EP1544879B1 - Schneller Leistungsschalter für Hoch-oder Mittelspannung - Google Patents

Schneller Leistungsschalter für Hoch-oder Mittelspannung Download PDF

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EP1544879B1
EP1544879B1 EP03405906A EP03405906A EP1544879B1 EP 1544879 B1 EP1544879 B1 EP 1544879B1 EP 03405906 A EP03405906 A EP 03405906A EP 03405906 A EP03405906 A EP 03405906A EP 1544879 B1 EP1544879 B1 EP 1544879B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
contact
switching
rotary
torsion spring
contact piece
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
EP03405906A
Other languages
English (en)
French (fr)
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EP1544879A1 (de
Inventor
Kaveh Niayesh
Lutz Niemeyer
Magnus Backman
Willi Paul
Gerhard Salge
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
ABB Research Ltd Switzerland
ABB Research Ltd Sweden
Original Assignee
ABB Research Ltd Switzerland
ABB Research Ltd Sweden
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Publication date
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Priority to DE50306400T priority Critical patent/DE50306400D1/de
Priority to EP03405906A priority patent/EP1544879B1/de
Priority to AT03405906T priority patent/ATE352851T1/de
Publication of EP1544879A1 publication Critical patent/EP1544879A1/de
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Publication of EP1544879B1 publication Critical patent/EP1544879B1/de
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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 power switches, in particular for power switching in high and medium voltage technology. It is based on a method and a device for power circuit and of a switchgear with such a circuit breaker according to the preamble of the independent claims.
  • EP 1 180 776 A1 discloses a high or medium voltage switch with an electrodynamically driven rotary bridge contact piece is bridged in the contact-closed state, the distance between the two fixed contacts and releases two contact gaps when contact opens.
  • the two resulting partial arcs lie in series and are therefore easier to erase than a single arc.
  • the electrodynamic drive each comprises a coil for contact opening and contact closure, wherein in each case by electromagnetic repulsion between the coil current and the eddy current induced in the bridge contact piece, the bridge contact piece is set in a contact-opening or contact-closing rotation. After a certain angle of rotation, the bridge contact piece is first braked by a mechanical braking and holding device, for example by mechanical friction, and then held.
  • the rotary contact drive achieves very fast switching times and requires less switching energy as a translatory contact drive.
  • the switching point can be designed dielectrically advantageous.
  • EP 1 067 569 discloses a high or medium voltage switch with a ring contact piece driven electrodynamically in translation.
  • a high-voltage circuit breaker which has an electro-dynamic Thomson drive for very fast opening of the contacts.
  • the drive comprises a conductive disc which is electromagnetically driven by coil-induced eddy current forces and thereby performs a fast contact-opening or contact-closing translational movement.
  • the necessary switching speed is achieved by a capacitor discharge, which is started shortly before a current zero crossing.
  • Other embodiments relate to a translational movement of a tubular, axially displaceable contact piece and a bending movement of a one-sided clamped resilient contact plate, which is supported due to the spring restoring force supported by a Thomson drive.
  • the bending elastic spring oscillates during the switching process through the neutral position and in a counter-deflection, whereby part of the spring energy is recovered and stored again.
  • the invention relates to a prior art, as known from GB 561,590.
  • a current switch for power circuit which has two spaced fixed electrodes and an interposed, rotationally movable switching contact piece.
  • a rotary drive serves to rotate the switching contact piece in a first rotational switching direction for the purpose of contact opening and in a second rotational switching direction for the purpose of contact closure of the fixed electrodes.
  • the rotary drive has a common mechanical torsion spring mechanism for rotating the switch contact in both rotational switch directions for contact opening and closing. There is no mechanism for recovering rotational switching energy.
  • US 5,777,404 discloses a rotary actuator for driving a switch pin in a switchgear.
  • the actuator drive comprises a torsion spring and a flywheel, which temporarily stores rotational switching energy, moves the contact pin further after the torsion spring has released, and, during the free run-out of the flywheel, returns the cached rotational energy as far as possible to the torsion spring.
  • Recuperation requires a flywheel with a large moment of inertia in order to buffer as much rotational energy as possible and deliver it to the torsion spring when it comes to a standstill.
