EP2551886B1 - Schaltgerät mit über eine flexible Welle angetriebenem Schaltglied - Google Patents

Schaltgerät mit über eine flexible Welle angetriebenem Schaltglied Download PDF

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EP2551886B1
EP2551886B1 EP11175792.8A EP11175792A EP2551886B1 EP 2551886 B1 EP2551886 B1 EP 2551886B1 EP 11175792 A EP11175792 A EP 11175792A EP 2551886 B1 EP2551886 B1 EP 2551886B1
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EP
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switching
switching device
flexible shaft
rotary angle
detection element
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Klaus Keim
Michael Mann
Tobias Erford
Daniel Kuhl
David Saxl
Peter Klonecki
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ABB Technology AG
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Publication date
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    • H01H71/50—Manual reset mechanisms which may be also used for manual release
    • H01H71/56—Manual reset mechanisms which may be also used for manual release actuated by rotatable knob or wheel

Definitions

  • the present invention relates to switching device with a movable switching element for opening and closing an electrical contact, wherein the switching member is driven by a flexible shaft, and a switchgear with such a switching device.
  • a typical electrical medium or high voltage switchgear usually comprises at least one circuit breaker for opening an electrical connection between two switch poles of an electrical phase during operation of the switchgear, and at least one switching device per electrical phase.
  • switching device is understood to mean earth switches, disconnectors or combined disconnecting earthing switches, in which opening an electrical connection by moving a switching element from a first position to another, second position between two switch poles of an electrical phase of the switching device normally not in nominal operation the switchgear is carried out.
  • switching devices required for moving the movable switching member drive means is arranged on the switch housing or even integrated therein.
  • the switching devices are firstly arranged locally sometimes far from each other and, secondly, in three-dimensional space relative to one another, possibly even differently oriented.
  • relevant regulations such as IEC 62271-102: 2003
  • customer requirements to meet which require, for example, that an operator the switching position of the switching device by means of a switch position display is always visually displayed. This is often the case with gas-insulated switchgear, for example, and leads, in particular in the case of large-scale switchgear, to a complicated control procedure when several switch positions have to be visually checked by an operator.
  • One way to improve the situation is that the switching member is moved from a location remote from the actual switch via a flexible shaft.
  • a switching device in which a movable switching element of a switching device via a flexible shaft with a shift lever is firmly connected, so that the switching member can be operated by a remote from the switching device operating area by lever.
  • Shift lever is fixedly connected to a rotatable input portion of the flexible shaft and the switching member with the output side to the one rotatable output portion, so that the movable switching member is convertible from a first position to a second position.
  • An advantage of a flexible shaft is that it allows a structurally simple overcoming of dimensional and positional tolerances between the input section and the output section, and also contributes to a great design freedom thanks to the different orientability or alignability of the input section and output section.
  • a disadvantage of the flexible shaft shows, for example, when leaving the first position of the switching element, when a greater force is required on the shift lever, as when the switching member is moved only between the first and the second position.
  • This higher force application results from an adhesion of contact elements, which are preferably arranged on the movable part of the nominal contact junction.
  • a rotational angle offset which can be generated by a first rotational angle of the flexible shaft at the output section and a second rotational angle at the input section, increases at the same time.
  • the required drive torque for the movable switching elements such switching devices, for example, at about 10 Nm.
  • a rotational angle offset between the input section and the output section when introducing a torque of a few Newtonmeters at the input section can be rapidly greater than 30 ° (degrees), for example 60 ° or even more at a length of the flexible shaft of approximately two meters. As the length of the flexible shaft increases, the rotational angle offset increases. This is accompanied by the uncertainty of whether the switching element is already in the desired switching state, or whether it is still in the one switching position at the previous switching state. This uncertainty is technically and safety not sustainable.
  • switching device will not be understood below as circuit breakers such as gas-insulated circuit breakers, generator switches and the like, but switches, which require a relatively low drive power.
  • the switching device has a movable from a first position to a second position switching element.
  • the switching device also includes a drive unit for generating a rotational movement and a flexible shaft for transmitting the rotational movement to the switching element.
  • the flexible shaft has a first length and is rotatably mounted. On the drive side, the flexible shaft has a rotatable input section and on the output side a rotatable output section, wherein the input section is connected to the drive unit generating the drive unit.
  • the difference between these two angles of rotation justifies a first rotation angle offset.
  • a third angle of rotation at the output portion can be generated.
  • This third rotation angle is smaller than the second rotation angle at the input section at the same time, so that a second rotation angle offset can be generated, which is greater than the first rotation angle offset.
  • the input section is connected via a mechanical first intermediate gear to a (preferably also mechanical) shift position detection element.
  • the first intermediate gear has a control means with one of the first position of the switching element corresponding, or associated with the first area.
  • This first region is coupled to the shift position detection element such that the first rotational angle offset and the second rotational angle offset result in an identical indication of the shift position detection element.
  • an identical display of the switching position detection element corresponds to a switching state, for example "disconnector closed” or "disconnector completely open”.
  • An identical display is important in both purely mechanical reading, as well as in an electrical reading or reading the switching state, because the information about the switching state of a switching device often serves as input for a switching logic, which, for example, prevents another switching device a specific switching process at all can perform.
  • the knowledge about the switching state of a switching device is not only important for trouble-free operation of a switchgear, but also, for example, for inspection or maintenance purposes certain switchgear parts safely and absolutely reliable can be switched off.
  • the term "first position” or "second position” is understood below to mean a mechanical position or a geometric location, in which the movable switching element can be moved.
  • Such a switching device can be used for example as a disconnector (disconnector) or earth switch (earthing switch).
  • switching elements are movable within certain limits, without changing the electrical switching position, that is, the electrical switching state, and accordingly the display.
  • a switching device is electrically in the closed position as soon as the movable switching member impinges on a mating contact, such as a fixed contact.
  • the actual position of the switching element still corresponds to the end position of the switching element in this switching position, because this is achieved only after a further movement of the switching element in the same direction at a later time.
  • a switching element formed, for example, as a linearly movable pin contact presses the contact elements between the pin contact and the mating contact together. Although this compression requires when retracting a force to overcome one of the contact elements (for example, lamellar contacts) generated counterforce, but does not change the electrical switching state.
  • the movable switching element in the same electrical switching state actually has several possible mechanical positions, for example between the first electrical contact and the achievement of the first intended end position.
  • the first intermediate gear it is possible to take the effect of the angular displacement, as well as deviations from different rotational angle offsets, such as occur as a result of flexible shafts of the same type but different lengths, as well as production-related tolerances of the auxiliary contacts, so that he does not deviate electrical Wegan Servicepositions sueden and so that an incorrect indication of the actual electrical switching state leads.
  • the mechanical first intermediate gear satisfies the requirement that the drive unit and the switching device does not include any electronic components, as they are usually used in regulations otherwise. Instead, the first intermediate gear in general and its control means in particular is configured so that the mechanically "soft", ie acting as a torsion spring flexible shaft largely reconstructs an image of the actual switching state on the driven side of the flexible shaft at the switching element, without Any readjustment to compensate for the torque offset of the flexible shaft is required.
  • the mechanical first intermediate gear meets the requirements of IEC 62271-102: 2003, by always a mechanical connection between the switching element and the shift position detection element is present.
  • the switching position detection element may be one or more parts and serve to control one or more auxiliary contacts.
  • a complete electromechanical, kinematic chain between switching element and auxiliary contact can be achieved.
  • the display is electric when needed via auxiliary contacts readable relationship meadowable determined when the shift position detection element in turn controls one or more auxiliary contacts directly or via another auxiliary transmission.
  • the movable switching element for example, a rotatable contact piece or a thrust contact, also called switching pin.
  • the switching device is characterized in that its control means also has a second region corresponding to the second position of the switching element. This second area is coupled to the shift position detection element in such a way that the first rotational angle offset and the second rotational angle offset leads to a further indication of another shift position, but nevertheless leads to a respectively identical display of the shift position detection element for the second shift state in that second shift position.
  • a drive unit which includes an electric motor is recommended.
  • This electric motor transmits the For switching the switching member required torsion on the input portion of the flexible shaft, for example via a secondary transmission.
  • the drive unit is additionally or alternatively also manually operated.
  • the input portion of the flexible shaft itself, or an axis of a mechanically connected with her sub-transmission have a plug-in coupling for receiving a hand crank.
  • the display of the switching position detection element on the auxiliary contact in the form of an electrical signal can be tapped, for example, to supply it to a switching logic or switchgear control.
  • the switching position detection element is connected, for example, with at least one auxiliary contact such that one of the first position of the switching element corresponding display of the switching position detection element, ie the switching state, the auxiliary contact can be tapped off as an electrical signal.
  • the at least one auxiliary contact may have a contact element which can be rotated about an axis.
  • this axis is formed by the switching position detection element itself. If required, a further (linear) intermediate gear between shift position detection element of the axis carrying the contact element is possible.
  • auxiliary contacts for example, due to their design require a non-linear, ie unsteady, jerky control, a switching device is recommended in which the first intermediate gear is a non-linear gear, with to which the shift position detection element is non-linearly controllable to the second rotation angle of the input section.
  • a non-linear switching of the auxiliary contacts may be required because it leads to a sufficiently high switching speed at the electrical contacts of the auxiliary contacts, so that even with undervoltage (slowest possible control of the auxiliary contacts) and overvoltage (the fastest possible control of the auxiliary contacts) a reliable circuit Auxiliary contacts is ensured.
  • auxiliary contacts have a rotatable contact element and a stationary contact area.
  • the contact area is swept in the circumferential direction of the rotatable contact element.
  • the length of the contact area is assembled during the assembly of the auxiliary contact and may therefore sometimes be subject to major deviations from Idealmass and / or the ideal shape.
  • the effects of such tolerances are largely compensated.
  • the control means comprises a gate control.
  • this can itself be a slide control, for example, to to convert a linear movement back into a rotary motion.
  • Normally slide controls are inexpensive and economical to produce due to their simplicity.
  • a lever mechanism can be used instead of the link or in combination.
  • the control means or at least a portion of it is also rotatably mounted.
  • the slide control can also be multi-part, for example, be composed of several parts. Even with such an embodiment, in a switching device whose switching element knows two defined switching states, especially the size and shape of the end positions of the link control crucial.
  • the control means can be designed such that even when using a flexible shaft having a different second length to the first length and thus a magnitude different other first rotational angle offset and a different size second rotational angle offset in turn lead to an identical display of the switching position detection element and thus the predefinable switching state.
  • a slide control is called at this point, the Langlochnut in a switching state corresponding section has so long and / or such a shape that a certain angle of rotation offset area can be covered without the Display of the shift position detection element changes.
  • the gate section forming the angle of rotation offset region forms an overflow in this case.
  • the first intermediate gear can be generated by the drive unit rotational movement on To convert input section into a linear movement
  • the first intermediate gear can have at least one spindle-driving nut combination.
  • At least one (electric) limit switch operable preferably a limit switch, with which the achievement of a predefinable position or position can be read or detected electrically and forwarded is.
  • the limit switch can be formed by a further auxiliary contact.
  • the limit switch prefferably be arranged on a mounting position selected as a function of a rotational angle offset characteristic, in particular of an overall length, of the flexible shaft, relative to the driving nut of the spindle-driving-nut combination.
  • This mounting position can be taken, for example, from a table of corresponding tested, different lengths of flexible shafts of the same type or even different types, such as from other manufacturers.
  • a typical flexible shaft is designed to transmit a rotational movement in one direction of rotation. If it is nevertheless operated in the opposite direction, then the torsion spring behavior and thus the angular displacement is often so different that they are not suitable for use in a switching device.
