EP2560178A1 - Leistungsschalter zum Schalten von Mittelspannung und Verfahren zum Betreiben eines solchen Leistungsschalters - Google Patents

Leistungsschalter zum Schalten von Mittelspannung und Verfahren zum Betreiben eines solchen Leistungsschalters Download PDF

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EP2560178A1
EP2560178A1 EP12180249A EP12180249A EP2560178A1 EP 2560178 A1 EP2560178 A1 EP 2560178A1 EP 12180249 A EP12180249 A EP 12180249A EP 12180249 A EP12180249 A EP 12180249A EP 2560178 A1 EP2560178 A1 EP 2560178A1
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EP
European Patent Office
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drive device
circuit breaker
auxiliary drive
switching
actuator
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP12180249A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Dr. rer. nat. Raimund Summer
Shailendra Singh
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Schneider Electric Sachsenwerk GmbH
Original Assignee
Schneider Electric Sachsenwerk GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Schneider Electric Sachsenwerk GmbH filed Critical Schneider Electric Sachsenwerk GmbH
Publication of EP2560178A1 publication Critical patent/EP2560178A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H33/00—High-tension or heavy-current switches with arc-extinguishing or arc-preventing means
    • H01H33/60—Switches wherein the means for extinguishing or preventing the arc do not include separate means for obtaining or increasing flow of arc-extinguishing fluid
    • H01H33/66—Vacuum switches
    • H01H33/666—Operating arrangements
    • H01H33/6662—Operating arrangements using bistable electromagnetic actuators, e.g. linear polarised electromagnetic actuators
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H3/00—Mechanisms for operating contacts
    • H01H3/22—Power arrangements internal to the switch for operating the driving mechanism
    • H01H3/28—Power arrangements internal to the switch for operating the driving mechanism using electromagnet
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    • H01H33/00—High-tension or heavy-current switches with arc-extinguishing or arc-preventing means
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    • H01H3/26—Power arrangements internal to the switch for operating the driving mechanism using dynamo-electric motor
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    • H01H3/26—Power arrangements internal to the switch for operating the driving mechanism using dynamo-electric motor
    • H01H2003/268—Power arrangements internal to the switch for operating the driving mechanism using dynamo-electric motor using a linear motor

Definitions

  • the invention relates to a circuit breaker for switching in particular medium voltage, with at least one switching element and a main drive device which is adapted for moving an actuating element of the switching element, in particular in an opening direction for opening the switching element.
  • circuit breakers are well known. They are used, for example, for switching single-phase or three-phase alternating current. In the case of three-phase alternating current, the switch usually has three switching elements, so that all three phases of a line can be separated.
  • the switching element must be designed so that it can disconnect an electrical line through which a current flows.
  • a maximum allowable current, for which it is ensured that it can be safely separated by opening the switching element, depends in particular on the structure of the switching element.
  • the object of the present invention is to increase the maximum allowable current for which it is ensured that the switch can be safely operated.
  • a circuit breaker of the aforementioned type wherein the circuit breaker has an activatable independent of the main drive device auxiliary drive device which is coupled by means of a coupling element of the circuit breaker with the actuating element such that it causes a movement of the actuating element caused by the main drive device, preferably in the opening direction for opening the switching element support.
  • the mechanical support of the movement causes electrical contacts of the switching element to move away from one another more quickly, in particular to interrupt the flow of current through the switching element. This has the effect that an arc between the contacts is interrupted even at a high alternating current through the switching element in any case at a zero crossing of the alternating current and a flashback of the arc is avoided after the zero crossing.
  • the auxiliary drive device can be activated independently of the main drive device, it is possible to activate the auxiliary drive device only occasionally for certain switching operations.
  • activating the auxiliary drive device such activation of the auxiliary drive device is understood to mean that the auxiliary drive device generates a force and / or a moment to assist the movement of the actuation element.
  • the auxiliary drive device is activated only for those switching operations in which a fast movement of the actuating element is required for the safe operation of the circuit breaker.
  • the auxiliary drive device is less stressed than the main drive device, which must be activated for each switching operation.
  • the additional device can be designed inexpensively (in particular for relatively few activations within a predetermined period of time or the entire operating life of the circuit breaker) and still a circuit breaker for relatively high currents can be realized.
  • the power switch is preferably designed so that the switching element can be actuated independently of the auxiliary drive device by means of the main drive device.
  • the auxiliary drive device is not activated for a switching operation, a movement of the actuating element in the opening direction without the assistance of the auxiliary drive device is possible.
  • the at least one switching element may be, for example, a vacuum switch.
  • the contacts of a vacuum switch are in one at least substantially evacuated space.
