EP1671343B1 - Vakuum-Schaltgeräteantrieb - Google Patents

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EP1671343B1
EP1671343B1 EP04787055A EP04787055A EP1671343B1 EP 1671343 B1 EP1671343 B1 EP 1671343B1 EP 04787055 A EP04787055 A EP 04787055A EP 04787055 A EP04787055 A EP 04787055A EP 1671343 B1 EP1671343 B1 EP 1671343B1
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switching
drive according
drive
fluid medium
energy
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Werner Hartmann
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Siemens AG
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    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H71/00—Details of the protective switches or relays covered by groups H01H73/00 - H01H83/00
    • H01H71/10—Operating or release mechanisms
    • H01H71/12—Automatic release mechanisms with or without manual release
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    • H01H71/12—Automatic release mechanisms with or without manual release
    • H01H71/14—Electrothermal mechanisms
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H33/00—High-tension or heavy-current switches with arc-extinguishing or arc-preventing means
    • H01H33/60—Switches wherein the means for extinguishing or preventing the arc do not include separate means for obtaining or increasing flow of arc-extinguishing fluid
    • H01H33/66—Vacuum switches
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    • H—ELECTRICITY
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    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H39/00—Switching devices actuated by an explosion produced within the device and initiated by an electric current
    • H01H39/004—Closing switches

Definitions

  • the invention relates to a vacuum switching device drive in which stored energy is converted into a fast switching movement and activates a switching device.
  • drives with high switching speeds are required in the area of medium-voltage switching devices.
  • a switching operation is triggered electronically and completed within a few milliseconds to limit the arc fault energy.
  • drive principles with high drive power and energy are needed.
  • the latter explosion drives are known in different training.
  • this describes DE 35 45 327 Such a drive that works with an explosive gas mixture.
  • the DE 102 05 369 A1 and the DE 297 23 872 U1 include such switching elements, in which pyrotechnic materials are used to break the circuit.
  • Similar drive devices are from the GB 2 016 210 A and the US 3,700,970 A known, in such Facilities in addition to the rapid opening of the contacts equally a blowing out of the arc takes place with a quenching medium.
  • an opening switch which is located in a housing with a drive medium, wherein the drive medium evaporates by an arc discharge, which provides energy for opening the contacts and also forms an extinguishing gas.
  • the medium to be evaporated or the resulting vapor is arranged in the switching area, which is not possible with vacuum switching devices.
  • a suitable drive medium for example water, but also other suitable liquid or gaseous media, very quickly - in the sub-millisecond range to millisecond range - to heat and evaporate and thereby explosively generated gas pressure to drive to use a switching contact.
  • the entire drive energy necessary for the switching operation is thereby supplied electrically; Therefore, this method is reversible and, apart from wear and tear, not limited in the number of switching operations as other methods in which Hauptentladenikes this Hilfszündimpuls can also be applied directly to one of the main electrodes and thus be dispensed with an auxiliary electrode.
  • Advantages of the invention are, in particular, the repeating capability with complete recondensation / recombination of the working medium, a considerably longer service life than with an explosion drive, elimination of the need for replacement or storage of explosive cartridges.
  • the drive energy can, under certain circumstances, be taken directly from the 230 V network, so that no energy storage is necessary.
  • a particular advantage of the invention is that the triggering is completely electronic - i. without electromechanically moving parts - takes place, so that no additional mechanical release delay must be taken into account.
  • the switching is governed at voltages of several 100 V and peak currents of several 100 A to 1000 A in the range of less millisecond current flow time of semiconductor switching elements such as thyristors and IGBT's, so that no age-sensitive components such as interrupters or electromechanical auxiliary switches are needed.
  • FIG. 1 1 represents a vacuum interrupter in which a fixed contact is rigidly arranged via a fixed contact pin.
  • a moving contact is arranged via an axially displaceable contact pin. Via a drive, the moving contact is brought from the illustrated "open” position to the "closed” position.
  • FIG. 1 results in the advantage of the drive according to the invention over a known explosive-powered drive.
  • the explosive-filled detonator according to the prior art is here replaced by a pressure vessel 30 which is filled with a suitable medium, in particular water.
  • suitable media include fluids, especially liquids such as the already mentioned water, but also inert gases, such as nitrogen or argon, in question.
  • the fluid may contain ion conducting additives.
  • the switch shown in the picture can be in the form of an IGBT or power MOSFETs or as a thyristor with freewheeling diode.
  • the peak electrical power is so small (some 10 kW) that it can be taken directly in the form of permissible short-circuit load the 230 V network.
