deutlich bessere Energieeffizienz hinsichtlich der aufzubringenden Schaltenergie erreicht.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel werden Rotationsenergieverluste des Schaltkontaktstücks beim Kontaktöffnen und/oder beim Kontaktschliessen durch eine Torsionsspannvorrichtung wiederaufgeladen. Die Torsionsspannvorrichtung kann ein Thomson Antrieb oder ein Schrittmotor sein. Dadurch können mit relativ kleinen elektrischen Unterstützungsantrieben hohe Schaltenergien und damit sehr schnelle Schaltzeiten erreicht werden. Die erforderlichen Kondensatoren, Thyristoren oder allgemein Schalter und/oder Schrittmotoren können viel kompakter und sparsamer ausgelegt werden.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung einen Stromschalter zur Leistungsschaltung, insbesondere zur Ausführung des zuvor beschriebenen Verfahrens, umfassend zwei beabstandete Festelektroden, ein rotatorisch bewegliches Schaltkontaktstück und einen Rotationsantrieb zum Drehen des Schaltkontaktstücks in eine erste Rotationsschaltrichtung zum Zwecke des Kontaktöffnens und in eine zweite Rotationsschaltrichtung zum Zwecke des Kontaktschliessens der Festelektroden, wobei der Rotationsantrieb einen gemeinsamen mechanischen Torsionsfedermechanismus zum Drehen des Schaltkontaktstücks sowohl in die erste Rotationsschaltrichtung als auch in die zweite Rotationsschaltrichtung aufweist.
In einem Ausführungsbeispiel umfasst der Rotationsantrieb eine Verklinkungsvorrichtung zum teilweisen Wiedergewinnen mechanischer Rotationsschaltenergie und eine Torsionsspannvorrichtung zum mechanischen Wiederaufladen von Rotationsschaltenergieverlusten.
Weitere Ausführungen, Vorteile und Anwendungen der Erfindung ergeben sich aus abhängigen Ansprüchen sowie aus der nun folgenden Beschreibung und den Figuren.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Fig. 1
zeigt in Draufsicht ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen Rotations-Stromschalters mit elektrodynamischem Antrieb und Rotationsfederkraftunterstützung;
Fig. 2a, 2b
zeigen die Kontaktanordnung aus Fig. 1 vergrössert in Draufsicht und Seitenansicht;
Fig. 3a-3d
zeigt die Verklinkungsvorrichtung in geschlossener Schalterstellung (Fig. 3a), beim Öffnen (Fig. 3b), in offener Schalterposition (Fig. 3c) und in vorgespannter offener Schalterposition (Fig. 3d); und
Fig. 4
zeigt den Torsionswinkel als Funktion der Zeit beim Kontaktöffnen des Brückenkontakts.
In den Figuren sind gleiche oder gleichwirkende Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
Fig. 1a, 1b zeigt schematisch in Draufsicht einen Stromschalter 1 mit zwei feststehenden Elektroden 2a, 2b und einem Schaltkontaktstück 2c, hier einem Brückenkontaktstück 2c, das um eine Rotationsachse 4, hier eine Symmetrie- oder Mittelachse 4, drehbar gelagert ist und durch einen Rotationsantrieb 3, 6-9 antreibbar ist. Der Schalter 1 ist in einem gekapselten und gegebenenfalls evakuierten oder isoliergasgefüllten Schaltergehäuse 5 angeordnet. Der Rotationsantrieb ist typischerweise, jedoch nicht notwendigerweise, ausserhalb angeordnet und über eine gasdichte Rotationsdurchführung 6, z. B. eine magnetische Rotationsdurchführung oder eine Metallfaltenbalgdurchführung, mit dem Schaltkontaktstück 2c mechanisch verbunden.
Erfindungsgemäss weist der Rotationsantrieb 3, 6-9 einen mechanischen Torsionsfedermechanismus 3 auf, der zum Drehen des Schaltkontaktstücks 2c sowohl in eine erste Rotationsschaltrichtung 30 zum Kontaktöffnen als auch in eine zweite Rotationsschaltrichtung 31 zum Kontaktschliessen dient.
