EP1665304B1

EP1665304B1 - Vorrichtung zur betätigung eines elektrischen schaltgerätes

Info

Publication number: EP1665304B1
Application number: EP03750542A
Authority: EP
Inventors: Franz-Josef Körber
Original assignee: ABB Technology AG
Current assignee: ABB Technology AG
Priority date: 2003-09-13
Filing date: 2003-09-13
Publication date: 2007-06-27
Anticipated expiration: 2023-09-13
Also published as: AU2003270192A1; JP2007515744A; US20060220470A1; US8035329B2; DE50307589D1; CN100458995C; ATE365970T1; CN1839455A; WO2005034156A1; EP1665304A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Betätigung eines elektrischen Schaltgerätes, insbesondere eines Hochspannungsleistungsschalters, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Schaltgerät, insbesondere einen Hochspannungsleistungsschalter, mit einer erfindungsgemäßen Betätigungsvorrichtung.
Herkömmliche Leistungsschalter weisen eine Schaltkammer mit einem festen und einem beweglichen Kontaktstück auf. Das bewegliche Kontaktstück ist dabei an einem Ende einer Isolierstange befestigt, deren anderes Ende mit einem Ende eines Betätigungshebels verbunden ist. Das andere Ende des Betätigungshebels ist an einer Drehwelle befestigt, so dass durch eine Drehung der Drehwelle das bewegliche Kontaktstück zum festen Kontaktstück hin, beziehungsweise von diesem weg bewegt wird. Die Länge des Betätigungshebels ist so bemessen, dass durch eine Drehung der Drehwelle um einen bestimmten Winkel der Leistungsschalter ein-, beziehungsweise ausgeschaltet wird.
Die Drehwelle wird häufig mittels eines mechanischen oder hydromechanischen Federspeicherantriebes in Drehung versetzt; der Antrieb ist mit einem Ende einer Pleuelstange gekoppelt, die über einen weiteren Hebel mit der Drehwelle des Leistungsschalters verbunden ist. Eine lineare oder annähernd lineare Bewegung des Antriebes um einen bestimmten Hub bewirkt dabei eine Drehung der Drehwelle um den vorgegebenen Winkel und somit einen Schaltvorgang.
Ein mechanischer oder hydromechanischer Federspeicherantrieb dieser Art weist einen Energiespeicher auf, welcher beispielsweise als mechanischer Federspeicher in Form von Schraubenfedern, Spiralfedern, Torsionsfedern oder Tellerfedern ausgeführt ist. Dieser Federspeicher wird mit Hilfe eines Aufzugmotors gespannt.
Zur Durchführung eines Schaltvorgangs wird der Federspeicher durch Lösen einer Verklinkung, beziehungsweise durch Betätigung eines Steuerventils, entspannt, wodurch die Federenergie über ein Getriebe, beziehungsweise über ein hydraulisches Übertragungsmedium, auf die Pleuelstange übertragen wird und so den erforderlichen Hub auf die Pleuelstange ausübt.
Solche Federspeicherantriebe weisen einen vergleichsweise komplexen Aufbau aus vielen einzelnen bewegten Teilen auf und haben einen vergleichsweise hohen Platzbedarf. Weiterhin benötigen solche mechanisch bewegten und reibungsbehafteten Teile prinzipiell regelmäßige Wartung und Kontrollen,
Entsprechende Schaltgeräte, bei denen die Ausschaltung über eine Energiespeicherfeder erfolgt, sind in der GB 808 125 A1 beschrieben. Dort ist zur Ausschaltung einer Energiespeicherfeder 24 vorgesehen, mit der im Falle einer Ausschaltung der Schalter betätigt wird.
Aus der weiterhin entgegengehaltenen DE 195 04 714 B4 ist ein Leistungsschalter bekannt geworden, der neben einer Ausschaltfeder auch noch eine Einschaltfeder aufweist und bei dem der Antriebsmotor zum Spannen der Federn, insbesondere der Einschalt- Schraubenfeder dient.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Betätigung eines Schaltgerätes zu schaffen, die einen einfachen Aufbau mit geringerem Platzbedarf aufweist und wartungsarm ist. Auch ist es Aufgabe der Erfindung, ein entsprechendes Schaltgerät anzugeben.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Betätigungsvorrichtung mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen, sowie ein entsprechendes Schaltgerät, sind in den weiteren Ansprüchen angegeben.
Erfindungsgemäß wird zum Antrieb einer Drehwelle eines elektrischen Schaltgerätes, insbesondere eines Hochspannungsleistungsschalters ausschließlich ein Elektromotor mit einer rotierenden Antriebswelle, die über ein Getriebe mit der Drehwelle des Schaltgerätes koppelbar ist, vorgesehen. Ein Energiespeicher für eine Einschaltung oder insbesondere für eine Ausschaltung ist nicht vorgesehen. Vielmehr wird auch die Ausschaltung ausschließlich mittels des Elektromotors bewirkt.