  • the inventive switching device which is characterized in that the flexible shaft has at least two strand layers with a different winding direction, which Litzenlagen are such that at identical second rotation angle of the first rotation angle offset or the second rotation angle offset during operation of the flexible shaft clockwise less than 20% of the first Rotary angle offset or the second angle of rotation offset during operation of the flexible shaft deviates counterclockwise.
  • the drive unit is not permanently connected permanently to the switching element, but releasably coupled to the switching element.
  • An advantage of the detachability occurs, for example, when the drive mechanism on the one side of the flexible shaft meets only at the place of commissioning of the switching device on the associated switching element.
  • the switching device is characterized in that the input portion and / or the output portion of the flexible shaft have a releasable further coupling. Toothed shaft couplings are particularly suitable because they allow a very precise assembly and coupling of the flexible shaft with the switching element and the drive unit, especially if they are in predetermined basic settings.
  • the flexible shaft can also be used as a setting element.
  • Flexible shafts have the property whose angular displacement increases with increasing torque load. This property is particularly disadvantageous when using electric motors as a drive unit.
  • electric motors have the disadvantage that in comparison to the speed required at the switching element have too high a rated speed to provide the rated power can. Therefore, it is particularly when using an electric motor as a drive unit for moving the switching member to provide a switching device, which is characterized in that at the output portion of the flexible shaft, a mechanical second intermediate gear is arranged.
  • the second intermediate gear is a reduction and has an input terminal and an output terminal, wherein with the second intermediate gear, a speed of the output terminal with respect to a speed of the input terminal is reduced.
  • This second intermediate gear allows that the rotational speed of the flexible shaft can be kept as high as possible, whereby the shaft only relatively little torque must be transmitted - which causes a smaller angular displacement than when the same power transmission but a low speed, a comparatively higher torque to be transmitted ,
  • the second intermediate gear transformed from it again a small speed at high torque, as is required at the switching element in the rule.
  • the second intermediate gear is an angle gear.
  • the switching device is characterized, for example, characterized in that the drive train has an optical switch position display, which is connected against rotation with the first intermediate gear.
  • gas-insulated switchgear in which the switching element is electrically isolated by an insulating gas from a metal-enclosed housing of the actual switch.
  • This is particularly advantageous for gas-insulated switchgear whose switching elements are often spatially arranged several meters at sometimes difficult to reach places in a panel.
  • the physical separation of the switching element and the drive unit also allows, for example, an arrangement of the drive unit in the control cabinet of the switchgear, while the actual switch is located somewhere in the switchgear itself.
  • the gapless mechanical chain also called kinematic chain
  • visually represent the simplest way for example by a sight glass arranged behind a cover of the control cabinet drive breaks the cover locally and so an operator direct visual access to the switch position display.
  • Another advantage of the flexible shaft is that even with staggered and / or rotated about the axes of the orthogonal alignment system alignments of the switching device - in three-dimensional space - allows a relatively easy to implement, reliable mechanical connection to the movable switching element.
  • a reliable and easily accessible to the operator insight of the switch position display on an ergonomically preferred position can be realized with the inventive switching device even then, when the switch containing the switching element is itself installed facing away from the operator in a difficult to reach position in the switchgear.
  • a largely free arrangement of the switching device in the three-dimensional space of a switchgear contributes significantly to the flexible applicability of arranged with flexible shafts switching devices.
  • the flexible shaft gives the usability of the switching device and its drive a very large degree of freedom.
  • shape and / or position and / or dimensional deviations between the drive unit and switching element / switch can be easily compensated by the flexible, flexible shaft.
  • the flexible shaft for example, between the control cabinet and a switchgear with such a switching device allows a largely free way of laying.
  • the object is achieved in that it has at least one switching device according to the invention.
  • the advantages mentioned in connection with the switching device accordingly apply to such switchgear.
  • GIS gas-insulated switchgear
  • DTB dead tank breaker
  • LTB live tank breaker
  • AIS air-insulated switchgear
  • FIG. 5 shows a side view of a gas-insulated switchgear with stylized illustrated in partial section switching device 4, wherein only one electrical phase is illustrated.
  • the flexible shaft 1 comprises a rotatably mounted part, as well as a static during operation of the flexible shaft part, which is formed by an armored enclosure.
  • the drive 2 is arranged in a drive cabinet 6.
  • the drive cabinet 6 directly adjoins an operating passage 7, so that an operator 8 of the switchgear has optimum access and optimal optical insight to the drive 2.
  • the switching device has a switching element that can be moved from a first predefinable position to a second predefinable position.
  • the switching device 4 is a disconnector (disconnector), with which a first nominal conductor 9 of an electrical phase (R, S or T) with a second nominal conductor 10 corresponding electrical phase are electrically connected to each other or separable.
  • the switching-element-side ends of these nominal conductors form the switching poles.
  • At least one isolator or switching device of this type is typically used per electrical phase.
  • the switching device 4 itself has a drive 2 with a drive unit 13 for generating a rotational movement of the flexible shaft 1 and for the purpose of transmitting the rotational movement to the switching element 3.
  • the drive unit 13 comprises an electric motor, which is connected via a first secondary transmission 14 to a rotatable input section 16 of the flexible shaft 1.
  • the input portion 16 in turn comprises a spindle 17.
  • This spindle 17 is movably connected to a driving nut 18, so that one revolution of the spindle causes a linear movement with a length corresponding to the pitch of the threaded spindle 17.
  • the driving nut 18 has a switching cam 19 for interacting with limit switches 20.
  • the driving nut 18 also has a switching pin 22, which engages in a Langlochnut a control means 23 in the form of a transversely to the shift pin 22 movably mounted link 23.
  • This gate 23 in turn controls a shift position detection element 24 mechanically, so that the drive unit 13 and the switching element 3 is finally assembled via a kinematic chain of exclusively mechanical components and connected to the shift position detection element 24.
  • the backdrop 23 is in Fig.2 for clarity in a relation to the switching pin 22 rotated by 90 ° position shown.
  • the flexible shaft 1 On the output side, ie on the side of the switching element 3, the flexible shaft 1 has a rotatable output section 25.
  • a first angle of rotation 28 at the output portion can be generated at the flexible shaft at time t2, t3 (until shortly before t4) which is less than a second angle of rotation 29 at the input section 16 at the same time (t2, t3), so that a first Rotation angle offset 30 results (see the FIGS. 3 to 5 in synopsis with FIG. 2 ).
  • a third rotation angle 31 can be generated at the output portion 25, which is smaller than the second rotation angle 29 at the input portion at the same time, resulting in a second rotation angle offset 32 which is larger is the first rotational angle offset 30 (see the FIGS. 3 to 6 in synopsis with FIG. 2 ).
  • the input portion 16 of the flexible shaft 1 is connected via a mechanical first intermediate gear 37 with the shift position detection element 24, wherein the first intermediate gear 37 in the in FIG. 2 shown embodiment, the threaded spindle 17, the driving nut 18, the switching cam 19, the limit switch 20, the switching pin 22, and the control means forming the gate 23 comprises.
  • the control means 23 further comprises a first region 38 corresponding to the first position of the switching element 3, which is coupled to the shift position detection element 24 such that the first rotational angle offset 30 and the second rotational angle offset 32 lead to an identical indication of the shift position detection element 24 and thus the same electrical switching state Show.
  • the technical effect of such a display in connection with the corresponding switching state is in connection with the FIGS. 3 to 6 be discussed in more detail.
  • the FIG. 3 shows a control means 23 for two unique to be detected electrical switching positions (switching states).
  • the switching pin was lined at time t4 and shown stylized only at times t3 and t5.
  • the switching pin 22 moves the link 23 depending on the switching state laterally in the direction of the double arrow 43.
  • the switching pin 22 and the link 23 together form a link control.
  • the control means 23 is connected to the shift position detection element 24 via a further linkage control 45. Of the other slide control 45 is in the FIG. 3 For clarity, only an arcuate slot path and a control pin shown.
  • the link 23 in addition to the first region 38 assigned to the first switching state, has a second region 39 assigned to the second switching state.
  • An intermediate connection region 40 connects the first and second regions 38, 39 and represents an electrical intermediate position between the switching poles, in which intermediate position the switching element 3 is mechanically located between the first end position (fully closed disconnector) and the second end position (disconnector fully open).
  • FIG. 4 shows a representation of a first angle of rotation and a second angle of rotation at the same time t3, t4 and t5 at the same switching state in the area 38 but different local positions of the movable switching member relative to the stationary mating contact (see FIG. 6 ).
  • FIG. 5 shows a representation of the resulting rotational angle offsets and the actual mechanical Position of the switching pin in the backdrop according to FIG. 3 at times t3, t4 and t5.
  • FIG. 6 shows a representation of depending on the actual mechanical position of the switching pin in the backdrop according to FIG. 3 changing switching state at the times t3, t4 and t5.
  • the rotational angle offset is substantially constant, since the switching element 3 until then no resistance, because the switching element has not yet reached its associated mating contact 46 up to this point.
  • the switching element of the switching device is in the transition from an open position to the closed position.
  • the user of the switching device knows about the indication that the switching element is in an intermediate position between two end positions.
  • the switching element 3 abuts against contact elements 47 of the mating contact 46, which ensure reliable transmission of the electrical power at a switch position in the first electrical switching state corresponding to the first region 38.
  • the switching element 3 designed as a pin contact is not yet fully moved into the mating contact 46, another electrical switching state is nevertheless already reached from now on, which the first intermediate gearbox correctly reproduces via the display of the switching position detection element.
  • FIG. 7 shows a torque-time diagram, which represents a torque input T E in the input-side input portion of the flexible shaft from a first switching position (switch fully open) to a second switching position (switch completely closed) during FIG. 8 a torque-time diagram which a torque input T A in the switch member side output section of the flexible shaft to those in FIG. 7 corresponding times.
  • the force required to move the pin contact 3 in this embodiment of the switching device remains reasonably constant (as does the rotational angle offset) because the contact forces of the contact elements 47 press the pin contact 3 against its lateral surface and thus produce a mechanical adhesive effect by the applied friction. Accordingly, the required torque at the output portion of the flexible shaft is the same or at least hardly changed.
  • the FIG. 9 shows a speed-time diagram, which is a rotational speed n E of the input-side input side of the flexible shaft to those in the FIGS. 4 to 8 corresponding times.
  • the speed increases continuously to a rated speed n1 until the acting as a torsion spring flexible shaft is biased ready.
  • the output section is said to be still largely largely silent, provided that the time offset between t0 and t1 is small and the inertia of the flexible wave is large.
  • the output section corresponding to the input section then also moves at the rated speed n1.
  • the speed drops to a second speed value n2 and then remains reasonably constant until an end position intended for the pin contact is reached and drops completely after the drive unit has been switched off.
  • the shift position detection element 24 is mechanically connected via a further link control 45 with the link 23.
  • the switching position detection element 24 is mechanically connected to a movable contact element of at least one auxiliary contact 55. Since the shift position detection element 24 is rotatable about a rotation axis 44, an embodiment of the at least one auxiliary contact is suitable as a rotary contact.
  • a display of the switching position detection element 24 corresponding to the first position of the switching element can be tapped off as an electrical signal 54 and forwarded to a switching logic and / or control unit.
  • the switching cam 19 Upon actuation of the two limit switches 20 by the switching cam 19, the attainment of a predeterminable position or position of the switching element or at least of the input section 16 in the form of a further electrical signal 53 can be tapped. Depending on the design of the switching device, this further signal for switching off the electric motor of the drive unit can be used.
  • the limit switches 20 are in dependence on a rotation angle offset characteristic, in particular the total length of the flexible shaft, at a selected Mounting position 65 relative to the driving nut 18 of the spindle drive nut combination and thus the switching cam 19 is arranged.