Mit Vorteil umfasst der Rotationsantrieb 3, 6-9 eine Verklinkungsvorrichtung 7 zum teilweisen Wiedergewinnen mechanischer Rotationsschaltenergie und/oder eine Torsionsspannvorrichtung 9 zum mechanischen Wiederaufladen von Rotationsschaltenergieverlusten. Diese entstehen durch Reibung und anderweitige irreversible Vorgänge. Ferner ist eine Schaltersteuerung 8 zur Steuerung der Verklinkungsvorrichtung 7 mittels Schaltbefehle 8a und der Torsionsspannvorrichtung 9 mittels Torsionsspannbefehle 8b vorhanden.
Fig. 2a und Fig. 2b zeigen im Detail in Draufsicht und Seitenansicht die Funktionsweise des rotierenden Brückenkontakts 2c der Länge 1 und Breite b. Die Länge 1 ist nach Massgabe einer erforderlichen dielektrischen Festigkeit des isolierenden Mediums, der erforderlichen Durchschlagsfestigkeit (BIL=basic insulation level) des Schalters 1 und der Elektrodengeometrie 2a, 2b, 2c gewählt. Die Breite b oder genauer der Leiterquerschnitt ist gemäss der geforderten Stromtragfähigkeit des Leistungsschalters 1 gewählt. An den Festelektroden 2a, 2b sind federnde Kontakte 10, z. B. Multikontaktfedern 10, vorhanden, die ein federndes Verhalten der Festelektroden 2a, 2b, symbolisiert durch 10', bewirken und dafür sorgen, dass eine hohe Kontaktkraft, ein niedriger Kontaktwiderstand und ein niederohmiger Stromübergang zwischen den Elektroden 2a, 2b, 2c gewährleistet ist. Dadurch wird auch verhindert, dass sich die Kontakte 2a, 2b, 2c bei Nominalstrom übermässig erhitzen und bei Überströmen durch den kontaktgeschlossenen Schalter 1 miteinander verschweissen. Zudem werden durch die Federkontakte 10 die dynamischen Reaktionskräfte beim Kontaktschliessen 31 aufgefangen und kompensiert.
Fig. 2b zeigt vier Winkelpositionen des Brückenkontaktstücks 2c und damit des Torsionsfedermechanismus 3, nämlich eine kräftefreie neutrale Winkelauslenkung 11b des Torsionsfedermechanismus 3, die zwischen einer kontaktgeschlossenen Winkelauslenkung 11a und einer kontaktgeöffneten Winkelauslenkung 11c liegt, sowie eine durch die Torsionsspannvorrichtung 9 (hier nicht sichtbar) vorgespannte kontaktgeöffnete Winkelauslenkung 11d. Im Normalfall werden die erste und die zweite Rotationsschaltrichtung 30, 31 einander entgegengesetzt sein. Es sind aber auch Anordnungen denkbar und hier mitbeansprucht, bei denen die Rotationsschaltrichtungen 30, 31 gleichgerichtet sind, d. h. das Schaltkontaktstück 2c immer gleichsinnig rotiert und gegebenenfalls die Vorspann- und Drehrichtung des Torsionsfedermechanismus 3 alterniert wird. Zu Beginn des Kontaktöffnens wird typischerweise ein Lichtbogen gezogen. Wie dargestellt entstehen im Falle eines Brückenkontaktschaltstücks 2c in den Kontaktspalten 13a, 13b zwei Teillichtbögen 12a, 12b, die zueinander in Serie liegen. Dadurch können Ströme bei höherem Spannungsniveau und mit weniger Aufwand beim Lichtbogenlöschen ausgeschaltet und eingeschaltet werden. Mit Vorteil ist der Stromschalter 1 für beide Rotationsschaltrichtungen 30, 31 schnell schaltend und insbesondere ein schnell schaltender Synchronschalter 1.