  • means are provided for latching the moving contact in its end position, as appropriate, or returning it to its starting position.
  • This can be z. B. by mechanical pawls or even via permanent magnets.
  • the additional, low-energy trigger pulse can bring about an additional trigger electrode first a partial discharge gap for breakthrough, which then follows the main spark gap with a short ignition delay of only a few microseconds.
  • the voltage-side electrode of the main discharge circuit for high frequencies may be inductively decoupled from the main discharge circuit, so that a high-frequency high-voltage auxiliary pulse can be coupled directly to the spark electrode and leads to a low-distortion breakthrough of the spark gap.
  • FIG. 1 referred to above in detail electrohydraulic drive referred to as 30. He acts on the axially movable bolt, wherein in a conventional manner, a mechanical Ver / Entklinkungsmechanismus 40 is present.
  • the Ver / Entklinkungsmechanismus 40 is slidably mounted on a stationary holding plate 41 against a Verklinkungsfeder 42 and acts via a pawl 43 on the axially movable pin 20 with receiving element 24 for the pawl 42. It is an opening spring 45 is provided in FIG. 2 curious and in FIG. 3 is relaxed.
  • FIG. 2 the electro-hydraulically driven moving contact 21 is shown in the closed, mechanically latched position.
  • the existing according to the prior art opening spring 45 is already stretched.
  • the energy for tensioning the opening spring 45 is in the illustrated embodiment of the electro-hydraulic drive 30, 31, 32 according to FIG. 1 applied.
  • the pawl 42 Upon actuation of the Entklinkungsmechanismus' 40, the pawl 42 is released, the tensioned opening spring 45 leads the moving contact 21 in the (opened) initial state.
  • FIG. 3 is the electro-hydraulically driven moving contact 21 shown in the open, mechanically unlatched position in which the opening spring 45 is relaxed.
  • Ver / unlatching means that work magnetically, for which electromagnets are suitable.

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  • Driving Mechanisms And Operating Circuits Of Arc-Extinguishing High-Tension Switches (AREA)
  • Relay Circuits (AREA)
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  • Circuit Breakers (AREA)
  • Control Of Throttle Valves Provided In The Intake System Or In The Exhaust System (AREA)
  • Vacuum Packaging (AREA)
  • Fluid-Pressure Circuits (AREA)
  • Containers, Films, And Cooling For Superconductive Devices (AREA)

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf einen Vakuum-Schaltgeräteantrieb, bei dem gespeicherte Energie in eine schnelle Schaltbewegung umgesetzt wird und ein Schaltorgan aktiviert.
  • Für bestimmte Einsatzzwecke wie beispielsweise das Verhindern von Störlichtbögen werden im Bereich von Mittelspannungsschaltgeräten Antriebe mit hoher Schaltgeschwindigkeit gefordert. Dabei soll eine Schalthandlung elektronisch ausgelöst und innerhalb weniger Millisekunden beendet sein, um die Störlichtbogenenergie zu begrenzen. Zu diesem Zweck werden Antriebsprinzipien mit hoher Antriebsleistung und -energie benötigt.
  • Im Allgemeinen werden bei Schaltgerätenfolgende Antriebsprinzipien, die jeweils spezifische Eigenheiten haben, eingesetzt:
    • Federspeicherantrieb: Probleme können bei schneller Entklinkung und aufgrund von Materialermüdung durch Kriechen od. dgl. entstehen.
    • Magnetischer Antrieb: Dieser Antrieb ist wegen hoher bewegter Massen der Antrieb relativ langsam.
    • Elektromagnetischer Wirbelstromantrieb: Mit einem solchen Antrieb sind große Hübe schwierig zu erreichen.
    • Explosionsantrieb: Ein wesentliches Problem ist hierbei die geringe Lebensdauer (typisch 1x bis max. ≈ 10x).
  • Insbesondere letztere Explosionsantriebe sind in unterschiedlicher Ausbildung bekannt. Beispielsweise beschreibt die DE 35 45 327 einen solchen Antrieb, der mit einem explosiven Gasgemisch arbeitet. Die DE 102 05 369 A1 und die DE 297 23 872 U1 beinhalten solche Schaltglieder, bei denen pyrotechnische Materialien zum Unterbrechen des Stromkreises verwendet werden. Ähnliche Antriebseinrichtungen sind aus der GB 2 016 210 A und der US 3 700 970 A bekannt, wobei bei derartigen Einrichtungen neben dem schnellen Öffnen der Kontakte gleichermaßen eine Beblasung des Lichtbogens mit einem Löschmedium erfolgt.