  • metal vapors between the contacts charge carriers, which can lead to arcing during opening of the circuit breaker.
  • the accelerated movement of the actuator in the opening direction and the consequent accelerated movement of the contacts of the vacuum switch away from each other ensures that a density of the metal vapors between the contacts is so low that after a certain time there is no flashback of the arc.
  • the auxiliary drive device has an energy store which is dimensioned such that it can store an energy necessary for actuating an actuator of the auxiliary drive device.
  • Such an auxiliary drive device may also assist the actuator when external power sources, such as an electricity grid, are not available.
  • the energy storage can be of any kind. It may, for example, be a mechanical energy store with a prestressable elastic element, such as a spring. The elastic element can be biased before activating the auxiliary drive. The elastic member may then drive the auxiliary drive device to assist in the movement of the actuator.
  • the auxiliary drive device has an electromagnetic actuator and / or that the energy store is set up to store electrical energy.
  • the energy store comprises at least one capacitor and / or a battery. It can be provided that the Energy store has at least one capacitor bank comprising one or more capacitors.
  • the auxiliary drive device has a drive shaft which can be driven by means of the actuator of the auxiliary drive device and the power switch has an actuating shaft which is rotatably mounted for moving the actuating element in the opening and / or closing direction. If such an actuating shaft is present, it is very simple to arrange a plurality of switching elements in the circuit breaker, which can be actuated jointly via the actuating shaft. In this way, for example, a multi-phase circuit breaker can be realized for example for switching a three-phase line.
  • the coupling element is a switchable bidirectionally acting coupling element.
  • a coupling element can be switched to a first state in which it couples the auxiliary drive device and the actuating element together so that they can influence each other. Furthermore, it can be switched to a second state in which the auxiliary drive device and the actuating element are at least substantially completely decoupled from each other and do not influence each other.
  • the switchable, bidirectionally acting coupling element thus ensures a transmission of force or torque from the auxiliary drive device to the actuating element and vice versa from the actuating element to the auxiliary drive device exactly when the coupling element is switched to said first state.
  • a non-switchable, unidirectionally acting coupling element is provided.
  • This coupling element is constructed so that the auxiliary drive device can drive the actuating element in the opening direction, but a movement of the actuating element in the opening direction, for example, inactive auxiliary drive device to no initiation of a force or torque in the auxiliary drive device.
  • a unidirectionally acting coupling element so a transmission of a force or torque only from the auxiliary drive device on the actuator but not vice versa possible.
  • the coupling element has a clutch, preferably a switchable clutch or a freewheel, which couples the drive shaft and the actuating shaft together.
  • the actuator of the auxiliary drive device is a linear drive.
  • a linear drive means any type of drive that can move a moving part along a straight line. It may be, for example, a motor with a suitable gear, a longitudinally movable within a coil armature or a linear motor.
  • the power switch has a control device configured to detect or detect a magnitude characterizing a current flowing through the closed switching element and to drive the actuator of the auxiliary drive device such that the auxiliary drive device is activated only when the Size characterizes a value of the current that is greater than a predetermined threshold value.
  • the auxiliary drive device is therefore activated on a case-by-case basis, and only if the quantity which characterizes the current through the switching element is greater than the threshold value.
  • the size may be a peak, rms, or other characteristic of the current.
  • the size may also be formed as a function of the syringe value, the effective value or the other parameter.
  • a method for operating a circuit breaker for switching in particular medium voltage, comprising a switching element and a main drive device comprising: moving an actuating element of the switching element by means of the main drive device, in particular in an opening direction for opening the switching element, the method comprising: activating an auxiliary drive device of the circuit breaker to assist said moving of the actuating element.
  • the method comprises: detecting or determining a quantity which is one by the characterized in that the closed switching element flowing current, and activating the auxiliary drive device only if the size characterizes a value of the current which is greater than a predetermined threshold value.
  • the coupling element is a switchable coupling or a switchable coupling element of another type
  • the auxiliary drive device before activating the auxiliary drive device, the auxiliary drive device is coupled to the actuating element by driving a coupling element.
  • the power switch in particular its control device, for implementing this method, in particular according to one of claims 9 to 11, arranged.
  • FIG. 1 shown power switch 11 has a switching device 13 and a control device 15.
  • the switching device 13 has a switching element 17 with an actuating element 19, wherein the actuating element 19 for opening the switching element in an opening direction (arrow 21) and for closing the switching element in a closing direction (arrow 23) is movable. If the actuating element 19 is moved in the opening direction 21 into an open position of the switching element 17, then electrical contacts of the switching element 17 are opened, ie separated from one another. If the actuating element 19 is moved in the closing direction 23 into a closed position of the switching element 17, then the contacts of the switching element 17 are electrically connected to one another.