Fig. 3a-3d zeigen schematisch ein Ausführungsbeispiel für die Funktionsweise der Verklinkungsvorrichtung 7, d. h. ihrer Verklinkungsmittel 7a, 7b, 11a, 11b, 11c, 11d, für eine kontaktöffnende Rotationsschaltrichtung 30. Die Verklinkungsmittel 7a, 7b, 11a, 11b, 11c, 11d dienen zum teilweisen Wiedergewinnen mechanischer Rotationsschaltenergie beim Kontaktöffnen. Die Verklinkungsvorrichtung 7 weist auf: in Fig. 3a eine kontaktgeschlossene Torsionsarretierung 7a, 11a (umfassend eine drehbare Öffnungsklinke 7a zum Eingriff in ein Gegenstück 11a) zum Kontaktschliessen des Torsionsfedermechanismus 3 und zum Speichern der kontaktöffnenden Rotationsschaltenergie; in Fig. 3b und Fig. 3c eine kontaktgeöffnete Torsionsarretierung 7b, 11c (umfassend eine drehbare Verschliessungsklinke 7b zum Eingriff in ein Gegenstück 11c) zum teilweisen Wiedergewinnen der kontaktöffnenden Rotationsschaltenergie; und in Fig. 3d eine vorgespannte kontaktgeöffnete Torsionsarretierung 7b, 11d (umfassend die drehbare Verschliessungsklinke 7b zum Eingriff in ein Gegenstück 11d) zum Wiederaufladen von Rotationsverlusten und zum Speichern der gesamten kontaktschliessenden Rotationsschaltenergie des Torsionsfedermechanismus 3. In Fig. 3c verhindert die Verschliessungsklinke 7b das Zurückschnellen 30' des überschwingenden Torsionsfedermechanismus 3. Die Torsionsspannvorrichtung 9 muss lediglich den Energieverlust in Höhe von beispielsweise ca. 36% der gespeicherten gesamten Rotationsschaltenergie (entsprechend einem konstanten Reibungsdrehmoment von 10% des maximalen Drehmoments) kompensieren und wiederaufladen.
In gleicher Weise können Verklinkungsmittel für die kontaktschliessende Rotationsschaltrichtung 31 vorhanden sein (hier nicht dargestellt). Entsprechend kann die Torsionsspannvorrichtung 9 Torsionsspannmittel 9 zum mechanischen Wiederaufladen von Rotationsreibungsverlusten für beide Rotationsschaltrichtungen 30, 31 umfassen.
Fig. 4 zeigt einen berechneten Zeitverlauf des Torsionswinkels für ein Modellsystem mit folgenden Parametern: Trägheitsmoment I=5*10-5 kgm2 für den Torsionsfedermechanismus 3, Torsionsfederkonstante D=1000 Nm, Brückenkontaktstück mit Länge 1=567 mm und Durchmesser=16,4 mm. Nach 90 µs wird eine Kontakttrennung erreicht und nach 150 µs beträgt die Länge 11 oder 12 eines Kontaktspalts 13a oder 13b 4 mm. Nach 750 µs wird die volle Kontaktöffnung von 20 mm erreicht. Die Torsionsfederkonstante soll unter Berücksichtigung der Genauigkeit des Stromnulldurchgangs (bei Synchronschaltern 1) und der Widerstandsfähigkeit der Kontakte 2a, 2b, 2c gegen Lichtbogenabbrand ausgelegt werden. Dadurch kann die Torsionsfeder 3, die insbesondere eine Drehstabfeder 3 ist, in der Baugrösse reduziert werden. Eine Torsionsfederkonstante D=100 Nm ergäbe für ein Brückenkontaktstück mit Länge 1=263 mm und Durchmesser= 7,6 mm eine Öffnungszeit von 240 µs und nach 400 µs eine volle Kontaktöffnung von 4 mm. Die Reibungsverluste betragen in diesem Fall schätzungsweise 14 J für einen kontaktöffnenden Schaltvorgang.
Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zur Stromschaltung, insbesondere in einem Schalter 1 für Mitteloder Hochspannung der beschriebenen Art, wobei zwischen zwei beabstandeten Festelektroden 2a, 2b ein rotatorisch bewegliches Schaltkontaktstück 2c angeordnet ist, das durch einen Rotationsantrieb 3, 6-9 in eine erste Rotationsschaltrichtung 30 zum Zwecke des Kontaktöffnens und in eine zweite Rotationsschaltrichtung 31 zum Zwecke des Kontaktschliessens der Festelektroden 2a, 2b in eine Drehbewegung versetzt wird, wobei das Schaltkontaktstück 2c durch mechanische Torsionsfederkraft Ff0, Ffs gedreht wird und die Torsionsfederkraft Ff0 zum Kontaktöffnen und die Torsionsfederkraft Ffs zum Kontaktschliessen von einem einzigen gemeinsamen mechanischen Torsionsfedermechanismus 3 aufgebracht werden. Hierzu einige Ausführungsbeispiele.
Bevorzugt wird die Rotationsenergie des Schaltkontaktstücks 2c beim Kontaktöffnen und/oder Kontaktschliessen teilweise wiedergewonnen. Mit Vorteil werden Rotationsenergieverluste des Schaltkontaktstücks 2c beim Kontaktöffnen und/oder Kontaktschliessen durch eine Torsionsspannvorrichtung 9, insbesondere durch einen Thomson Antrieb 9 oder einen Schrittmotor 9, wiederaufgeladen. Hier seien die EP 1 180 776 A1 und EP 1 067 569 mit ihrem gesamten Offenbarungsgehalt, insbesondere hinsichtlich der Auslegung und Ansteuerung eines elektrodynamischen Thomson Antriebs 9, in die Beschreibung aufgenommen. Die erste und die zweite Rotationsschaltrichtung 30, 31 sind typischerweise einander entgegengesetzt. Insbesondere wird vom Schaltkontaktstück 2c beim Kontaktöffnen und/oder Kontaktschliessen eine kräftefreie neutrale Winkelauslenkung 11b des Torsionsfedermechanismus 3 oder des Schaltkontaktstücks 2c durchlaufen. Das Kontaktöffnen und das Kontaktschliessen soll synchron und mit hoher Geschwindigkeit unter Vermeidung oder Reduktion von Lichtbogenbildung 12a, 12b durchgeführt werden.
Anwendungen der Vorrichtung 1 betreffen u.a. den Einsatz als Schalter 1 für mittlere oder hohe Spannungen und/oder Ströme, als Leistungsschalter 1, Trenner, Strombegrenzer oder strombegrenzender Schalter in Stromversorgungsnetzen. Die Erfindung umfasst auch eine elektrische Schaltanlage, insbesondere eine Hoch- oder Mittelspannungsschaltanlage, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung 1 wie zuvor beschrieben.
BEZUGSZEICHENLISTE
1
Leistungsschalter, Synchronschalter
2a, 2b
feststehende Elektroden, Metallplatten
2c
rotierende Elektrode, Brückenkontaktstück
20
Strompfad, Nennstrompfad
3
Torsionsfedermechanismus, Drehstabfeder
30
erste Rotationsschaltrichtung zum Kontaktöffnen
30'
Rückschlagbewegung beim Kontaktöffnen
31
zweite Rotationsschaltrichtung zum Kontaktschliessen
4
Rotationsachse
5
gekapseltes Schaltergehäuse
6
Durchführung für Rotationsantrieb
7
Verklinkungsvorrichtung
7a
Öffnungsklinke
7b
Verschliessungsklinke
8
Schaltersteuerung
8a
Schaltbefehl, Öffnungssignal, Schliesssignal
8b
Torsionsspannbefehl, Energienachladung
9
Torsionsspannvorrichtung, Thomson Antrieb, Schrittmotor
10
Federkontakt, Multikontaktfedern
10'
Federverhalten der Fixkontakte (symbolisch)
11a
kontaktgeschlossene Winkelauslenkung (Schalterposition) oder Winkelhalterung
11b
neutrale (kräftefreie) Winkelauslenkung
11c
kontaktgeöffnete Winkelauslenkung oder Winkelhalterung
11d
vorgespannte kontaktgeöffnete Winkelauslenkung oder Winkelhalterung
7a, 11a
kontaktgeschlossene Torsionsarretierung
7b, 11c
kontaktgeöffnete Torsionsarretierung
7b, 11d
vorgespannte kontaktgeöffnete Torsionsarretierung
12a, 12b
Teillichtbögen
13a, 13b
Kontaktspalte
b
Breite des Brückenkontakts
1.