  • Weiterhin ist aus der DE 607 795 C ein öffnender Schalter bekannt, der sich in einem Gehäuse mit einem Antriebsmedium befindet, wobei durch eine Lichtbogenentladung das Antriebsmedium verdampft, die Energie für das Öffnen der Kontakte bereitstellt und gleichermaßen ein Löschgas bildet. Dabei ist das zu verdampfende Medium bzw. der daraus entstehende Dampf im Schaltbereich angeordnet, was bei Vakuumschaltgeräte aber nicht möglich ist.
  • Ausgehend vom vorstehend beschriebenen Sachverhalt ist es Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten Vakuum-Schaltgeräteantrieb zu schaffen.
  • Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
  • Gemäß der Erfindung wird entgegen dem Stand der Technik kein Explosionsantrieb realisiert, bei dem über die Funkenentladung ein Löschgas erzeugt wird. Vielmehr ist ein auf der Basis der Funkenentladung, insbesondere einer Unterwasserfunkenentladung arbeitender Antrieb geschaffen, bei dem die elektrisch gespeicherte Energie zur Bewegung des Kontaktträgers für das Schaltorgan verwendet wird. Dies ist speziell bei einer Anordnung für einen Vakuumschalter der Fall, bei dem über den Träger das Schaltorgan mit dem beweglichen Kontakt zum feststehenden Kontakt bewegt wird und somit ein Schließen des Schalters erfolgt.
  • Bei der Erfindung ist ein geeignetes Antriebsmedium, beispielsweise Wasser, aber auch andere geeignete flüssige oder gasförmige Medien, sehr schnell - im Sub-Millisekundenbereich bis Millisekundenbereich - zu erhitzen und zu verdampfen und den dabei explosionsartig entstehenden Gasdruck zum Antrieb eines Schaltkontaktes zu verwenden. Die gesamte für die Schalthandlung notwendige Antriebsenergie wird dabei elektrisch zugeführt; dadurch ist diese Methode reversibel und, von Abnutzungserscheinungen abgesehen, nicht in der Zahl der Schalthandlungen eingeschränkt wie andere Methoden, bei denen Hauptentladekreises kann dieser Hilfszündimpuls auch direkt auf eine der Hauptelektroden gegeben und so auf eine Hilfselektrode verzichtet werden.
  • Vorteile der Erfindung sind insbesondere die Repetierfähigkeit bei vollständiger Rekondensation/Rekombination des Arbeitsmediums, eine erheblich größere Lebensdauer als bei einem Explosionsantrieb, Wegfall der Notwendigkeit des Auswechselns bzw. der Lagerung von Explosivkartuschen. Die Antriebsenergie kann u.U., je nach Ausgestaltung der Schaltstrecke und der Anforderung bezüglich der Ausschaltzeit, direkt dem 230 V-Netz entnommen werden, so dass keine Energiespeicherung notwendig ist.
  • Besonderer Vorteil der Erfindung ist weiterhin, dass die Auslösung vollständig elektronisch - d.h. ohne elektromechanisch bewegte Teile - erfolgt, so dass keine zusätzliche mechanische Auslöseverzögerung berücksichtigt werden muss. Der Schaltvorgang wird bei Spannungen von einigen 100 V und Spitzenströmen von einigen 100 A bis 1000 A im Bereich weniger Millisekunden Stromflussdauer von Halbleiterschaltelementen wie Thyristoren und IGBT's beherrscht, so dass keine alterungsempfindlichen Bauteile wie Schaltröhren oder elektromechanische Hilfsschalter benötigt werden.
  • Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus nachfolgender Figurenbeschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung in Verbindung mit den Patentansprüchen. Es zeigen
    • Figur 1
    das Prinzip der Erfindung angewandt auf einen Vakuumschalter und
    Figur 2/3
    einen mit einem Antrieb gemäß Figur 1 elektrohydraulisch betätigten Schnellschalter mit Schließfunktion, sowohl in geöffnetem als auch in geschlossenem Zustand.
  • In Figur 1 stellt 1 eine Vakuumschaltröhre dar, in der über einen Festkontaktbolzen ein Festkontakt starr angeordnet ist. Demgegenüber ist über einen axial verschiebbaren Kontaktbolzen ein Bewegkontakt angeordnet. Über einen Antrieb wird der Bewegkontakt von der dargestellten "Offen"-Position in die "Schließ"-Position gebracht.