  • the auxiliary contacts are one or more controllable by a rotary motion auxiliary contacts, which require a jerky control. This takes place via the further slide control 45.
  • the flexible shaft can also be actuated manually via a hand crank 56.
  • the hand crank 56 is in this case in the direction of arrow at directly on a free, the operating gear 7 facing the end 57 of the input portion 16 attachable.
  • the input section 16 of the flexible shaft is connected in a form-fitting manner via a second secondary gear 58 to an optical switching position indicator 59.
  • the drive cabinet has a correspondingly shaped cutout or viewing window in the area of the optical switch position indicator 59.
  • both the drive side at the input portion, as well as the output side at the output portion, the flexible shaft is connected by means of a respective shaft coupling 60 releasably connected to the connection elements.
  • both the input section 16, as well as the output section 25 is rigid and formed from at least two parts, which two parts operation of the switching device with a toothed shaft coupling 60 are rotatably connected to each other.
  • Second intermediate gear 61 At the output end of the flexible shaft whose output portion 25 is connected via a linear, second intermediate gear 61 in the form of a gear transmission with the switching pin 3.
  • This is the second one Intermediate gear a reduction and has an input terminal 62 and an output terminal 63.
  • a rotational speed at the output port 63 is reducible from a rotational speed at the input port 62, at the same time the second intermediate gear 61 increases a low torque at the input port 62 to a higher torque at the output port 63.
  • FIG. 10 shows a control means for three unique to be detected electrical switch positions, as it would be used for a combined disconnector / earth switch.
  • the control means 23 now has, in addition to the first region 38 and the second region 39, a third region 66, which corresponds to a third switching state of the switching device.

Landscapes

  • Rotary Switch, Piano Key Switch, And Lever Switch (AREA)

Description

    TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Erfindung betrifft Schaltgerät mit einem bewegbaren Schaltglied zum Öffnen und Schliessen eines elektrischen Kontaktes, wobei das Schaltglied über eine flexible Welle antreibbar ist, sowie eine Schaltanlage mit einem solchen Schaltgerät.
    • TECHNOLOGISCHER HINTERGRUND UND STAND DER TECHNIK
  • Eine typische elektrische Mittel- oder Hochspannungsschaltanlage umfasst meistens mindestens einen Leistungsschalter zum Öffnen einer elektrischen Verbindung zwischen zwei Schalterpolen einer elektrischen Phase im Betrieb der Schaltanlage, sowie mindestens ein Schaltgerät pro elektrische Phase. Unter dem Begriff Schaltgerät werden nachfolgend Erdschalter, Trennschalter oder kombinierte Trenn-Erdungsschalter verstanden, bei welchen ein Öffnen einer elektrischen Verbindung durch ein Bewegen eines Schaltglieds von einer ersten Position in eine andere, zweite Position zwischen zwei Schalterpolen einer elektrischen Phase des Schaltgeräts normalerweise nicht im Nominalbetrieb der Schaltanlage durchgeführt wird.
  • Bei vielen solchen Schaltgeräten ist eine zum Bewegen des beweglichen Schaltglieds erforderliche Antriebseinrichtung am Schaltergehäuse angeordnet oder gar darin integriert. In der Folge sind bei einer typischen Schaltanlage die Schaltgeräte erstens örtlich mitunter weit voneinander entfernt angeordnet und zweitens im dreidimensionalen Raum relativ zueinander womöglich noch anders ausgerichtet. Nebst diversen Anforderungen wie die Erfüllung der einschlägigen Vorschriften, beispielsweise der IEC-Vorschrift 62271-102:2003, gibt es Kundenforderungen zu erfüllen, welche beispielsweise fordern, dass einem Bediener die Schaltstellung des Schaltgerätes mittels einer Schaltstellungsanzeige jederzeit optisch anzeigt wird. Dies ist etwa bei gasisolierten Schaltanlagen oft der Fall und führt insbesondere bei grossräumigen Schaltanlagen zu einem aufwändigen Kontrollprozedere, wenn mehrere Schaltstellungen von einem Bediener visuell kontrolliert werden müssen. Es sind Anlagen bekannt, bei welchen dieses Problem über eine elektronische Schaltstellungsanzeige gelöst wird, womit eine einer vorbestimmten Schaltgliedstellung entsprechende Antriebswellenposition elektronisch an eine bedienernahe Anzeige übermittelt wird. Diese zweite Lösung erfüllt leider den Kundenwunsch nach einer lückenlosen mechanischen Kette zwischen Schaltglied und Schaltstellungsanzeige nicht. Überdies erhält der Bediener im Fehlerfall, etwa bei Ausfall des Sekundärstromsystems, keine Informationen mehr über den Schaltzustand, das heisst die Schaltstellung der beweglichen Schaltglieder der Schalter relativ zu den Schaltpolen. Dies wird vom Betreiber einer Schaltanlage typischerweise nicht toleriert, da die Anzeige der Schaltstellung von elektrischen Geräten ein sicherheitsrelevantes Kriterium darstellt.
  • Eine Möglichkeit zur Verbesserung der Situation liegt darin, dass das Schaltglied von einem vom tatsächlichen Schalter entfernten Ort über eine flexible Welle bewegt wird.
  • Aus der US5466902-A ist eine Schaltvorrichtung bekannt, bei welcher ein bewegliches Schaltglied eines Schaltgerätes über eine flexible Welle mit einem Schalthebel fest verbunden ist, so dass sich das Schaltglied von einem örtlich vom Schaltgerät entfernten Bedienbereich aus per Schalthebel bedienen lässt. Der Schalthebel ist mit einem drehbaren Eingangsabschnitt der flexiblen Welle und das Schaltglied mit abtriebsseitig mit dem einen drehbaren Ausgangsabschnitt fest verbunden, so dass das bewegliche Schaltglied von einer ersten Position in eine zweite Position überführbar ist.
  • Ein Vorteil einer flexiblen Welle liegt darin, dass sie eine konstruktiv einfache Überwindung von Mass- und Lagetoleranzen zwischen Eingangsabschnitt und Ausgangsabschnitt erlaubt, sowie Dank der unterschiedliche Orientierbarkeit beziehungswiese Ausrichtbarkeit von Eingangsabschnitt und Ausgangsabschnitt zu einer grossen Designfreiheit beiträgt.
  • Ein Nachteil der flexiblen Welle zeigt sich allerdings beispielsweise beim Verlassen der ersten Position des Schaltgliedes, dann wenn ein grösserer Krafteinsatz am Schalthebel erforderlich ist, als wenn das Schaltglied lediglich zwischen der ersten und dem zweiten Position bewegt wird. Dieser höhere Krafteinsatz resultiert aus einer Haftwirkung von Kontaktelementen, welche bevorzugt am beweglichen Teil des Nominalkontaktüberganges angeordnet sind. Mit zunehmendem Krafteinsatz wird ein Drehwinkelversatz, erzeugbar durch einen ersten Drehwinkel der flexiblen Welle am Ausgangsabschnitt und einem zweiten Drehwinkel am Eingangsabschnitt zum selben Zeitpunkt grösser. Wenn nun Drehmoment in den Schalthebel eingeleitet wird, kann es je nach Torsionsfestigkeit der flexiblen Welle vorkommen, dass beim Verlassen der ersten Position des Schaltglieds der Schalthebel bereits in einer Stellung ist, welche einer Schaltstellung des Schaltgliedes zwischen der ersten und der zweiten Position entspricht, während sich das Schaltglied elektrisch gesehen immer noch in der ersten Position befindet. Da der Betreiber eines Schaltgerätes schon aus Sicherheitsgründen stets wissen muss, ob sich ein Schaltglied noch in einer gewissen elektrischen Position befindet, oder nicht, wäre ein derartiger Zustand ungünstig, wenn nicht gar unhaltbar.
  • Je nach Ausführungsform des Schaltgerätes liegt das erforderliche Antriebsdrehmoment für die beweglichen Schaltglieder solcher Schaltgeräte beispielsweise bei etwa 10 Nm. Je nach Ausführungsform der flexiblen Welle kann ein Drehwinkelversatz zwischen dem Eingangsabschnitt und dem Ausgangsabschnitt beim Einleiten eines Drehmoments von wenigen Newtonmetern am Eingangsabschnitt rasch einmal grösser als 30° (Grad) sein, beispielsweise 60° oder noch mehr bei einer Länge der flexiblen Welle von zirka 2 Metern. Mit zunehmender Länge der flexiblen Welle nimmt der Drehwinkelversatz zu. Damit einher geht die Unsicherheit, ob sich das Schaltglied nun schon im gewünschten Schaltzustand befindet, oder ob es sich noch in der einer Schaltposition beim vorangegangenen Schaltzustand befindet. Diese Ungewissheit ist technisch und sicherheitsmässig nicht tragbar.
    • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Schaltgerät vorzulegen, welches einem Bediener zuverlässiger anzeigt, ob sich das über eine flexible Welle angetriebene Schaltglied beispielsweise beim Verlassen der ersten Position elektrisch noch im ersten Schaltzustand befindet, oder ob es die erste Position bereits verlassen hat und damit ein anderer Schaltzustand herrscht.
  • Unter dem Begriff Schaltgerät werden im Folgenden nicht Leistungsschalter wie etwa gasisolierte Leistungsschalter, Generatorschalter und dergleichen verstanden, sondern Schalter, welche eine verhältnismässig geringe Antriebsleistung erfordern.
  • In einer Basisausführung des Schaltgeräts weist dieses ein von einer ersten Position in eine zweite Position bewegbares Schaltglied auf. Das Schaltgerät umfasst zudem eine Antriebseinheit zur Erzeugung einer Drehbewegung sowie eine flexible Welle zur Übertragung der Drehbewegung zum Schaltglied. Die flexible Welle weist eine erste Länge auf und ist drehbeweglich gelagert. Antriebsseitig weist die flexible Welle einen drehbaren Eingangsabschnitt und abtriebsseitig einen drehbaren Ausgangsabschnitt auf, wobei der Eingangsabschnitt mit der die Antriebskraft erzeugenden Antriebseinheit verbunden ist. Während dem Bewegen der flexiblen Welle wenn sich das Schaltglied zwischen der ersten Position und der zur ersten Position unterschiedlichen zweiten Position befindet, ist ein erster Drehwinkel am Ausgangsabschnitt erzeugbar, welcher erste Drehwinkel kleiner als ein zweiter Drehwinkel am Eingangsabschnitt zum selben Zeitpunkt ist. Der Unterschied dieser zwei Drehwinkel begründet einen ersten Drehwinkelversatz. Beim Bewegen der flexiblen Welle, dann wenn das Schaltglied die erste Position erreicht, ist ein dritter Drehwinkel am Ausgangsabschnitt erzeugbar. Dieser dritte Drehwinkel ist kleiner als der zweite Drehwinkel am Eingangsabschnitt zum selben Zeitpunkt, so dass ein zweiter Drehwinkelversatz erzeugbar ist, welcher grösser als der erste Drehwinkelversatz ist. Der Eingangsabschnitt ist über ein mechanisches erstes Zwischengetriebe mit einem (vorzugsweise ebenfalls mechanischen) Schaltstellungsdetektionselement verbunden ist. Das erste Zwischengetriebe weist ein Steuermittel mit einem der ersten Position des Schaltglieds entsprechenden, beziehungsweise zugeordneten ersten Bereich auf. Dieser erste Bereich ist derart mit dem Schaltstellungsdetektionselement gekoppelt, dass der erste Drehwinkelversatz und der zweite Drehwinkelversatz zu einer identischen Anzeige des Schaltstellungsdetektionselements führen. Dabei entspricht eine identische Anzeige des Schaltstellungsdetektionselements einem Schaltzustand, beispielsweise "Trenner geschlossen" oder "Trenner ganz offen".