Im Vergleich zu einem mechanischen oder hydromechanischen Federspeicherantrieb weist ein Elektromotor einen vergleichsweise einfachen Aufbau auf und hat einen geringeren Platzbedarf. Auch ist der Aufwand für seine Wartung gegenüber einem Federspeicherantrieb verringert. Der Einsatz eines Getriebes bewirkt, dass das Drehmoment, das auf die Drehwelle des Schaltgerätes übertragen wird, größer ist als das Drehmoment, das der Elektromotor aufbringen muss. Somit lässt sich die Bauform, und damit auch der Platzbedarf, gegenüber einem Elektromotor, der die Drehwelle direkt antreibt, weiter verringern. Bei mehrpoligen, insbesondere dreipoligen, Schaltgeräten wird ein Motor zum Antrieb aller Schalterpole vorgesehen.
Alternativ ist bei mehrpoligen, insbesondere dreipoligen, Schaltgeräten auch ein separater Elektromotor zum Antrieb jedes Schalterpols vorsehbar.
Die Mittelachse der Antriebswelle des Elektromotors verläuft parallel zu der Mittelachse der Drehwelle, weswegen die räumliche Anordnung des Elektromotors nicht durch die Lage der Drehwelle festgelegt ist.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Elektromotor als Servomotor ausgeführt. Ein Servomotor bietet gegenüber anderen Elektromotoren den Vorteil, dass durch entsprechende Ansteuerung eine vergleichsweise genaue Drehung um einen vorgegebenen Winkel ausführbar ist. Weiterhin liefert ein Servomotor, insbesondere im Kurzzeitbetrieb, ein vergleichsweise hohes Drehmoment.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist das Getriebe als Hebelgetriebe ausgeführt. Ein solches Hebelgetriebe, welches auch als viergliedriges Drehgelenk oder als Kurbelschwinge bezeichnet wird, ist zuverlässig und wartungsarm.
Vorteilhafterweise kann das Hebelgetriebe so bemessen sein, dass eine Drehung der Antriebswelle des Elektromotors um 180° einen Schaltvorgang bewirkt. Es besteht auch die Möglichkeit, das Hebelgetriebe so bemessen, dass eine Drehung der Antriebswelle des Elektromotors um weniger als 180°, beispielsweise 90°, einen Schaltvorgang bewirkt. In einem solchen Fall muss der Elektromotor jedoch ein entsprechend höheres Drehmoment aufbringen. Bei einer Drehung um 180° ist das vom Elektromotor aufzubringende Drehmoment minimal.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist auf der Antriebswelle des Elektromotors ein Zwischenstück, das vorzugsweise als Kreisscheibe ausgeführt ist, befestigt, wobei das der Antriebswelle zugewandte Ende der Pleuelstange in wenigstens zwei Abständen zur Mittelachse der Antriebswelle an dem Zwischenstück anschließbar ist. Auf diese Art lässt sich das Hebelgetriebe durch Befestigung der Pleuelstange in einem geeigneten Abstand zur Mittelachse der Antriebswelle auf verschiedene Abtriebswinkel einstellen.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform kann das Getriebe als Zahnriementrieb ausgeführt sein, welcher ebenfalls vergleichsweise zuverlässig und wartungsarm ist.
Vorteilhafterweise weist der Zahnriementrieb ein Übersetzungsverhältnis von 1 : 1 bis 1 : 6, vorzugsweise 1 : 3,5 auf. Für einen Schaltvorgang, der beispielsweise eine Drehung der Drehwelle um 70° erfordert, wird sich die Antriebswelle des Elektromotors um 70° bis 420°, vorzugsweise 245° drehen. Ein kleiner Drehwinkel der Antriebswelle verlangt ein hohes Drehmoment des Elektromotors, und ein großer Drehwinkel verlangt eine hohe Winkelgeschwindigkeit. Ein praktisch anzustrebender Mittelwert liegt bei einem Drehwinkel von etwa 245°, also einer Getriebeübersetzung von 1 : 3,5.
Des weiteren wird ein Schaltgerät, insbesondere ein Hochspannungsleistungsschalter, mit einer erfindungsgemäßen Betätigungsvorrichtung beansprucht. Die Betätigungsvorrichtung ist auch auf weitere Hoch-, Mittel- und Niederspannungsschaltgeräte, beispielsweise Leistungsschalter, Trenner, Erder sowie Lasttrenner anwendbar.
Anhand der Zeichnungen, in denen drei Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt sind, werden die Erfindung, vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen der Erfindung, sowie weitere Vorteile näher erläutert und beschrieben.
Es zeigen:

Fig. 1: eine erfindungsgemäße Betätigungsvorrichtung mit einem Hebelgetriebe bei ausgeschaltetem Schaltgerät,
Fig. 2: eine erfindungsgemäße Betätigungsvorrichtung mit einem Hebelgetriebe bei eingeschaltetem Schaltgerät,
Fig. 3: eine Kreisscheibe mit mehreren Befestigungsmöglichkeiten und
Fig. 4: eine erfindungsgemäße Betätigungsvorrichtung mit einem Zahnriementrieb

In Fig. 1 ist eine erfindungsgemäße Betätigungsvorrichtung mit einem Hebelgetriebe bei ausgeschaltetem Schaltgerät gezeigt. An einer Antriebswelle 18 eines Elektromotors ist ein erster Hebel 16 quer zur Antriebswelle 18 befestigt, welcher über eine Pleuelstange 14 auf einen zweiten Hebel 12 wirkt, welcher an einer Drehwelle 10 eines Schaltgerätes quer zur Drehwelle 10 befestigt ist. An der Drehwelle 10 ist gasraumseitig auch ein Betätigungshebel 42 quer zur Drehwelle 10 befestigt, der über eine Isolierstange 44 ein bewegliches Kontaktstück einer Schaltkammer 40 betätigt. Die Schaltkammer 40 ist nur symbolisch dargestellt.
Eine gedachte Verbindungslinie V verläuft durch die Mittelachse der Antriebswelle 18 und die Mittelachse der Drehwelle 10. Eine gedachte Mittellinie M schneidet die Verbindungslinie V und die Mittelachse der Drehwelle 10 rechtwinklig.
In der hier gezeigten Darstellung, in der, wie am Symbol der Schaltkammer 40 erkennbar, das Schaltgerät ausgeschaltet ist, ist der zweite Hebel 12 um einen spitzen Winkel α gegen die Mittellinie M geneigt. Dabei befindet sich das mit der Pleuelstange 14 verbundene Ende des zweiten Hebels 12 auf der von der Antriebswelle 18 abgewandten Seite der Mittellinie M. Der erste Hebel 16 fluchtet mit der Verbindungslinie V, wobei sein mit der Pleuelstange 14 verbundenes Ende in Richtung der Drehwelle 10 weist.
Zum Einschalten des Schaltgerätes wird der erste Hebel 16 von der Antriebswelle 18 um einen Winkel β, in diesem Fall 180°, gedreht. Während dieser Drehung befinden sich der erste Hebel 16, die Pleuelstange 14 und der zweite Hebel 12 stets auf der gleichen Seite der Verbindungslinie V.
In Fig. 2 ist die Betätigungsvorrichtung aus Fig. 1 bei eingeschaltetem Schaltgerät gezeigt, wie am Symbol der Schaltkammer 40 zu erkennen ist. Der erste Hebel 16 fluchtet wieder mit der Verbindungslinie V, wobei jedoch sein mit der Pleuelstange 14 verbundenes Ende von der Drehwelle 10 weg weist. Der zweite Hebel 12 ist wieder um den Winkel α gegen die Mittellinie M geneigt, wobei sich jedoch sein mit der Pleuelstange 14 verbundenes Ende auf der der Antriebswelle 18 zugewandten Seite der Mittellinie M befindet.
Zum Ausschalten des Schaltgerätes wird der erste Hebel 16 von der Antriebswelle 18 um den Winkel β, in diesem Fall 180°, in die entgegengesetzte Richtung wie beim Einschalten gedreht.
Eine Drehung des ersten Hebels 16 um 180° bewirkt somit eine Drehung des zweiten Hebels um 2 * α. Für die Bemessung des Hebelgetriebes ergibt sich: L1 = L2 * sin(α), wobei L1 die Länge des ersten Hebels 16 und L2 die Länge des zweiten Hebels 12 darstellt. Die Länge der Pleuelstange 14 ist größer als die Länge des zweiten Hebels 12 zu wählen.