  • Aus der Darstellung der Figur 1 ergibt sich der Vorteil des erfindungsgemäßen Antriebes gegenüber einem bekannten Explosivstoff-getriebenen Antrieb. Die Explosivstoff-gefüllte Sprengkapsel nach dem Stand der Technik wird hier ersetzt durch ein Druckgefäß 30, welches mit einem geeigneten Medium, insbesondere Wasser, gefüllt ist. Als Medien kommen Fluide, insbesondere Flüssigkeiten wie das bereits erwähnte Wasser, aber auch inerte Gase, wie z.B. Stickstoff oder Argon, in Frage. Das Fluid kann ionenleitende Zusätze enthalten.
  • Durch Zünden einer Funkenentladung in diesem fluiden Medium wird eine einer Explosionswelle ähnlichen Druckwelle erzeugt, welche den beweglichen Kontakt BK antreibt, im gezeigten Fall auf den Festkontakt zu. Damit wird eine entsprechende Schalthandlung und zwar im in Figur 1 gezeigten Fall ein Schließen des Kontaktsystems, durchgeführt, die nach Abkühlung/Rekondensation des verdampften Mediums reversibel ist und eine hohe mechanische Lebensdauer erreichen kann.
  • Die Bereitstellung der elektrischen Energie kann - wie anhand der Figur 1 gezeigt - beispielsweise über einen elektrischen Energiespeicher in Form eines Kondensators erfolgen, der im Bild gezeigte Schalter kann in Form eines IGBT oder Leistungs-MOSFETs oder auch als Thyristor mit Freilaufdiode ausgebildet sein. In einer besonders vorteilhaften Anordnung ist die elektrische Spitzenleistung so klein (einige 10 kW), dass sie in Form der zulässigen Kurzschlussbelastung direkt dem 230 V-Netz entnommen werden kann. Beispielsweise ist bei einer zu betätigenden Masse von 2 kg, einem geforderten Kontakthub von 15 mm und einer Schaltzeit von 5 ms nur eine Energie von ca. 120 VAs nötig, wobei bereits ein Wirkungsgrad der Umwandlung elektrischer in mechanische Energie von 30 % angenommen wird; die zugehörige elektrische Leistung von ca. 24 kW wird von modernen Halbleitern beherrscht und kann u.U. dem Netz direkt entnommen werden. Andernfalls wird bei einer Ladespannung des Energiespeichers von typ. 311 V (entsprechend der Amplitude des 230 V-Netzes, unter Annahme einer Vollwellenbrücken-Gleichrichtung) eine Speicherkapazität von 2,5 mF benötigt.
  • Bei Zündung des Schalters wird an der Funkenstrecke eine ausrechend hohe Spannung aufgebaut, dass es zu einem elektrischen Überschlag im Antriebsmedium kommt; im weiteren Verlauf wird dabei ausreichend viel Energie im Antriebsmedium deponiert, dass dieses gegebenenfalls verdampft und anschließend so hoch erhitzt wird, dass der dabei entstehende thermodynamische Druck zur Betätigung des Bewegkontaktes ausreicht.
  • Entsprechend dem Stand der Technik sind Mittel vorhanden, um entsprechend den Anforderungen den Bewegkontakt in seiner Endstellung gegebenenfalls zu verklinken bzw. wieder in seine Ausgangsstellung zurückzuführen. Dies kann z. B. durch mechanische Klinken oder aber auch über Permanentmagnete erfolgen.
  • Um einen unvermeidlichen Zündverzug bei der im beschriebenen Beispiel ausgenutzten Überspannungszündung der Funkenstrecke zu verringern und statistische Schwankungen zu beseitigen, ist es vorteilhaft, einen separaten Hilfszündkreis mit höherer Zündspannung zu verwenden. Der zusätzliche, energiearme Auslöseimpuls kann dabei über eine zusätzliche Triggerelektrode zunächst eine Teilentladungsstrecke zum Durchbruch bringen, welcher dann mit kurzem Zündverzug von nur wenigen Mikrosekunden die Hauptfunkenstrecke folgt.
  • Alternativ kann die spannungsseitige Elektrode des Hauptentladekreises für hohe Frequenzen induktiv vom Hauptentladekreis entkoppelt sein, so dass ein hochfrequenter Hochspannungs-Hilfsimpuls direkt an die Funkenelektrode gekoppelt werden kann und zu einem verzugsarmen Durchbruch der Funkenstrecke führt.