  • Eine identische Anzeige ist sowohl beim rein mechanischen Ablesen, als auch bei einem elektrischen Ablesen oder Auslesen des Schaltzustandes wichtig, denn die Information über den Schaltzustand eines Schaltgerätes dient oft als Input für eine Schaltlogik, welche beispielsweise verhindert, dass ein weiteres Schaltgerät einen bestimmten Schaltvorgang überhaupt durchführen kann. Mit anderen Worten ausgedrückt, ist die Kenntnis über den Schaltzustand eines Schaltgerätes nicht nur wichtig für einen störungsfreien Betrieb einer Schaltanlage, sondern auch, wenn beispielsweise zu Inspektions- oder Wartungszwecken bestimmte Schaltanlagenteile sicher und absolut zuverlässig stromfrei geschaltet werden können. Unter dem Begriff "erste Position" oder "zweite Position" wird nachfolgend eine mechanische Lage beziehungsweise ein geometrischer Ort verstanden, in welche das bewegliche Schaltglied verbringbar ist.
  • Unter dem Begriff "Schaltstellung" wird nachfolgend lediglich die elektrische Schaltstellung, sprich der elektrische Schaltzustand, verstanden. In einer Basisausführung des Schaltgeräts als Trenner weist diese zwei definierte Schaltzustände auf, nämlich "Trenner geschlossen" oder "Trenner ganz offen", wobei die Lage des Schaltglieds relativ zu den Schaltpolen folgendermassen sein kann:
    • Ganz offen (in Endlage)
    • Ganz geschlossen (in weiterer Endlage)
    • Irgendwo zwischen diesen zwei Endlagen
  • Ein derartiges Schaltgerät kann beispielsweise als Trenner (disconnector) oder Erdschalter (earthing switch) eingesetzt werden.
  • Wenn das Schaltgerät nicht eine Basisausführung ist, sondern mehrere elektrische Schaltstellungen umfasst, wie beispielsweise bei einem kombinierten Trenn-/Erdschalter, so sind folgende Schaltzustände möglich:
    • Ganz offen (in erster Endlage)
    • In vordefinierter Mittelstellung
    • Ganz geschlossen (in zweiter Endlage)
    • Irgendwo zwischen der ersten Endlage und der Mittelstellung
    • Irgendwo zwischen der zweiten Endlage und der Mittelstellung
  • All diesen Ausführungsformen von Schaltgeräten ist gemein, dass das Schaltglied innerhalb gewisser Grenzen bewegbar ist, ohne dass sich die elektrische Schaltstellung, sprich der elektrische Schaltzustand, und entsprechend die Anzeige ändert. Anders ausgedrückt, befindet sich ein Schaltgerät elektrisch in der Geschlossen-Stellung, sobald das bewegliche Schaltglied auf einen Gegenkontakt, beispielsweise einen Festkontakt auftrifft. Die tatsächliche Position des Schaltglieds entspricht dabei jedoch noch Endposition des Schaltglieds in dieser Schaltstellung, denn diese wird erst nach einem Weiterbewegen des Schaltglieds in derselben Richtung zu einem späteren Zeitpunkt erreicht. Im dazwischen liegenden Zeitraum presst ein beispielsweise als linear bewegbarer Stiftkontakt ausgebildetes Schaltglied die Kontaktelemente zwischen dem Stiftkontakt und dem Gegenkontakt zusammen. Dieses Zusammendrücken erfordert zwar beim Einfahren einen Kraftaufwand zum Überwinden einer von den Kontaktelementen (beispielsweise Lamellenkontakte) erzeugten Gegenkraft, ändert jedoch nichts am elektrischen Schaltzustand.
  • Zusammengefasst hat das bewegliche Schaltglied in demselben elektrischen Schaltzustand tatsächlich mehrere mögliche mechanische Positionen, beispielsweise zwischen der ersten elektrischen Kontaktierung und der Erreichung der ersten vorgesehenen Endposition.
  • Dasselbe gilt entsprechend beim Herausziehen des Stiftkontakts aus dem rohrförmigen Gegenkontakt, wobei die Kontaktelemente eine "Haftwirkung" auf den Stiftkontakt ausüben.
  • Dank dem ersten Zwischengetriebe ist es möglich, den Effekt des Drehwinkelversatzes, sowie Abweichungen von unterschiedlichen Drehwinkelversätzen, wie sie beispielsweise als Folge von flexiblen Wellen desselben Typs aber unterschiedlicher Länge auftreten, sowie produktionsbedingter Toleranzen der Hilfskontakte aufzunehmen, so dass er nicht zu abweichenden elektrischen Schaltanzeigpositionsdarstellungen und damit einer inkorrekten Anzeige des tatsächlichen elektrischen Schaltzustandes führt.
  • Das mechanische erste Zwischengetriebe erfüllt das Erfordernis, dass die Antriebseinheit und das Schaltgerät keinerlei elektronischen Bauteile beinhaltet, wie sie bei Regelungen sonst üblicherweise eingesetzt sind. Stattdessen ist das erste Zwischengetriebe im Allgemeinen und dessen Steuermittel im Besonderen so konfiguriert, das die mechanisch "weiche", sprich durch die als Torsionsfeder wirkende flexible Welle weitestgehend ein Abbild des tatsächlichen Schaltzustandes auf der abtriebsseitigen Seite der flexiblen Welle beim Schaltglied nachformt, ohne dass dabei irgendeine Nachregelung zum Ausgleichen des Drehmomentversatzes der flexiblen Welle erforderlich ist.
  • Des Weiteren erfüllt das mechanische erste Zwischengetriebe die Anforderungen gemäss der IEC 62271-102:2003, indem stets eine mechanische Verbindung zwischen Schaltglied und dem Schaltstellungsdetektionselements vorhanden ist. Je nach Bedarf kann das Schaltstellungsdetektionselements ein- oder mehrteilig sein und zur Ansteuerung eines oder mehrerer Hilfskontakte dienen. In diesem Fall ist eine lückenlose elektromechanische, kinematische Kette zwischen Schaltglied und Hilfskontakt erzielbar. In diesem Fall ist die Anzeige bei Bedarf über Hilfskontakte elektrisch auslesbar beziehungswiese ermittelbar, wenn das Schaltstellungsdetektionselement seinerseits direkt oder über ein weiteres Hilfsgetriebe einen oder mehrere Hilfskontakte ansteuert.
  • Je nach Ausführungsform des Schaltgerätes ist das bewegliche Schaltglied beispielsweise ein drehbares Kontaktstück oder ein Schubkontaktstück, auch Schaltstift genannt.
  • In einer weiterentwickelten Ausführungsform ist das Schaltgerät, dadurch gekennzeichnet, dass sein Steuermittel überdies einen der zweiten Position des Schaltglieds entsprechenden zweiten Bereich aufweist. Dieser zweite Bereich ist dabei derart mit dem Schaltstellungsdetektionselement gekoppelt, dass der erste Drehwinkelversatz und der zweite Drehwinkelversatz zwar zu einer weiteren Anzeige einer anderen Schaltstellung führt, aber in jener zweiten Schaltstellung dennoch zu einer jeweils identischen Anzeige des Schaltstellungsdetektionselements für den zweiten Schaltzustand führt.
  • Analog gilt dies entsprechend auch für Schaltgeräte, welche mehr als zwei Schaltzustände haben, etwa kombinierte Trenner/Erdschalter mit drei definierten Schaltzuständen.
  • Je grösser der erste und/oder der zweite Bereich des Steuermittels sind, desto grösser können die Toleranzen des Schaltstellungsdetektionselements und/oder allfälliger damit verbundener Elemente, wie etwa Hilfsschalter oder Hilfskontakte, sein.
  • Besonders dann, wenn das Schaltgerät Bestandteil einer grösseren und dadurch dimensionsmässig unübersichtlichen Schaltanlage ist, oder wenn das Schaltgerät von einer örtlich weit vom Schaltgerät entfernt angeordneten Steuereinheit aus bedienbar sein soll, empfiehlt sich eine Ausführungsform einer Antriebseinheit, welche einen Elektromotor umfasst. Dieser Elektromotor überträgt die zum Schalten des Schaltgliedes erforderliche Torsion auf den Eingangsabschnitt der flexiblen Welle, beispielsweise über ein Nebengetriebe. Falls erforderlich, etwa aufgrund von Sicherheitsbestimmungen in einem Notbetrieb, ist die Antriebseinheit zusätzlich beziehungsweise alternativ auch von Hand bedienbar. Dazu kann der Eingangsabschnitt der flexiblen Welle selber, oder eine Achse eines mechanisch mit ihr verbundenes Nebengetriebe eine Steckkupplung zur Aufnahme einer Handkurbel aufweisen.
  • Wie vorher schon erwähnt, kann es erforderlich sein, dass die Anzeige des Schaltstellungsdetektionselements am Hilfskontakt in Form eines elektrischen Signal abgreifbar ist, etwa um es einer Schaltlogik oder Schaltanlagensteuerung zuzuführen. Dazu ist das Schaltstellungsdetektionselement beispielsweise mit mindestens einem Hilfskontakt derart verbunden ist, dass eine der ersten Position des Schaltgliedes entsprechende Anzeige des Schaltstellungsdetektionselements, also dem Schaltzustand, am Hilfskontakt als elektrisches Signal abgreifbar ist.
  • Dasselbe gilt entsprechend, wenn ein zweiter Schaltkontakt oder mehrere Schaltzustände elektrisch ablesbar sein sollen, etwa bei einem kombinierten Trenner-/Erder.
  • Je nach Anforderungen kann der mindestens eine Hilfskontakt ein um eine Achse drehbares Kontaktelement aufweisen. In einer Basisausführung einer elektromechanischen Erfassung des Schaltzustandes ist diese Achse durch das Schaltstellungsdetektionselement selber gebildet. Bei Bedarf ist ein weiteres (lineares) Zwischengetriebe zwischen Schaltstellungsdetektionselement der das Kontaktelement tragenden Achse möglich.
  • Besonders dann, wenn die Hilfskontakte beispielsweise aufgrund deren Konstruktion eine nicht-lineare, also unstetige, ruckartige Ansteuerung erfordern, empfiehlt sich ein Schaltgerät bei welchem das erste Zwischengetriebe ein nicht-lineares Getriebe ist, mit welchem das Schaltstellungsdetektionselement nicht-linear zum zweiten Drehwinkel des Eingangsabschnitts ansteuerbar ist. Ein nicht-lineares Schalten der Hilfskontakte kann erforderlich sein, weil es zu einer genügend hohen Schaltgeschwindigkeit an den elektrischen Kontakten der Hilfskontakte führt, so dass selbst bei Unterspannungen (langsamstmögliche Ansteuerung der Hilfskontakte) und bei Überspannung (schnellstmögliche Ansteuerung der Hilfskontakte) eine zuverlässige Schaltung der Hilfskontakte sichergestellt ist. Ein weiterer Vorteil der Verwendung eines nicht-linearen Getriebes liegt darin, dass das ruckartige Schalten der Hilfskontakte beim Erreichen einer Sollposition verhindert, dass die Kontaktzungen der Hilfskontakte am Gegenkontakt haften bleiben "festkleben", beispielsweise durch eine Schweisswirkung. Je nach Ausführungsform der Hilfskontakte, weisen diese einen drehbares Kontaktelement und einen stationären Kontaktbereich auf. Der Kontaktbereich wird in Umfangsrichtung vom drehbaren Kontaktelement überstrichen. Die Länge des Kontaktbereichs wird bei der Montage des Hilfskontaktes konfektioniert und kann daher mitunter grösseren Abweichungen vom Idealmass und/oder der Idealform unterworfen sein. Durch eine entsprechende Gestaltung des Bereichs des Steuermittels sind die Auswirkungen solcher Toleranzen jedoch weitestgehend kompensierbar.