Länge des Brückenkontakts
11, 12
Länge der Kontaktspalte
FfO
Torsionsfederkraft auf Brückenkontaktstück beim Öffnen
FfS
Torsionsfederkraft auf Brückenkontaktstück beim Schliessen
ϕ
Torsionswinkel
t
Zeit

Claims (11)

  1. Verfahren zur Stromschaltung, insbesondere in einem Schalter (1) für Mittel- oder Hochspannung, wobei zwischen zwei beabstandeten Festelektroden (2a, 2b) ein rotatorisch bewegliches Schaltkontaktstück (2c) angeordnet ist, das durch einen Rotationsantrieb (3, 6-9) in eine erste Rotationsschaltrichtung (30) zum Zwecke des Kontaktöffnens und in eine zweite Rotationsschaltrichtung (31) zum Zwecke des Kontaktschliessens der Festelektroden (2a, 2b) in eine Drehbewegung versetzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass
    a) das Schaltkontaktstück (2c) durch mechanische Torsionsfederkraft (FfO, FfS) gedreht wird und
    b) die Torsionsfederkraft (FfO) zum Kontaktöffnen und die Torsionsfederkraft (FfS) zum Kontaktschliessen von einem gemeinsamen mechanischen Torsionsfedermechanismus (3) aufgebracht werden.
  2. Das Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Rotationsenergie des Schaltkontaktstücks (2c) beim Kontaktöffnen und/oder Kontaktschliessen teilweise wiedergewonnen wird.
  3. Das Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Rotationsenergieverluste des Schaltkontaktstücks (2c) beim Kontaktöffnen und/oder Kontaktschliessen durch eine Torsionsspannvorrichtung (9), insbesondere durch einen Thomson Antrieb (9) oder einen Schrittmotor (9), wiederaufgeladen werden.
  4. Das Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
    a) die erste und die zweite Rotationsschaltrichtung (30, 31) einander entgegengesetzt sind und/oder
    b) vom Schaltkontaktstück (2c) beim Kontaktöffnen und/oder Kontaktschliessen eine kräftefreie neutrale Winkelauslenkung (11b) des Torsionsfedermechanismus (3) durchlaufen wird und/oder
    c) das Kontaktöffnen und das Kontaktschliessen synchron und mit hoher Geschwindigkeit unter Vermeidung oder Reduktion von Lichtbogenbildung (12a, 12b) durchgeführt wird.
  5. Stromschalter (1) zur Leistungsschaltung, insbesondere zur Ausführung des Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, umfassend zwei beabstandete Festelektroden (2a, 2b), ein rotatorisch bewegliches Schaltkontaktstück (2c) und einen Rotationsantrieb (3, 6-9) zum Drehen des Schaltkontaktstücks (2c) in eine erste Rotationsschaltrichtung (30) zum Zwecke des Kontaktöffnens und in eine zweite Rotationsschaltrichtung (31) zum Zwecke des Kontaktschliessens der Festelektroden (2a, 2b), dadurch gekennzeichnet, dass der Rotationsantrieb (3, 6-9) einen gemeinsamen mechanischen Torsionsfedermechanismus (3) zum Drehen des Schaltkontaktstücks (2c) in die erste Rotationsschaltrichtung (30) und in die zweite Rotationsschaltrichtung (31) aufweist.