  • the switching element 17 may be, for example, a vacuum switch.
  • the opening direction 21 and the closing direction 23 may, for example, correspond to a linear movement of the elongate actuating element 19 projecting into an evacuated region of the vacuum switch.
  • a main drive device 25 of the switching device 13 is mechanically coupled to the actuating element 19 such that the main drive device 25 can move the actuating element 19 in the opening direction 21 for opening the contacts of the switching element 17.
  • the main drive device 25 is connected, in particular electrically or mechanically, to the control device 15, in that the control device 15 can actuate the main drive device 25 for moving the actuating element 19 in the opening direction 21, that is to say for opening the contacts of the switching element 17. It can be provided that the main drive device 25, the actuator 19 can also move in the closing direction 23 and can be controlled by the control device 15 accordingly.
  • the main drive device 25 may include an elastic element, such as a spring, which is biased prior to actuation of the main drive device 25 and drives the main drive device 25 to actuate the actuation element 19.
  • the switching device 13 has an auxiliary drive device 27 with a preferably electromagnetic actuator 29 and a realized as capacitor bank 31 electrical energy storage.
  • the capacitor bank 31 has one or more capacitors which are charged with an electrical voltage before the actuator 29 is activated.
  • the auxiliary drive device 27 has a mechanical energy store instead of the electrical energy store 31 or in addition to the electrical energy store 31.
  • the mechanical energy store may have a further elastic element, preferably a further spring.
  • the further elastic element is arranged in the auxiliary drive device 27 and / or designed so that it is biased before activating the auxiliary drive device 27 and drives the auxiliary device 27 to support the movement of the actuating element 19 in the opening direction 21 and / or in the closing direction 23 ,
  • the energy store (s) may be sized so that their capacity to assist in the movement of the actuator 19 is sufficient for a shift (opening or closing). However, it may also be provided a larger capacity sufficient for several switching operations, such as a switching sequence open - close or a switching sequence closing - opening.
  • the actuator 29 is coupled via a switchable coupling element 33 with the actuating element 19 mechanically such that upon appropriate activation of the coupling element 33 of the actuator 29 can act on the actuator 19 to a caused by the main drive device 25 movement of the actuating element 19 in the opening direction or in To support the closing direction 23, so that the actuator 19 moves faster.
  • the coupling element 33 has a clutch actuator 35, which is connected to the control device 15 so that it can control the clutch actuator 35. The control device 15 can thus selectively control the coupling element 33 so that the auxiliary drive device 27 is either mechanically coupled to the actuating element 19 or is decoupled from the actuating element 19.
  • the switchable coupling element it is also possible to provide a non-switchable and unidirectionally acting coupling element.
  • the unidirectionally acting coupling element connects the actuator 29 with the actuating element 19 such that the auxiliary drive device 27 can act on the actuating element 19 in the opening direction 21, but an action of the auxiliary drive device 27 against the opening direction on the actuating element 27 is excluded. This ensures that the Main drive device 25, the actuator 19 can move independently of the auxiliary drive device 27. In particular, the actuator 29 can stand still while the actuating element 19 moves in the opening direction 21.
  • the unidirectionally acting coupling element connects the actuator 33 with the actuating element 19 such that the auxiliary drive device 27 can act on the actuating element 19 in the closing direction 23, but an action of the auxiliary drive device 27 against the closing direction 23 on the actuating element 27 is excluded.
  • the actuator 29 can stand still while the actuating element 19 moves in the closing direction.
  • a device for detecting or determining a current i (t) flowing through the switching element 17 is provided in the power switch 11, so that the control device 15 can control the other parts of the power switch 11 in dependence on this current.
  • this device is designed as a current sensor 37 that can be read out by the control device 15.
  • circuit breaker 11 has only one switching element 17 and is thus suitable for switching of (single-phase) AC voltage or DC voltage. If line multiphase power systems, for example, be switched by three-phase systems, several switching elements 17 may be provided in the circuit breaker 11.
  • One suitable in particular for switching three-phase lines Switching device 13 ' is in FIG. 2 shown.
  • This switching device 13 ' has three switching elements 17, the actuating elements 19 are coupled together.
  • this switching device 13 ' has a common main drive device 25 and a common auxiliary drive device 27, which are mechanically coupled to the actuators 19.
  • Each switching element 17 may be assigned a separate current sensor 37 so that the control device 15 can detect the current flowing through the respective switching element 17 (the current sensors 37 and the control device 15 are in FIG FIG. 2 not shown for clarity).