  • Als Beispiel einer sehr zuverlässigen, wartungsarmen Ansteuerung des Stellmittels mit einem ersten Bereich, einem zweiten Bereich und allfällige weiteren Bereichen mit dem Schaltstellungsdetektionselement sei an dieser Stelle eine Kulissensteuerung genannt. In einer Basisausführung der Kulissensteuerung ist dabei ein Schaltzapfen in einer Langlochnut geführt, oder die Langlochnut führt einen Schaltzapfen. Anders ausgedrückt umfasst das Steuermittel eine Kulissensteuerung. Je nach Ausführungsform des Steuermittels kann dieses selber wieder eine Kulissensteuerung sein, beispielsweise, um eine Linearbewegung wieder in eine Drehbewegung umzuwandeln. Im Normalfall sind Kulissensteuerungen aufgrund ihrer Einfachheit preiswert und ökonomisch herstellbar. Falls erforderlich kann anstelle der Kulisse oder in Kombination dazu auch ein Hebelmechanismus eingesetzt werden. Des Weiteren ist das Steuermittel oder wenigsten ein Bereich davon auch drehbar gelagert sein. Überdies kann die Kulissensteuerung auch mehrteilig sein, beispielsweise aus mehreren Teilen zusammengesetzt sein. Auch bei einer solchen Ausführungsform sind bei einem Schaltgerät, dessen Schaltglied zwei definierte Schaltzustände kennt, vor allem die Grösse und Form der Endlagen der Kulissensteuerung entscheidend.
  • Um den Antriebsmechanismus mit der Antriebseinheit des Schaltgerätes zum Antrieben von flexiblen Wellen unterschiedlicher Länge nutzen zu können, ohne dass Einstellarbeiten erforderlich werden, kann das Steuermittel derart ausgelegt sein, dass selbst bei einer Verwendung einer flexiblen Welle mit einer zur ersten Länge unterschiedlichen zweiten Länge und damit einem grössenmässig anderen ersten Drehwinkelversatz und einem grössenmässig anderen zweiten Drehwinkelversatz wiederum zu einer identischen Anzeige des Schaltstellungsdetektionselements und damit des vordefinierbaren Schaltzustandes führen. Als Vertreter einer Vielzahl von Möglichkeiten einer solchen Toleranz gegen geänderte Drehwinkelversätze wird an dieser Stelle eine Kulissensteuerung genannt, deren Langlochnut in einem einem Schaltzustand entsprechenden Abschnitt so lang und/oder eine derartige Form hat, dass ein gewisser Drehwinkelversatzbereich damit abdeckbar ist, ohne dass sich die Anzeige des Schaltstellungsdetektionselements ändert. Vereinfacht ausgedrückt bildet der den Drehwinkelversatzbereich bildenden Kulissenabschnitt in diesem Fall steuertechnisch einen Überlauf.
  • Falls das erste Zwischengetriebe eine von der Antriebseinheit erzeugbaren Drehbewegung am Eingangsabschnitt in eine Linearbewegung umwandeln soll, kann das erste Zwischengetriebe mindestens eine Spindel-Mitnehmermutter-Kombination aufweisen.
  • Bei Bedarf ist beim Erreichen der ersten Position oder der zweiten Position des Schaltglieds über die Mitnehmermutter der Spindel- Mitnehmermutter-Kombination mindestens ein (elektrischer) Endschalter betätigbar, vorzugsweise ein Endschalter, mit welchem das Erreichen einer vordefinierbaren Lage oder Position elektrisch auslesbar beziehungsweise erfassbar und weiterleitbar ist. Je nach Ausführungsform kann der Endschalter durch einen weiteren Hilfskontakt gebildet sein.
  • Es ist auch denkbar, dass der Endschalter an einer in Abhängigkeit von einem Drehwinkelversatzcharakteristik, insbesondere einer Gesamtlänge, der flexiblen Welle ausgewählten Montageposition relativ zur Mitnehmermutter der Spindel- Mitnehmermutter-Kombination angeordnet ist. Diese Montageposition kann beispielsweise anhand einer Tabelle von entsprechenden getesteter, unterschiedlicher Längen der flexiblen Wellen desselben Typs oder sogar unterschiedlicher Typen, etwa von anderen Herstellern, entnommen werden.
  • Eine typische flexible Welle ist zur Übertragung von einer Drehbewegung in einer Drehrichtung ausgelegt. Wird sie dennoch in Gegenrichtung betrieben, so ist das Torsionsfederverhalten und somit der Drehwinkelversatz oft derart anders, dass sie sich nicht für einen Einsatz in einem Schaltgerät eignen. Nicht so im Fall des erfindungsgemässen Schaltgerätes, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass die flexible Welle mindestens zwei Litzenlagen mit einer unterschiedlicher Wickelrichtung aufweist, welche Litzenlagen derart beschaffen sind, dass bei identischem zweiten Drehwinkel der erste Drehwinkelversatz oder der zweite Drehwinkelversatz bei einem Betrieb der flexiblen Welle im Uhrzeigersinn weniger als 20 % vom ersten Drehwinkelversatz beziehungsweise dem zweiten Drehwinkelversatz bei einem Betrieb der flexiblen Welle im Gegenuhrzeigersinn abweicht. Dies ist beispielsweise durch ein entsprechend gewähltes Rechts/Links-Verhältnis der Litzen, einer unterschiedlichen Materialwahl, einer unterschiedlichen Anzahl Litzen pro Litzenlage, unterschiedlich grossen Litzendurchmessern pro Litzenlage oder eine Kombination dieser Möglichkeiten erreichbar. Des Weiteren ist es je nachdem vorteilhaft, wenn die flexible Welle von einer gepanzerten Umhüllung geschützt ist und dennoch einen geringen Mindestbiegeradius ermöglicht. Letzterer beeinflusst die Verlegbarkeit der flexiblen Welle beträchtlich.
  • Weiter kann es vorteilhaft sein, wenn die Antriebseinheit nicht dauerhaft fest mit dem Schaltglied verbunden ist, sondern lösbar mit dem Schaltglied gekuppelt. Ein Vorteil der Kuppelbarkeit tritt etwa dann zutage, wenn der Antriebsmechanismus auf der einen Seite der flexiblen Welle erst am Ort der Inbetriebsetzung des Schaltgerätes auf das ihm zugeordnete Schaltglied trifft. In einem solchen Fall kennzeichnet sich das Schaltgerät dadurch, dass der Eingangsabschnitt und/oder der Ausgangsabschnitt der flexiblen Welle eine lösbare weitere Kupplung aufweisen. Zahnwellenkupplungen eignen sich dazu besonders, denn sie erlauben ein recht präzises Zusammenfügen und Kuppeln der flexiblen Welle mit dem Schaltglied und der Antriebseinheit, besonders wenn sich diese in vorbestimmten Grundeinstellungen befinden. Je kleiner der Winkel von Zahn zu Zahn ist, desto präziser ist die flexible Welle relativ zum antriebsseitigen Ende des Eingangsabschnitts positionierbar und desto präziser ist eine Kupplung mit dem sich in einer vordefinierbaren Ausgangsstellung des Schaltglieds am abtriebsseitigen Ende des Ausgangsabschnitts durchführbar. In der Folge ist die flexible Welle auch als ein Einstellelement einsetzbar.
  • Wie dem auch sei, es sind alternativ auch andere Kupplungstypen wie beispielsweise eine Polygonwellenkupplung eine Wellenkeilverbindung oder gar ein Flansch einsetzbar. Wichtig ist, dass das von der Antriebseinheit auf den Eingangsabschnitt der flexiblen Welle eingeleitete Drehmoment in Umfangsrichtung relativ zu einer neutralen Achse der flexiblen Welle möglichst spielfrei übertragbar ist.
  • Flexible Wellen haben die Eigenschaft, deren Drehwinkelversatz mit zunehmender Drehmomentbelastung steigt. Diese Eigenschaft ist insbesondere bei der Verwendung von Elektromotoren als Antriebseinheit nachteilig. Zudem haben Elektromotoren den Nachteil, dass im Vergleich zur am Schaltglied erforderlichen Drehzahl eine zu grosse Nenndrehzahl aufweisen, um die Nennleistung erbringen zu können. Daher ist es besonders bei der Verwendung eines Elektromotors als Antriebseinheit zum Bewegen des Schaltglieds ein Schaltgerät vorzusehen, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass am Ausgangsabschnitt der flexiblen Welle ein mechanisches zweites Zwischengetriebe angeordnet ist. Dabei ist das zweite Zwischengetriebe eine Untersetzung und weist eine Eingangsanschluss und eine Ausgangsanschluss aufweist, wobei mit dem zweiten Zwischengetriebe eine Drehzahl des Ausgangsanschlusses gegenüber einer Drehzahl des Eingangsanschlusses reduzierbar ist. Dieses zweite Zwischengetriebe erlaubt es, dass die Drehzahl der flexiblen Welle möglichst hoch gehalten werden kann, wodurch die Welle nur verhältnismässig wenig Drehmoment übertragen muss - was einen kleineren Drehwinkelversatz hervorruft, als wenn bei derselben Leistungsübertragung aber einer geringen Drehzahl ein vergleichsweise höheres Drehmoment übertragen werden soll. Das zweite Zwischengetriebe transformiert daraus wieder eine kleine Drehzahl bei grossem Drehmoment, so wie dies am Schaltglied in der Regel erforderlich ist. In der Folge lässt sich auf diese Weise ein sehr kompakter Antriebsstrang realisieren. Bei Bedarf ist das zweite Zwischengetriebe ein Winkelgetriebe.
  • Wenn eine optische Schaltstellungsanzeige IEC-Vorschriftskonform direkt mechanisch mit dem Schaltglied verbunden sein soll, ist das Schaltgerät beispielsweise dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebsstrang eine optische Schaltstellungsanzeige aufweist, welche verdrehsicher mit dem ersten Zwischengetriebe verbunden ist.
  • Im Hinblick auf die Errichtung und den Betrieb von Schaltanlagen sind vorteilhafte Lösungen mit gasisolierte Schaltgeräten erzielbar, bei welchen das Schaltglied durch ein Isoliergas von einem metallgekapselten Gehäuse des eigentlichen Schalters elektrisch isoliert angeordnet ist. Dies ist besonders vorteilhaft für gasisolierte Schaltanlagen, deren Schaltglieder räumlich oft mehrere Meter an mitunter schwer zugänglichen Orten in einem Schaltfeld angeordnet sind. Die räumliche Trennung des Schaltglieds und der Antriebseinheit erlaubt beispielsweise zudem eine Anordnung der Antriebseinheit im Steuerschrank der Schaltanlage, während der eigentliche Schalter irgendwo in der Schaltanlage selber angeordnet ist. In der Folge ist es mit der vorliegenden Erfindung auch möglich, die lückenlose mechanische Kette, auch kinematische Kette genannt, optisch für auf einfachste Art abzubilden, beispielsweise indem ein Schauglas des hinter einer Abdeckung des Steuerschrankes angeordneter Antriebs die Abdeckung lokal durchbricht und so einem Bediener den direkten visuellen Zugang zur Schaltstellungsanzeige ermöglicht.