In Fig. 3 ist ein Zwischenstück in Form einer Kreisscheibe 26 mit mehreren Befestigungsmöglichkeiten für eine Pleuelstange 14 gezeigt. Die Kreisscheibe 26 ist auf die Antriebswelle 18 des Elektromotors montiert, wobei die Mittelachsen der Kreisscheibe 26 und der Antriebswelle 18 miteinander fluchten. Die Kreisscheibe 26 weist hier vier Bohrungen 31, 32, 33 und 34 auf, welche jeweils in einem unterschiedlichen radialen Abstand von der Mittelachse der Kreisscheibe 26 angebracht sind und als Befestigungsmöglichkeit für die Pleuelstange 14 dienen. Die Pleuelstange 14 weist beispielsweise ebenfalls eine Bohrung auf, so dass die Kreisscheibe 26 und die Pleuelstange 14 mit Hilfe eines Bolzens verbindbar sind.
Der radiale Abstand der Bohrung 31, 32, 33 oder 34, mit welcher die Pleuelstange 14 verbunden ist, von der Mittelachse der Antriebswelle 18 entspricht der Länge L1 des ersten Hebels 16 in Fig. 1 und Fig. 2. Durch Wahl der entsprechenden Bohrung 31, 32, 33 oder 34 zur Verbindung mit der Pleuelstange 14 ist somit eine Anpassung des Hebelgetriebes auf unterschiedliche Längen L2 des zweiten Hebels 12 und/oder verschiedene Drehwinkel α der Drehwelle 10 möglich. Die Kreisscheibe ist dabei so auszurichten, dass die Bohrung 31, 32, 33 oder 34, mit welcher die Pleuelstange 14 verbunden ist, bei ausgeschaltetem Schaltgerät auf der Verbindungslinie V liegt und zur Drehwelle 10 hin weist.
Die Anordnung der Bohrungen auf der Kreisscheibe ist frei wählbar, wie beispielsweise durch die Anordnung einer ersten Bohrung 31 und einer zweiten Bohrung 32 dargestellt. Eine dritte Bohrung 33 und eine vierte Bohrung 34 sind beispielsweise so angeordnet, dass ihre Mittelpunkte mit der Mittelachse der Antriebswelle 18 fluchten.
Die Ausführung des Zwischenstücks ist nicht auf die hier beschriebene Form als Kreisscheibe beschränkt, vielmehr kann das Zwischenstück beispielsweise als Kreissegment, als Oval, als Stange, als Dreieck, als Rechteck oder in einer anderen Form ausgeführt sein.
In Fig. 4 ist eine erfindungsgemäße Betätigungsvorrichtung mit einem Zahnriementrieb gezeigt. Eine erste Riemenscheibe 24 ist auf der Antriebswelle 18 des Elektromotors montiert und eine zweite Riemenscheibe 22 auf der Drehwelle 10 des Schaltgerätes. Um die Riemenscheiben 22 und 24 herum ist ein Zahnriemen 20 gespannt. An der Drehwelle 10 ist auch ein Betätigungshebel 42 quer zur Drehwelle 10 befestigt, der über eine Isolierstange 44 ein bewegliches Kontaktstück einer Schaltkammer 40 betätigt. Die Schaltkammer 40 ist nur symbolisch dargestellt.
Das Übersetzungsverhältnis des Zahnriementriebs ergibt sich als Quotient aus dem Radius der ersten Riemenscheibe 24 und dem Radius der zweiten Riemenscheibe 22. Wenn das Übersetzungsverhältnis 1 : 3 beträgt, dann erfolgt ein Schaltvorgang, bei dem die Drehwelle 10 um beispielsweise 70° zu drehen ist, durch eine Drehung der Antriebswelle 18 um 210°.