  • the switching contact piece itself is lightweight and designed with a low moment of inertia, so that it can be set into rapid rotation and can be braked abruptly in its end position regardless of the flywheel.
  • 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 contact drive, which is characterized by short switching time and low switching energy consumption. This object is achieved according to the invention by the features of the independent claims.
  • the invention in a method for power switching, in particular in a switch for medium or high voltage, wherein between two spaced fixed electrodes, a rotatably movable switching contact piece is arranged, which by a rotary drive in a first rotational switching direction for the purpose of contact opening and in a second rotational switching direction is set for the purpose of contact closure of the fixed electrodes in a rotational movement, wherein the switching contact piece is rotated by mechanical torsional spring force and the torsional spring force for contact opening and the torsional spring force for contact closure by a common mechanical torsion spring mechanism are applied.
  • the rotationally movable contact piece during the switching operation is no longer offset by an electrodynamic but by a mechanical torsion drive in contact-opening or contact-closing rotation.
  • the first and second rotation switching directions are driven by the same torsion spring mechanism.
  • a Thomson drive which is less energy efficient and often large volume, omitted or designed only as a small support unit. This eliminates or reduces the need for large capacitors and switches, z. As thyristors, for controlling the Thomson drive. So are created with little construction effort and with low demand for switching energy very quickly on and off switching power switch.
  • a rotational energy of the switching contact piece is partially recovered during contact opening and / or contact closure.
  • the rotary drive thus comprises a device for recovering and storing excess torsional stress from a preceding switching operation.
  • the torsion spring mechanism is preferably allowed to overshoot in the opposite direction to the original pretensioning direction and blocked in a position deflected as far as possible by overshooting. In this way, a significantly better energy efficiency is achieved with regard to the switching energy to be applied.
  • rotational energy losses of the switching contact piece during contact opening and / or during contact closure are recharged by a torsion clamping device.
  • the torsion chuck may be a Thomson drive or a stepper motor.
  • high switching energies and thus very fast switching times can be achieved with relatively small electrical support drives.
  • the required capacitors, thyristors or generally switches and / or stepper motors can be designed much more compact and economical.
  • the invention relates to a power switch for power circuit, in particular for carrying out the method described above, comprising two spaced fixed electrodes, a rotatably movable switching contact piece and a rotary drive for rotating the switching contact piece in a first rotational switching direction for the purpose of contact opening and in a second rotational switching direction
  • the rotary drive has a common mechanical torsion spring mechanism for rotating the switching contact piece in both the first rotational shift direction and in the second rotational shift direction.
  • the rotary drive comprises a latching device for partially recovering mechanical rotational switching energy and a torsional clamping device for mechanically recharging rotational switching energy losses.
  • Fig. 1a, 1b shows schematically in plan view a current switch 1 with two fixed electrodes 2a, 2b and a switching contact piece 2c, here a bridge contact piece 2c, which is rotatably mounted about a rotation axis 4, here a symmetry or center axis 4, and by a rotary drive 3, 6-9 is drivable.
  • the switch 1 is in an encapsulated and optionally evacuated or isoliergastellen switch housing 5 is arranged.
  • the rotary drive is typically, but not necessarily, located outside and via a gas-tight rotary feedthrough 6, z. As a magnetic rotary feedthrough or a Metallfaltenbalg penation, mechanically connected to the switching contact piece 2c.
  • the rotary drive 3, 6-9 a mechanical torsion spring mechanism 3, which serves to rotate the switching contact piece 2c both in a first rotational switching direction 30 for contact opening and in a second rotational switching direction 31 for contact closure.
  • the rotary drive 3, 6-9 comprises a latching device 7 for partially recovering mechanical rotational switching energy and / or a torsion clamping device 9 for mechanical recharging of rotational switching energy losses. These are caused by friction and other irreversible processes. Further, a switch controller 8 for controlling the latching device 7 by means of switching commands 8a and the torsion clamping device 9 by means of Torsionsspannbeplane 8b is present.
  • Fig. 2a and Fig. 2b show in detail in plan view and side view of the operation of the rotating bridge contact 2c of length 1 and width b.