  • Ein weiterer Vorteil der flexiblen Welle liegt darin, dass sie selbst bei versetzten und/oder um die Achsen des orthogonalen Ausrichtungssystems rotierten Ausrichtungen des Schaltgerätes -sprich im dreidimensionalen Raum -einen verhältnismässig einfach realisierbaren, zuverlässigen mechanischen Anschluss an das bewegliche Schaltglied ermöglicht. Eine zuverlässige und für den Bediener leicht zugängliche Einsicht der Schaltstellungsanzeige an einer ergonomisch bevorzugten Lage ist mit dem erfindungsgemässen Schaltgerät selbst dann realisierbar, wenn der das Schaltglied enthaltende Schalter selber vom Bediener abgewandt in einer nur schwer zugänglichen Position in der Schaltanlage eingebaut ist. Eine weitestgehend freie Anordnung des Schaltgerätes im dreidimensionalen Raum einer Schaltanlage trägt erheblich zur flexiblen Einsetzbarkeit von mit biegsamen Wellen angeordneten Schaltgeräten bei.
  • Ferner verleiht die biegsame Welle der Einsetzbarkeit des Schaltgerätes und dessen Antriebes einen sehr grossen Freiheitsgrad. So sind zum Beispiel Form und/oder Lage und/oder Massabweichungen zwischen Antriebseinheit und Schaltglied/Schalter durch die flexible, biegsame Welle unkompliziert ausgleichbar. Anders ausgedrückt, ermöglicht die flexible Welle beispielsweise zwischen dem Steuerschrank und einer Schaltanlage mit einem solchen Schaltgerät eine weitestgehend freie Verlegungsweise.
  • Hinsichtlich der Schaltanlage wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass sie mindestens ein erfindungsgemässes Schaltgerät aufweist. Die im Zusammenhang mit dem Schaltgerät genannten Vorteile gelten dementsprechend auch für solche Schaltanlage.
  • Obwohl die oben genannte Erfindung nachfolgend hauptsächlich am Beispiel einer gasisolierten Schaltanlage (GIS), insbesondere einer Hochspannungsschaltanlage beziehungsweise einem Schaltgerät davon erklärt werden, ist die Erfindung prinzipiell auch für Schaltgeräte im Zusammenhang mit einem Dead Tank Breaker (DTB), einem Live Tank Breaker (LTB) und luftisolierten Schaltanlagen (AIS) entsprechend einsetzbar ist.
    • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
  • In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung rein schematisch dargestellt. Dabei zeigt:
    • Fig. 1
    eine Seitenansicht einer gasisolierten Schaltanlage mit einem Schalter im Teilschnitt, sowie eine Darstellung eines ersten Drehwinkels und eines zweiten Drehwinkels bei einer Schaltstellung des Schaltgliedes zwischen den Endpositionen;
    Fig. 2
    der schematische Aufbau einer Ausführungsform des Schaltgerätes;
    Fig. 3
    ein Steuermittel für zwei eindeutig zu erfassende elektrische Schaltstellungen;
    Fig. 4
    eine Darstellung eines ersten Drehwinkels und eines zweiten Drehwinkels zum jeweils selben Zeitpunkt bei demselben Schaltzustand aber unterschiedlichen örtlichen Positionen des beweglichen Schaltglieds relativ zu einem ortsfesten Gegenkontakt;
    Fig. 5
    eine Darstellung der Drehwinkelversätze und der tatsächlichen mechanischen Position des Schaltzapfens in der Kulisse gemäss Figur 3;
    Fig. 6
    ein Darstellung der sich je nach der tatsächlichen mechanischen Position des Schaltzapfens in der Kulisse gemäss Figur 3 ändernden Schaltzustands;
    Fig. 7
    ein Drehmoment-Zeit-Diagramm, welches eine Drehmomenteinleitung in den antriebsseitigen Eingangsabschnitt der flexiblen Welle von einer ersten Schaltstellung (Schalter komplett offen) in eine zweite Schaltstellung (Schalter komplett geschlossen) wiedergibt;
    Fig. 8
    ein Drehmoment-Zeit-Diagramm, welches eine Drehmomenteinleitung in den schaltgliedseitigen Ausgangsabschnitt der flexiblen Welle zu den in Figur 6 entsprechenden Zeitpunkten wiedergibt;
    Fig. 9
    ein Drehzahl-Zeit-Diagramm, welches eine Drehzahl des antriebsseitigen Eingangsabschnitts der flexiblen Welle zu den in Figur 6 entsprechenden Zeitpunkten wiedergibt; und
    Fig. 10
    ein Steuermittel für drei eindeutig zu erfassende elektrische Schaltstellungen.
    Wege zur Ausführung der Erfindung
  • Aus der Figur 1 wird ersichtlich, dass es dank einer flexiblen Welle 1 und eines ihr zugeordneten Antriebs 2 möglich ist, ein Schaltglied 3 eines Schaltgeräts 4 in einem örtlich vom tatsächlichen Antrieb 2 des Schaltglieds 3 entfernten Ort anzuordnen und dennoch einen sicheren Betrieb einer Schaltanlage 5 gewährleisten zu können. Die Figur 5 zeigt eine Seitenansicht einer gasisolierten Schaltanlage mit in Teilschnitt stilisiert dargestelltem Schaltgerät 4, wobei nur eine elektrische Phase illustriert ist.
  • Die flexible Welle 1 umfasst einen drehbeweglich gelagerten Teil, sowie einen im Betrieb der flexiblen Welle statischen Teil, welcher durch eine gepanzerte Umhüllung gebildet ist.
  • Der Antrieb 2 ist in einem Antriebsschrank 6 angeordnet. Der Antriebsschrank 6 grenzt unmittelbar an einen Bediengang 7 an, so dass ein Bediener 8 der Schaltanlage einen optimalen Zugang und eine optimale optische Einsicht auf den Antrieb 2 hat. Das Schaltgerät weist ein von einer ersten vordefinierbaren Position in eine zweite vordefinierbare Position bewegbares Schaltglied auf. In diesem Fall ist das Schaltgerät 4 ein Trenner (disconnector), mit welchem ein erster Nominalleiter 9 einer elektrischen Phase (R, S oder T) mit einem zweiten Nominalleiter 10 korrespondierender elektrischer Phase elektrisch zueinander verbindbar oder trennbar sind. Die schaltgliedseitigen Enden dieser Nominalleiter bilden die Schaltpole. Pro elektrische Phase wird typischerweise mindestens ein Trenner oder Schaltgerät dieser Art eingesetzt.
  • Wie aus Figur 2 hervorgeht, weist das Schaltgerät 4 selber einen Antrieb 2 mit einer Antriebseinheit 13 zur Erzeugung einer Drehbewegung der flexiblen Welle 1 und zwecks Übertragung der Drehbewegung zum Schaltglied 3 auf. Die Antriebseinheit 13 umfasst einen Elektromotor, welcher über ein erstes Nebengetriebe 14 mit einem drehbaren Eingangsabschnitt 16 der flexiblen Welle 1 verbunden ist. Der Eingangsabschnitt 16 umfasst seinerseits eine Spindel 17. Diese Spindel 17 ist mit einer Mitnehmermutter 18 beweglich verbunden, so dass eine Umdrehung der Spindel eine Linearbewegung mit einer Länge entsprechend der Steigung der Gewindespindel 17 verursacht. Die Mitnehmermutter 18 weist einen Schaltnocken 19 zum Zusammenwirken mit Endschaltern 20 auf. Die Mitnehmermutter 18 weist zudem einen Schaltzapfen 22 auf, welcher in eine Langlochnut eines Steuermittels 23 in Form einer in Querrichtung zum Schaltzapfen 22 beweglich gelagerten Kulisse 23 eingreift. Diese Kulisse 23 ist steuert ihrerseits ein Schaltstellungsdetektionselement 24 mechanisch an, so dass die Antriebseinheit 13 und das Schaltglied 3 letztlich über eine kinematische Kette aus ausschliesslich mechanischen Bauteilen zusammengesetzt und mit dem Schaltstellungsdetektionselement 24 verbunden ist. Die Kulisse 23 ist in Fig.2 zugunsten der Verständlichkeit in einer gegenüber dem Schaltzapfen 22 um 90° gedrehten Position gezeigt.
  • Abtriebsseitig, also auf der Seite des Schaltglieds 3, weist die flexible Welle 1 einen drehbaren Ausgangsabschnitt 25 auf. Beim Bewegen der flexible Welle 1 bei einer mechanischen Position des Schaltgliedes zwischen einer ersten Position 34 und der unterschiedlichen zweiten Position 33 ist an der flexiblen Welle zum Zeitpunkt t2, t3 (bis kurz vor t4) ein erster Drehwinkel 28 am Ausgangsabschnitt erzeugbar, welcher kleiner als ein zweiter Drehwinkel 29 am Eingangsabschnitt 16 zum selben Zeitpunkt (t2, t3) ist, so dass ein erster Drehwinkelversatz 30 resultiert (siehe dazu die Figuren 3 bis 5 in Zusammenschau mit Figur 2).
  • Weiter ist beim Bewegen der flexible Welle 1 beim Erreichen der ersten Position 34 zum Zeitpunkt t5 ein dritter Drehwinkel 31 am Ausgangsabschnitt 25 erzeugbar, welcher kleiner als der zweite Drehwinkel 29 am Eingangsabschnitt zum selben Zeitpunkt ist, so dass ein zweiter Drehwinkelversatz 32 resultiert, welcher grösser als der erster Drehwinkelversatz 30 ist (siehe dazu die Figuren 3 bis 6 in Zusammenschau mit Figur 2).
  • Der Eingangsabschnitt 16 der flexiblen Welle 1 ist über ein mechanisches erstes Zwischengetriebe 37 mit dem Schaltstellungsdetektionselement 24 verbunden, wobei das erste Zwischengetriebe 37 in der in Figur 2 gezeigten Ausführungsform die Gewindespindel 17, die Mitnehmermutter 18, den Schaltnocken 19, die Endschalter 20, den Schaltzapfen 22, sowie die das Steuermittel bildende Kulisse 23 umfasst. Das Steuermittel 23 weist weiter einen der ersten Position des Schaltglieds 3 entsprechenden ersten Bereich 38 auf, welcher derart mit dem Schaltstellungsdetektionselement 24 gekoppelt ist, dass der erste Drehwinkelversatz 30 und der zweite Drehwinkelversatz 32 zu einer identischen Anzeige des Schaltstellungsdetektionselements 24 führen und damit denselben elektrischen Schaltzustand anzeigen. Auf die technische Auswirkung einer solchen Anzeige im Zusammenhang mit dem entsprechenden Schaltzustand wird im Zusammenhang mit den Figuren 3 bis 6 näher eingegangen werden. Bevor auf die restlichen Merkmale des schematischen Aufbaus dieser Ausführungsform des Schaltgerätes näher eingegangen wird, wird zuerst auf die Funktionsweise des erfindungsgemässen Schaltgerätes eingegangen.
  • Die Figur 3 zeigt ein Steuermittel 23 für zwei eindeutig zu erfassende elektrische Schaltstellungen (Schaltzustände). Um die Auswirkung des ersten Zwischengetriebes besser erläutern zu können, wurde der Schaltzapfen zum Zeitpunkt t4 liniert und in den Zeitpunkten t3 und t5 lediglich stilisiert dargestellt. Wie oben erwähnt, verschiebt der Schaltzapfen 22 die Kulisse 23 je nach Schaltzustand seitlich in Richtung des Doppelpfeils 43. Der Schaltzapfen 22 und die Kulisse 23 bilden zusammen eine Kulissensteuerung. Um aus dieser Linearbewegung des Steuermittels 23 eine Drehbewegung für ein um eine stationäre Rotationsachse 44 drehbares Schaltstellungsdetektionselement zu schaffen, ist das Steuermittel 23 über eine weitere Kulissensteuerung 45 mit dem Schaltstellungsdetektionselement 24 verbunden. Von der weiteren Kulissensteuerung 45 ist in der Figur 3 der Übersichtlichkeit wegen nur eine bogenförmige Langlochbahn und ein Ansteuerzapfen dargestellt.