  • In den Figuren 2 und 3 ist der anhand Figur 1 vorstehend im Einzelnen beschriebene elektrohydraulische Antrieb pauschal mit 30 bezeichnet. Er wirkt auf den axial beweglichen Bolzen, wobei in an sich bekannter Weise ein mechanischer Ver/Entklinkungsmechanismus 40 vorhanden ist. Der Ver/Entklinkungsmechanismus 40 ist an einer ortsfest angeordneten Halteplatte 41 gegenüber einer Verklinkungsfeder 42 verschiebbar befestigt und wirkt über eine Klinke 43 auf den axial beweglichen Bolzen 20 mit Aufnahmeelement 24 für die Klinke 42. Es ist eine Öffnungsfeder 45 vorhanden, die in Figur 2 gespannt und in Figur 3 entspannt ist.
  • In Figur 2 ist der elektrohydraulisch angetriebene Bewegkontakt 21 in geschlossener, mechanisch verklinkter Stellung gezeigt. Dabei ist die entsprechend dem Stand der Technik vorhandene Öffnungsfeder 45 bereits gespannt. Die Energie zum Spannen der Öffnungsfeder 45 wird im gezeigten Ausführungsbeispiel vom elektrohydraulischen Antrieb 30, 31, 32 gemäß Figur 1 aufgebracht. Bei Betätigung des Entklinkungsmechanismus' 40 wird die Klinke 42 gelöst, die gespannte Öffnungsfeder 45 führt den Bewegkontakt 21 in den (geöffneten) Ausgangszustand zurück.
  • In Figur 3 ist der elektrohydraulisch angetriebene Bewegkontakt 21 in geöffneter, mechanisch entklinkter Stellung gezeigt, in der die Öffnungsfeder 45 entspannt ist.
  • Statt der anhand der Figuren 2 und 3 beschriebenen mechanischen Verklinkung können auch solche Ver/Entklinkungsmittel vorgesehen sein, die magnetisch arbeiten, wofür Elektromagnete geeignet sind.

Claims (13)

  1. Vakuumschaltgeräteantrieb, bei dem gespeicherte Energie in eine schnelle Schaltbewegung zur Aktivierung eines Schaltorgans (20) für Kontakte (11, 21) im Schaltbereich eines Vakuumschaltgerätes umgesetzt wird und bei dem ein direkt oder indirekt aus einem fluiden Medium erzeugter Gasdruck zur Betätigung des Schaltorgans (20) dient, wobei der Gasdruck durch eine gesteuerte Energieumsetzung auf der Basis einer Funkenentladung im fluiden Medium gebildet wird und auf das Schaltorgan (20) einwirkt, wobei das fluide Medium räumlich von den Schaltkontakten (11, 21) getrennt angeordnet ist, so dass ein Eintreten des fluiden Mediums und/oder des durch die Entladung erzeugten Gasdruckes in den Schaltbereich mit den Schaltkontakten (11, 21) unterbunden wird.
  2. Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das fluide Medium Wasser ist.
  3. Antrieb nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das fluide Medium ionenleitfähige Zusätze enthält.
  4. Antrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer innerhalb des Fluids angeordneten Funkenstrecke zur Energieumsetzung, dadurch gekennzeichnet, dass die Funkenstrecke (31, 32) während der Betriebszeit des Schaltgerätes (1) spannungslos ist und nur für den Auslösevorgang des Schaltorgans (21) kurzzeitig mit Spannung belastet wird.
  5. Antrieb nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel (33, 34) zur Erzeugung eines Hochspannungsimpulses vorhanden sind und dass der Hochspannungsimpuls auf eine Hilfselektrode (32) der Funkenstrecke gegeben wird.
  6. Antrieb nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochspannungsimpuls von einer Spannungsquelle (34) mit parallel geschaltetem Kondensator (33) erzeugt wird.
  7. Antrieb nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Hilfselektrode (32) ein Schalter (35) zugeordnet ist.
  8. Antrieb nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalter ein Halbleiterschalter, insb. IGBT, Leistungs-MOSFET oder Thyristor, ist.
  9. Antrieb nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur induktiven Einkopplung des Hochspannungsimpulses vorhanden sind.
  10. Antrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel (40 - 45) zum Ver-/Entklinken des axial beweglichen Bolzens (20) mit Bewegkontakt (21) vorhanden sind.
  11. Antrieb nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Ver-/Entklinkungsmittel (40 - 45) mechanisch arbeiten.
  12. Antrieb nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Ver-/Entklinkungsmittel (40 - 45) magnetisch arbeiten.
  13. Antrieb nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Energie zum Verklinken vom elektrohydraulischen Antrieb (30) aufgebracht wird.
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EP1671343A1 EP1671343A1 (de) 2006-06-21
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CN (1) CN1860573A (de)
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