  • the width b or more precisely the conductor cross-section is selected according to the required current carrying capacity of the circuit breaker 1.
  • On the fixed electrodes 2a, 2b are resilient contacts 10, z. B.
  • multi-contact springs 10 present, the effect of a resilient behavior of the fixed electrodes 2a, 2b, symbolized by 10 ', and ensure that a high contact force, a low contact resistance and a low-impedance Electricity transfer between the electrodes 2a, 2b, 2c is ensured. This also prevents the contacts 2a, 2b, 2c from overheating at nominal current and from being welded together by the contact-closed switch 1 in the case of overcurrents. In addition, the dynamic reaction forces are absorbed and compensated by the spring contacts 10 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 the torsion spring mechanism 3, which lies between a contact-closed angle deflection 11a and a contact-opened angular deflection 11c, and one biased by the torsion clamping device 9 (not visible here) contact-opened angular deflection 11d.
  • the first and second rotational switching directions 30, 31 will be opposite to each other. But there are also arrangements conceivable and mitbe bulkt here, in which the rotational switching directions 30, 31 are rectified, d. H.
  • the switching contact piece 2c always rotates in the same direction and, if appropriate, the biasing and rotational direction of the torsion spring mechanism 3 is alternated.
  • an arc is typically drawn.
  • two partial arcs 12a, 12b which lie in series with one another in the contact gaps 13a, 13b are formed.
  • currents can be switched off and switched on at a higher voltage level and with less effort during arc extinguishing.
  • the power switch 1 for both rotational switch directions 30, 31 quickly switching and in particular a fast-switching synchronous switch. 1
  • FIG. 3a-3d show schematically an exemplary embodiment of the operation of the latching device 7, ie its latching means 7a, 7b, 11a, 11b, 11c, 11d, for a contact-opening rotational switching direction 30.
  • the latching means 7a, 7b, 11a, 11b, 11c, 11d serve for partial recovery of mechanical rotational switching energy upon contact opening.
  • the latching device 7 comprises: in Fig.
  • a contact-closed torsion lock 7a, 11a (comprising a rotatable opening pawl 7a for engaging a counterpart 11a) for contact closure of the torsion spring mechanism 3 and for storing the contact-opening rotational switching energy; in Figures 3b and 3c, a contact-opened torsion lock 7b, 11c (comprising a rotatable locking pawl 7b for engaging a counterpart 11c) for partially recovering the contact-opening rotational switching energy; and in Fig.
  • a preloaded contact-opened torsion lock 7b, 11d (comprising the rotatable locking pawl 7b for engaging a counterpart 11d) for recharging rotational losses and storing the total contact-closing rotational switching energy of the torsion spring mechanism 3.
  • the locking pawl 7b prevents recoil
  • the torsional tensioning device 9 only needs to compensate for and recharge the energy loss amounting to, for example, about 36% of the total stored rotational energy (corresponding to a constant frictional torque of 10% of the maximum torque).
  • the torsion chuck device 9 may include torsion biasing means 9 for mechanically recharging rotational friction losses for both rotational shift directions 30, 31.
  • 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 rotational 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 torsional spring force F fs are applied to contact closure by a single common torsion spring mechanical mechanism 3.
  • a rotatably movable switching contact piece 2c is arranged by a rotary drive 3, 6-9 in a first rotational 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 2
  • the rotational energy of the switching contact piece 2c is partially recovered upon contact opening and / or contact closure.
  • rotational energy losses of the switching contact piece 2c during contact opening and / or contact closure are recharged by a torsion clamping device 9, in particular by a Thomson drive 9 or a stepping motor 9.
  • a torsion clamping device 9 in particular by a Thomson drive 9 or a stepping motor 9.
  • EP 1 180 776 A1 and EP 1 067 569 with their entire disclosure content, in particular with regard to the design and control of an electro-dynamic Thomson drive 9, included in the description.
  • the first and second rotational switching directions 30, 31 are typically opposite to each other.
  • a force-free neutral angular deflection 11b of the torsion spring mechanism 3 or of the switching contact piece 2c is passed through by the switching contact piece 2c during contact opening and / or contact closure.
  • the contact opening and the contact closure should be performed synchronously and at high speed while avoiding or reducing arcing 12a, 12b.
  • inventions relate to, inter alia, the use as a switch 1 for medium or high voltages and / or currents, as a circuit breaker 1, disconnectors, current limiters 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 described above.