  6. Stromschalter (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotationsantrieb (3, 6-9) eine Verklinkungsvorrichtung (7) zum teilweisen Wiedergewinnen mechanischer Rotationsschaltenergie und eine Torsionsspannvorrichtung (9) zum mechanischen Wiederaufladen von Rotationsschaltenergieverlusten umfasst.
  7. Stromschalter (1) nach einem der Ansprüche 5-6, dadurch gekennzeichnet, dass
    a) eine kräftefreie neutrale Winkelauslenkung (11b) des Torsionsfedermechanismus (3) vorhanden ist, die zwischen einer kontaktgeschlossenen Winkelauslenkung (11a) und einer kontaktgeöffneten Winkelauslenkung (11c) des Torsionsfedermechanismus (3) liegt und/oder
    b) die erste und die zweite Rotationsschaltrichtung (30, 31) einander entgegengesetzt sind.
  8. Stromschalter (1) nach einem der Ansprüche 5-7, dadurch gekennzeichnet, dass
    a) die Verklinkungsvorrichtung (7) Verklinkungsmittel (7a, 7b, 11a, 11b, 11c, 11d) zum teilweisen Wiedergewinnen mechanischer Rotationsschaltenergie für beide Rotationsschaltrichtungen (30, 31) aufweist und/oder
    b) die Torsionsspannvorrichtung (9) Torsionsspannmittel (9) zum mechanischen Wiederaufladen von Rotationsenergieverlusten für beide Rotationsschaltrichtungen (30, 31) umfasst,
    c) insbesondere dass der Rotationsantrieb (3, 6-9) eine Schaltersteuerung (8) zur Steuerung der Verklinkungsvorrichtung (7) und der Torsionsspannvorrichtung (9) umfasst.
  9. Stromschalter (1) nach einem der Ansprüche 5-8, dadurch gekennzeichnet, dass die Verklinkungsvorrichtung (7) eine kontaktgeschlossene Torsionsarretierung (7a, 11a) zum Kontaktschliessen des Torsionsfedermechanismus (3) und zum Speichern der kontaktöffnenden Rotationsschaltenergie, eine kontaktgeöffnete Torsionsarretierung (7b, 11c) zum teilweisen Wiedergewinnen der kontaktöffnenden Rotationsschaltenergie und eine vorgespannte kontaktgeöffnete Torsionsarretierung (7b, 11d) zum Wiederaufladen von Rotationsenergieverlusten und zum Speichern der gesamten kontaktschliessenden Rotationsschaltenergie des Torsionsfedermechanismus (3) aufweist.
  10. Stromschalter (1) nach einem der Ansprüche 5-9, dadurch gekennzeichnet, dass
    a) der mechanische Torsionsfedermechanismus (3) eine Drehstabfeder (3) ist und/oder
    b) die Torsionsspannvorrichtung (9) ein Thomson Antrieb (9) oder ein Schrittmotor (9) ist und/oder
    c) das Schaltkontaktstück (2c) ein Brückenschaltkontaktstück (2c) ist, das um eine Mittelachse (4) rotierend gelagert ist und das beim Kontaktöffnen zu jeder Festelektrode (2a, 2b) jeweils einen Kontaktspalt (13a, 13b) freigibt und/oder
    d) der Stromschalter (1) in einem gekapselten Schaltergehäuse (5) angeordnet ist und für den Rotationsantrieb (3, 6-9) eine gasdichte Rotationsdurchführung (6) aufweist und/oder
    e) der Stromschalter (1) für beide Rotationsschaltrichtungen (30, 31) schnell schaltend ist und insbesondere ein schnell schaltender Synchronschalter (1) ist.
  11. Elektrische Schaltanlage, insbesondere Hoch- oder Mittelspannungsschaltanlage, gekennzeichnet durch einen Stromschalter (1) nach einem der Ansprüche 5-10.
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