  • Da beim als Trenner ausgeführten Schaltgerät zwei elektrische Schaltzustände zu erfassen sind, weist die Kulisse 23 nebst dem dem ersten Schaltzustand zugeordneten ersten Bereich 38 einen dem zweiten Schaltzustand zugeordneten zweiten Bereich 39 auf. Ein dazwischenliegender Verbindungsbereich 40 verbindet den ersten und den zweiten Bereich 38, 39 und repräsentiert eine elektrische Zwischenstellung zwischen den Schaltpolen, in welcher Zwischenstellung das Schaltglied 3 mechanisch zwischen der ersten Endlage (Trenner ganz geschlossen) und der zweiten Endlage (Trenner ganz offen) befindet.
  • Die Figur 4 zeigt eine Darstellung eines ersten Drehwinkels und eines zweiten Drehwinkels zum jeweils selben Zeitpunkt t3, t4 und t5 bei demselben Schaltzustand im Bereich 38 aber unterschiedlichen örtlichen Positionen des beweglichen Schaltglieds relativ zum ortsfesten Gegenkontakt (siehe Figur 6).
  • Die Figur 5 zeigt eine Darstellung der entstehenden Drehwinkelversätze und der tatsächlichen mechanischen Position des Schaltzapfens in der Kulisse gemäss Figur 3 zu den Zeitpunkten t3, t4 und t5.
  • Die Figur 6 zeigt eine Darstellung der sich je nach der tatsächlichen mechanischen Position des Schaltzapfens in der Kulisse gemäss Figur 3 ändernden Schaltzustands zu den Zeitpunkten t3, t4 und t5. In Zusammenschau mit Figur 3 bis 5 geht hervor, dass zwischen den Zeitpunkten t3 und t4 der Drehwinkelversatz im Wesentlichen konstant ist, da das Schaltglied 3 bis dahin noch auf keinen Widerstand stösst, denn das Schaltglied hat bis zu diesem Zeitpunkt den ihm zugeordneten Gegenkontakt 46 noch nicht erreicht. Elektrisch gesehen, befindet sich das Schaltglied des Schaltgerätes im Übergang von einer Offenstellung in die Geschlossenstellung. Da die Drehrichtung der Gewindespindel hingegen bekannt ist und bekannt ist, dass der durch den zweiten Bereich 39 abgebildete definierte Schaltzustand eindeutig verlassen worden ist, weiss der Benutzer des Schaltgeräts über die Anzeige, dass sich das Schaltglied in einer Zwischenposition zwischen zwei Endpositionen befindet. Beim Zeitpunkt t4 stösst das Schaltglied 3 an Kontaktelemente 47 des Gegenkontaktes 46, welche eine zuverlässige Übertragung der elektrischen Leistung bei einer Schalterstellung im ersten elektrischen Schaltzustand entsprechend dem ersten Bereich 38 sicherstellen. Obwohl das als Stiftkontakt ausgeführte Schaltglied 3 noch nicht vollständig in den Gegenkontakt 46 hineingefahren ist, ist von nun an dennoch bereits ein anderer elektrischer Schaltzustand erreicht, welchen das erste Zwischengetriebe über die Anzeige des Schaltstellungsdetektionselements korrekt wiedergibt. Diese korrekte Wiedergabe wird auch durch eine entsprechende Abstimmung der Schaltzustände und der Stellung des Schaltzapfens 22 in der Kulisse 23 erreicht. Bei Bedarf kann die Flanke der Langlochkurvenbahn 48 zwischen dem Verbindungsbereich 40 und dem ersten Bereich 38 gegen den zweiten Bereich hin verschoben werden, um sicherzustellen, dass der Schaltzustand "geschlossen" durch den vergrösserten ersten Bereich 38 während des Übergangs von der Offenstellung in die Geschlossenstellung zeitlich leicht verfrüht den Schaltzustand "geschlossen", also bevor dieser zeitlich tatsächlich eingetreten ist.
  • Weiter geht aus der Figur 5 in Zusammenschau mit den Figuren 6 bis 8 hervor, dass der Drehmomentversatz 32 beim Überwinden der Kontaktkräfte der Kontaktelemente 47 (z.B. Lamellenkontakte) zum Zeitpunkt t5 am Grössten ist. Dies daher, weil zum Überwinden der Kontaktkräfte der Kontaktelemente 47 der Stiftkontakt 3 mit grösserer Kraft vorwärts getrieben beziehungsweise bewegt werden muss, als zum Zeitpunkt zwischen t2 und t3. Entsprechend ist der Drehmomentbedarf am Ausgangsabschnitt 25 der flexiblen Welle zu diesem Zeitpunkt t5 am Höchsten.
  • Beim Verwenden von flexiblen Wellen unterschiedlicher Länge aber gleichen Typs können verschieden grosse Drehwinkelversätze auftreten, welche aber dennoch nicht zu einer geänderten Anzeige durch das Schaltstellungsdetektionselement führen soll. Als Folge unterschiedlich grosser Drehwinkelversätze treten beim Stiftkontakt gemäss Figur 5 unterschiedlich grosse Wege auf, die es aufzunehmen gilt. Dies kann etwa durch einen Überlaufbereich 49 für den Stiftkontakt geschehen, so dass das Schaltglied im Betrieb des Schaltgeräts mehr oder weniger in den Überlaufbereich 49 seines Gegenkontaktes 46 einführbar ist.
  • Die Figur 7 zeigt ein Drehmoment-Zeit-Diagramm, welches eine Drehmomenteinleitung TE in den antriebsseitigen Eingangsabschnitt der flexiblen Welle von einer ersten Schaltstellung (Schalter komplett offen) in eine zweite Schaltstellung (Schalter komplett geschlossen) wiedergibt, während Figur 8 ein Drehmoment-Zeit-Diagramm, welches eine Drehmomenteinleitung TA in den schaltgliedseitigen Ausgangsabschnitt der flexiblen Welle zu den in Figur 7 entsprechenden Zeitpunkten wiedergibt.
  • Zwischen den Zeitpunkten t5 und t6 bleibt der Kraftaufwand zum Bewegen des Stiftkontakts 3 in dieser Ausführungsform des Schaltgeräts einigermassen konstant (ebenso der Drehwinkelversatz) weil die Kontaktkräfte der Kontaktelemente 47 den Stiftkontakt 3 an dessen Mantelfläche festdrücken und so eine mechanische Haftwirkung durch die aufgebrachte Reibung erzeugen. Entsprechend ist das erforderliche Drehmoment am Ausgangsabschnitt der flexiblen Welle gleich oder zumindest kaum verändert.
  • Die Figur 9 zeigt ein Drehzahl-Zeit-Diagramm, welches eine Drehzahl nE des antriebsseitigen Eingangsabschnitts der flexiblen Welle zu den in den Figuren 4 bis 8 entsprechenden Zeitpunkten wiedergibt. Beim Anfahren der Antriebseinheit zum Zeitpunkt t0 bis zum Zeitpunkt t1 steigt die Drehzahl kontinuierlich auf eine Nenndrehzahl n1 an, bis die als Torsionsfeder wirkende flexible Welle betriebsbereit vorgespannt ist. Der Ausgangsabschnitt steht bis dahin vereinfachend gesagt noch weitgehend still, vorausgesetzt, dass der Zeitversatz zwischen t0 und t1 klein und die Trägheit der flexiblen Welle gross ist. Zum Zeitpunkt t2 bewegt sich dann auch der Ausgangsabschnitt entsprechend dem Eingangsabschnitt mit der Nenndrehzahl n1. Sobald der Stiftkontakt 3 auf den Widerstand der Kontaktelemente 47 des Gegenkontaktes 46 trifft, sinkt die Drehzahl auf einen zweiten Drehzahlwert n2 ab und bleibt dann einigermassen konstant, bis eine dem Stiftkontakt zugedachte Endposition erreicht ist und sinkt nach dem Abschalten der Antriebseinheit ganz ab.
  • Allenfalls erfolgt anschliessend ein Zurückdrehen des Eingangsabschnitts der flexiblem Welle mitsamt dem Motor, weil der abtriebsseitige Endabschnitt der flexiblen Welle über die auf das Schaltglied wirkenden Kontaktkräfte der Kontaktelemente 47 festgehalten sind, während der antriebsseitige Eingangsabschnitt bei einer Entlastung der als Torsionsfeder wirkenden flexiblen Welle zurückfedert und daher den Eingangsabschnitt um den Drehwinkelversatz zurückdreht. Dies gilt unter der Voraussetzung, dass die Antriebseinheit beim Erreichen der Endlage des Schaltglieds 3 nicht elektrisch oder mechanisch gebremst ist. In der Folge kann dieses Zurückdrehen der als Torsionsfeder wirkenden flexiblen Welle durch eine entsprechende Gestaltung des ersten und zweiten Bereichs 38, 39 des Steuermittels 23 aufgefangen werden, so dass keine unbeabsichtigte Änderung der Anzeige durch das Schaltstellungsdetektionselement verursacht wird.
  • Zurückkommend auf Figur 2 wird nachfolgend nochmals auf den schematischen Aufbau dieser Ausführungsform des Schaltgerätes näher eingegangen. Wie im Zusammenhang mit Figur 3 erwähnt, ist das Schaltstellungsdetektionselement 24 über eine weitere Kulissensteuerung 45 mechanisch mit der Kulisse 23 verbunden. Um die Schaltstellung des Schaltgerätes elektrisch abgreifen und weiterführen zu können, ist das Schaltstellungsdetektionselement 24 mechanisch mit einem beweglichen Kontaktelement von mindestens einem Hilfskontakt 55 verbunden. Da das Schaltstellungsdetektionselement 24 um eine Rotationsachse 44 drehbar ist, bietet sich eine Ausführungsform des mindestens einen Hilfskontaktes als Drehkontakt an. Mit dem Hilfskontakt 55 ist eine der ersten Position des Schaltgliedes entsprechende Anzeige des Schaltstellungsdetektionselements 24 als elektrisches Signal 54 abgreifbar und an eine Schaltlogik und/oder Kontrolleinheit weiterleitbar.
  • Beim Betätigen der zwei Endschalter 20 durch den Schaltnocken 19 ist die Erreichung einer vorbestimmbaren Position beziehungsweise Lage des Schaltgliedes oder zumindest des Eingangsabschnitts 16 in Form eines weiteren elektrischen Signals 53 abgreifbar. Je nach Ausführung des Schaltgeräts ist dieses weitere Signal zum Abschalten des Elektromotors der Antriebseinheit verwendbar. Die Endschalter 20 sind in Abhängigkeit einer Drehwinkelversatzcharakteristik, insbesondere der Gesamtlänge der flexiblen Welle, an einer ausgewählten Montageposition 65 relativ zur Mitnehmermutter 18 der Spindel- Mitnehmermutter-Kombination und damit deren Schaltnocken 19 angeordnet.
  • Die Hilfskontakte sind ein oder mehrere durch eine Drehbewegung ansteuerbare Hilfskontakte, welche eine ruckartige Ansteuerung erfordern. Diese erfolgt über die weitere Kulissensteuerung 45.
  • Um im Notbetrieb das Schaltglied 3 auch stromlos zuverlässig von der einem ersten Schaltzustand in einen zweiten Schaltzustand überführen zu können, ist die flexible Welle zusätzlich zum Elektroantrieb der Antriebseinheit 13 auch über eine Handkurbel 56 manuell betätigbar. Die Handkurbel 56 ist in diesem Fall in Pfeilrichtung bei direkt auf ein freies, dem Bediengang 7 zugewandtes Ende 57 des Eingangsabschnitts 16 aufsteckbar.