Bezugszeichenliste

10:: Drehwelle
12 :: zweiter Hebel
14:: Pleuelstange
16:: erster Hebel
18:: Antriebswelle
20:: Zahnriemen
22:: zweite Riemenscheibe
24:: erste Riemenscheibe
26:: Kreisscheibe
31:: erste Bohrung
32:: zweite Bohrung
33 :: dritte Bohrung
34:: vierte Bohrung
40:: Schaltkammer
42:: Betätigungshebel
44:: Isolierstange
α :: Drehwinkel der Drehwelle
β:: Drehwinkel der Antriebswelle
M:: Mittellinie
V:: Verbindungslinie

Claims

Vorrichtung zur Betätigung eines elektrischen Schalterpols oder eines Schaltgerätes mit mindestens einem beweglichen Kontaktstück, wobei das mindestens eine beweglich Kontaktstück über eine Drehwelle (10) angetrieben wird, dadurch gekennzeichnet, dass
zum Antrieb der Drehwelle (10) für die Ein- und Ausschaltung ausschließlich ein Elektromotor mit einer rotierenden Antriebswelle (18), die mittels eines Getriebes mit der Drehwelle (10) für das Schaltgerät gekoppelt ist, vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass bei mehrpoligen, insbesondere dreipoligen, Schaltgeräten ein Elektromotor zum Antrieb aller Schalterpole vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass bei mehrpoligen, insbesondere dreipoligen, Schaltgeräten zum Antrieb jedes Schalterpols ein separater Elektromotor vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittelachse der Antriebswelle (18) parallel zu der Mittelachse der Drehwelle (10) verläuft.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor als Servomotor ausgeführt ist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe als Hebelgetriebe ausgeführt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
dass das Hebelgetriebe so bemessen ist, dass eine Drehung der Antriebswelle (18) des Elektromotors um höchstens 180° einen Schaltvorgang des Schaltgerätes bewirkt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass an der Antriebswelle (18) des Elektromotors ein Zwischenstück, vorzugsweise eine Kreisscheibe (26), befestigt ist, an dem das der Antriebswelle (18) zugewandte Ende der Pleuelstange (14) in wenigstens zwei Abständen zur Mittelachse der Antriebswelle (18) anschließbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,
dass das Getriebe als Zahnriementrieb ausgeführt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,
dass der Zahnriementrieb ein Übersetzungsverhältnis von 1 : 1 bis 1 : 6, vorzugsweise 1 : 3,5 aufweist.
Schaltgerät mit mindestens einer Vorrichtung zur Betätigung nach einem der vorstehenden Ansprüche.