Landscapes

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

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
  • In der EP 1 180 776 A1 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.
  • Die Erfindung nimmt auf einen Stand der Technik Bezug, wie er aus der GB 561,590 bekannt ist. Dort wird ein Stromschalter zur Leistungsschaltung offenbart, der zwei beabstandete Festelektroden und ein dazwischen angeordnetes, rotatorisch bewegliches Schaltkontaktstück aufweist. Ein Rotationsantrieb dient zum Drehen des Schaltkontaktstücks in eine erste Rotationsschaltrichtung zum Zwecke des Kontaktöffnens und in eine zweite Rotationsschaltrichtung zum Zwecke des Kontaktschliessens der Festelektroden. Der Rotationsantrieb hat einen gemeinsamen mechanischen Torsionsfedermechanismus zum Drehen des Schaltkontaktstücks in beide Rotationsschaltrichtungen zum Kontaktöffnen und zum Kontaktschliessen. Es ist kein Mechanismus zur Wiedergewinnung von Rotationsschaltenergie vorgesehen.
  • In dem US 5,777,404 wird ein rotierender Aktuator zum Antreiben eines Schaltstifts in einem Schaltgerät offenbart. Der Aktuatorantrieb umfasst eine Torsionsfeder und ein Schwungrad, welches Rotationsschaltenergie zwischenspeichert, nach Entspannen der Torsionsfeder den Schaltstift weiterbewegt und während des freien Auslaufens des Schwungrads die zwischengespeicherte Rotationsenergie so weit wie möglich an die Torsionsfeder zurückgibt. Die Rekuperation erfordert ein Schwungrad mit grossem Trägheitsmoment, um möglichst viel Rotationsenergie zwischenzuspeichern und beim Auslaufen an die Torsionsfeder abzugeben. Das Schaltkontaktstück selber ist leichtgewichtig und mit geringem Trägheitsmoment ausgelegt, so dass es in schnelle Rotation versetzbar ist und in seiner Endstellung unabhängig vom Schwungrad schlagartig abgebremst werden kann.
    • 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. Es 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.
  • Erfindungsgemäß 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 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.
  • Erfindungsgemäß 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 l1 oder l2 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 Mittel- oder 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
    l
    Länge des Brückenkontakts
    l1, l2
    Länge der Kontaktspalte
    Ff0
    Torsionsfederkraft auf Brückenkontaktstück beim Öffnen
    FfS
    Torsionsfederkraft auf Brückenkontaktstück beim Schliessen
    ϕ
    Torsionswinkel
    t
    Zeit

Claims (9)

  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, wobei ferner das Schaltkontaktstück (2c) durch mechanische Torsionsfederkraft (Ff0, FfS) gedreht wird und die Torsionsfederkraft (Ff0) zum Kontaktöffnen und die Torsionsfederkraft (FfS) zum Kontaktschliessen von einem gemeinsamen mechanischen Torsionsfedermechanismus (3) aufgebracht werden, dadurch gekennzeichnet, dass eine Rotationsenergie des Schaltkontaktstücks (2c) beim Kontaktöffnen und/oder Kontaktschliessen teilweise wiedergewonnen wird.
  2. Das Verfahren nach Anspruch 1, 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.
  3. 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.
  4. 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), wobei 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 und eine Torsionsspannvorrichtung (9) zum mechanischen Wiederaufladen von Rotationsschaltenergieverlusten umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotationsantrieb (3, 6-9) eine Verklinkungsvorrichtung (7) zum teilweisen Wiedergewinnen mechanischer Rotationsschaltenergie des Schaltkontaktstücks (2c) umfasst.
  5. Stromschalter (1) nach Anspruch 4, 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.
  6. Stromschalter (1) nach einem der Ansprüche 4-5, 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.
  7. Stromschalter (1) nach einem der Ansprüche 4-6, 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.
  8. Stromschalter (1) nach einem der Ansprüche 4-7, 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 Syhchronschalter (1) ist.
  9. Elektrische Schaltanlage, insbesondere Hoch- oder Mittelspannungsschaltanlage, gekennzeichnet durch einen Stromschalter (1) nach einem der Ansprüche 4-8.
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