  • Um dem Bediener 8 den Schaltzustand des Schaltgeräts 4 optisch anzuzeigen, ist der Eingangsabschnitt 16 der flexiblen Welle formschlüssig über ein zweites Nebengetriebe 58 mit einer optischen Schaltstellungsanzeige 59 verbunden. Um den Schaltzustand auch bei geschlossenem Antriebsschrank 6 erkennen zu können, weist der Antriebsschrank im Bereich der optischen Schaltstellungsanzeige 59 einen entsprechend geformten Ausschnitt oder ein Sichtfenster auf.
  • Sowohl antriebsseitig am Eingangsabschnitt, wie auch abtriebsseitig am Ausgangsabschnitt ist die flexible Welle mittels je einer Wellenkupplung 60 lösbar mit den Anschlusselementen verbunden. Im konkreten Fall ist sowohl der Eingangsabschnitt 16, wie auch der Ausgangsabschnitt 25 starr und aus mindestens zwei Teilen gebildet, welche zwei Teilen Betrieb des Schaltgeräts mit einer Zahnwellenkupplung 60 miteinander drehfest verbunden sind.
  • Am abtriebsseitigen Ende der flexiblen Welle ist deren Ausgangsabschnitt 25 über ein lineares, zweites Zwischengetriebe 61 in Form eines Zahnradgetriebes mit dem Schaltstift 3 verbunden. Dabei ist das zweite Zwischengetriebe eine Untersetzung und weist einen Eingangsanschluss 62 und einen Ausgangsanschluss 63 auf. Mit dem zweiten Zwischengetriebe 61 ist eine Drehzahl am Ausgangsanschluss 63 gegenüber einer Drehzahl am Eingangsanschluss 62 reduzierbar, gleichzeitig erhöht das zweite Zwischengetriebe 61 ein niedriges Drehmoment am Eingangsanschluss 62 auf ein höheres Drehmoment am Ausgangsanschluss 63.
  • Die Drehbewegung am Ausgangsanschluss 63 des Zwischengetriebes wird über eine Spindel-Mitnehmermutter-Kombination 64 in eine Linearbewegung (siehe Doppelpfeil) für den linear bewegbar gelagerten Stiftkontakt 3 umgewandelt.
  • Die Figur 10 zeigt ein Steuermittel für drei eindeutig zu erfassende elektrische Schaltstellungen, wie es etwa für einen kombinierten Trenner-/Erdschalter einsetzbar wäre. Im Vergleich zur Figur 3 wurden gleiche oder zumindest gleichwirkende Elemente mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Dementsprechend weist das Steuermittel 23 nun nebst dem ersten Bereich 38 und dem zweiten Bereich 39 noch einen dritten Bereich 66 auf, welcher einem dritten Schaltzustand des Schaltgerätes entspricht.
    • BEZUGSZEICHENLISTE
    • 1
    Flexible Welle
    2
    Antrieb der flexiblen Welle
    3
    Bewegliches Schaltglied
    4
    Schaltgerät
    5
    Schaltanlage
    6
    Antriebsschrank
    7
    Bediengang
    8
    Bediener
    9
    Erster Nominalleiter
    10
    Zweiter Nominalleiter
    13
    Antriebseinheit mit Elektromotor
    14
    Erstes Nebengetriebe
    16
    Eingangsabschnitt der flex. Welle
    17
    Spindel
    18
    Mitnehmermutter
    19
    Schaltnocken
    20
    Endschalter
    22
    Schaltzapfen
    23
    Steuermittel / Kulisse
    24
    Schaltstellungsdetektionselement
    25
    Ausgangsabschnitt
    28
    Erster Drehwinkel
    29
    Zweiter Drehwinkel
    30
    Erster Drehwinkelversatz
    31
    Dritter Drehwinkel
    32
    Zweiter Drehwinkelversatz
    33
    Zweite Position / Schaltzustand
    34
    erste Position / Schaltzustand
    37
    erstes Zwischengetriebe
    38
    erster Bereich des Steuermittels
    39
    zweiter Bereich des Steuermittels
    40
    Verbindungsbereich
    43
    Doppelpfeil
    44
    Rotationsachse des Schaltstellungsdetektionselements
    45
    Weitere Kulissensteuerung
    46
    Gegenkontakt
    47
    Kontaktelemente
    48
    Langlochkurvenbahn
    49
    Überlauf
    53
    Weiteres elektrisches Signal
    54
    Elektrisches Signal
    55
    Hilfskontakt
    56
    Handkurbel
    57
    Freies Ende des Eingangsabschnittes
    58
    Zweites Nebengetriebe
    59
    Optische Schaltstellungsanzeige
    60
    Wellenkupplung
    61
    Zweites Zwischengetriebe
    62
    Eingangsanschluss
    63
    Ausgangsanschluss
    64
    Spindel-Mitnehmermutter-Kombination
    65
    Montageposition
    66
    Dritter Bereich des Steuermittels

Claims (17)

  1. Schaltgerät (4) mit einem von einer ersten Position in eine zweite Position bewegbaren Schaltglied (3), wobei das Schaltgerät eine Antriebseinheit (13) zur Erzeugung einer Drehbewegung sowie eine flexible Welle (1) zur Übertragung der Drehbewegung zum Schaltglied (3) aufweist, wobei die flexible Welle (1) eine erste Länge aufweist und drehbeweglich gelagert ist und antriebsseitig einen drehbaren Eingangsabschnitt (16) und abtriebsseitig einen drehbaren Ausgangsabschnitt (25) aufweist, wobei der Eingangsabschnitt (16) mit der Antriebseinheit (13) verbunden ist,
    und wobei beim Bewegen der flexible Welle (1) zwischen der ersten Position und der zweiten Position des Schaltgliedes (3) ein erster Drehwinkel (28) am Ausgangsabschnitt (25) erzeugbar ist, welcher kleiner als ein zweiter Drehwinkel (29) am Eingangsabschnitt (16) zum selben Zeitpunkt ist, so dass ein erster Drehwinkelversatz (30) erzeugbar ist,
    und wobei beim Bewegen der flexible Welle (1) beim Erreichen der ersten Position ein dritter Drehwinkel (31) am Ausgangsabschnitt (25) erzeugbar ist, welcher dritte Drehwinkel (31) kleiner als der zweite Drehwinkel (29) am Eingangsabschnitt (16) zum selben Zeitpunkt ist, so dass ein zweiter Drehwinkelversatz (32) erzeugbar ist, welcher grösser als der erster Drehwinkelversatz (30) ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Eingangsabschnitt (16) über ein mechanisches erstes Zwischengetriebe (37) mit einem Schaltstellungsdetektionselement (24) verbunden ist, wobei das erste Zwischengetriebe (37) ein Steuermittel (23) mit einem der ersten Position des Schaltglieds (3) entsprechenden ersten Bereich (38) aufweist, welcher derart mit dem Schaltstellungsdetektionselement (24) gekoppelt ist, dass der erste Drehwinkelversatz (30) und der zweite Drehwinkelversatz (32) in einem vordefinierbaren elektrischen Schaltzustand des Schaltgerätes zu einer identischen Anzeige des Schaltstellungsdetektionselements (24) führen.
  2. Schaltgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuermittel (23) einen der zweiten Position des Schaltglieds entsprechenden zweiten Bereich (39) aufweist, welcher derart mit dem Schaltstellungsdetektionselement (24) gekoppelt ist, dass der erste Drehwinkelversatz (30) und der zweite Drehwinkelversatz (32) ebenfalls zu einer identischen Anzeige des Schaltstellungsdetektionselements (24) führen.
  3. Schaltgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinheit (13) einen Elektromotor umfasst.
  4. Schaltgerät nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltstellungsdetektionselement (24) mit mindestens einem Hilfskontakt (55) derart verbunden ist, dass eine der ersten Position des Schaltgliedes entsprechende Anzeige des Schaltstellungsdetektionselements (24) am Hilfskontakt (55) als elektrisches Signal (54) abgreifbar ist.
  5. Schaltgerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Hilfskontakt (55) ein um eine Rotationsachse (44) drehbares Kontaktelement aufweist.
  6. Schaltgerät nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Zwischengetriebe (37) ein nicht-lineares Getriebe ist, mit welchem das Schaltstellungsdetektionselement (24) nicht-linear zum zweiten Drehwinkel (29) des Eingangsabschnitts (16) ansteuerbar ist.
  7. Schaltgerät nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Bereich (38) des Steuermittels (23) mit dem Schaltstellungsdetektionselement (24) über eine Kulissensteuerung (22, 48) gekoppelt ist.
  8. Schaltgerät nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuermittel (23) derart ausgelegt ist, dass selbst bei einer Verwendung einer flexiblen Welle mit einer zur ersten Länge unterschiedlichen zweiten Länge und damit einem grössenmässig anderen ersten Drehwinkelversatz und einem grössenmässig anderen zweiten Drehwinkelversatz wiederum zu einer identischen Anzeige des Schaltstellungsdetektionselements führen.
  9. Schaltgerät nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Zwischengetriebe (37) mindestens eine Spindel-Mitnehmermutter-Kombination (17, 18) zum Umwandeln der von der Antriebseinheit (13) erzeugbaren Drehbewegung am Eingangsabschnitt (16) in eine Linearbewegung aufweist.
  10. Schaltgerät nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass beim Erreichen der ersten Position oder der zweiten Position des Schaltglieds über die Mitnehmermutter (18)der Spindel-Mitnehmermutter-Kombination mindestens ein Endschalter (20) betätigbar ist, insbesondere ein elektrischer Endschalter.
  11. Schaltgerät nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Endschalter (20) an einer in Abhängigkeit von einem Drehwinkelversatzcharakteristik, insbesondere einer Gesamtlänge, der flexiblen Welle (1) ausgewählten Montageposition (65) relativ zur Mitnehmermutter (18) der Spindel- Mitnehmermutter-Kombination angeordnet ist.
  12. Schaltgerät nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die flexible Welle (1) mindestens zwei Litzenlagen mit einer unterschiedlicher Wickelrichtung aufweist, welche Litzenlagen derart beschaffen sind, dass bei identischem zweiten Drehwinkel (29) der erste Drehwinkelversatz (30) oder der zweite Drehwinkelversatz (32) bei einem Betrieb der flexiblen Welle im Uhrzeigersinn weniger als 20 % vom ersten Drehwinkelversatz (30) beziehungsweise dem zweiten Drehwinkelversatz (32) bei einem Betrieb der flexiblen Welle im Gegenuhrzeigersinn abweicht.
  13. Schaltgerät nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Eingangsabschnitt (16) und/oder der Ausgangsabschnitt (25) der flexiblen Welle (1) eine lösbare weitere Kupplung (60) aufweist, insbesondere eine Zahnwellenkupplung (60).
  14. Schaltgerät nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am Ausgangsabschnitt (25) der flexiblen Welle (1) ein mechanisches zweites Zwischengetriebe (61) angeordnet hat, wobei das zweite Zwischengetriebe (61) eine Untersetzung ist und einen Eingangsanschluss (62) und einen Ausgangsanschluss (63) aufweist, wobei mit dem zweiten Zwischengetriebe (61) eine Drehzahl des Ausgangsanschlusses (63) gegenüber einer Drehzahl des Eingangsanschlusses (62) reduzierbar ist.
  15. Schaltgerät nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein die Antriebseinheit (13) umfassender Antrieb (2) eine optische Schaltstellungsanzeige (59) aufweist, welche verdrehsicher mit dem ersten Zwischengetriebe (37) verbunden ist.
  16. Schaltgerät nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltgerät (4) ein gasisoliertes Schaltgerät (4) ist.
  17. Schaltanlage (5) mit mindestens einem Schaltgerät (4) gemäss einem der vorangegangenen Ansprüche.
EP11175792.8A 2011-07-28 2011-07-28 Schaltgerät mit über eine flexible Welle angetriebenem Schaltglied Active EP2551886B1 (de)

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