  • FIG. 3 shows a further embodiment of the circuit breaker, which is suitable for switching a three-phase line.
  • This power switch 11 has three of the in FIG. 1 shown switching devices 13 which are connected to a common control device 15. This means that - unlike the one in FIG. 2 shown embodiment - each switching element 17 each have a separate main drive device 25 and a separate auxiliary drive device 27 is assigned.
  • FIG. 4 shows that in one possible embodiment, the main drive device 25 and the auxiliary drive device 27 are coupled to a common actuation shaft 39.
  • the opening direction 21 and the closing direction 23 correspond to those in FIG FIG. 4 drawn rotational movements 21, 23 of the actuating shaft 39th
  • the actuating element 19 is an actuating bolt of a vacuum switch, which has a Crank mechanism 41 is mechanically coupled to the actuating shaft 39.
  • the coupling element is designed as a coupling 43, which is arranged between the actuating shaft 39 and a drive shaft 45 of the actuator 29.
  • the clutch 43 may be, for example, a clutch that can be shifted by means of the clutch actuator 35 or a freewheel.
  • the freewheel is designed as a unidirectional coupling element so that a torque generated by the actuator 29 in the opening direction 21 on the drive shaft 45 is transmitted to the actuating shaft 39, a torque on the actuating shaft 39 in the opening direction 21 is not transmitted to the drive shaft 45. This ensures that the main drive device 25, the actuating shaft 39 can rotate in the opening direction 21, without causing the drive shaft 45 must be rotated with.
  • the switching element can be actuated exclusively by the main drive device 25, that is, independently of the auxiliary drive device 27.
  • This allows on the one hand a case-by-case connection of the auxiliary drive device 27 in certain switching operations and on the other hand ensures that the availability of the circuit breaker 11 is not less than the availability of circuit breakers having no auxiliary drive device. Even with defective and / or blocked auxiliary drive device 27 alone, the main drive device 25 can actuate the switching element 17.
  • the switching elements may be, for example, vacuum switches.
  • a multi-phase circuit breaker 11 can be realized with a common main drive device 25 and a common auxiliary drive device 27, whose basic structure in FIG. 2 is shown.
  • the auxiliary drive device 27 may have as an actuator 29 an electromagnetic linear drive 49 which can move a drive pin 51 along its longitudinal direction.
  • the linear drive 49 can be controlled by the control device 15 so that it exerts a force in the opening direction 21 on the drive pin 51.
  • the linear drive 49 may have a solenoid acting as a coil 50, which pulls an armature 52 of the drive pin 51 in the opening direction 21 when it is energized.
  • a lever 55 fixedly connected to the actuating shaft 39 has a slot 57.
  • a remote from the armature 52 end portion 59 of the drive pin 51 is slidably mounted in the slot 57 so that when befindaji in the closed position switching element 17 movement of the drive pin 51 in the opening direction 21 to a movement of the actuating shaft 39 and the actuating element 19 in the opening direction 21
  • movement of the actuating element 19 or a rotation of the actuating shaft 39 in the opening direction 21 does not cause that on the drive pin 51, a force in the opening direction 21 is exerted.
  • the end portion 59 moves relative to the slot 57.
  • the actuating shaft 39 can thus rotate driven by the main drive device 25 independently of the auxiliary drive device in the opening direction 21.
  • a lever of the crank mechanism 41 and the lever 55 of the coupling element 33 form a common component. Deviating from this, however, a separate component for the lever 55 of the coupling element 33 may be provided.
  • the controller 15 may be configured to carry out this method.
  • it may include a digital logic circuit and / or a programmable computer programmed to execute the method.
  • a computer program may be provided which is programmed such that the control device 15 carries out the method when the program is executed on the computer of the control device.
  • It can be provided a storage medium on which such a computer program is stored.
  • the storage medium may be magnetic storage, optical storage or semiconductor storage.
  • the storage medium may be integrated in the control device 15.
  • FIG. 6 a flowchart of the method 61 is shown.
  • the method 61 is preferably started when the switching element or the switching elements 17 of the circuit breaker 11 are in a closed state, that is, their contacts are electrically connected to each other.
  • a step 65 in which the method 61 remains until an event or operating state is present, due to which the switching element 17 must be opened.
  • the event or operating state may be, for example, an error in an electrical energy network or an operating intervention by operators of the energy network.
  • FIG. 7 a progression of the current i (t) over time is shown. It can be seen that the current profile i (t) is asymmetrical with respect to the X-axis, that is to say that the current i (t) has a negative DC component.
  • step 65 it is detected that the current i (t) has this DC component and interprets this as a fault in the power grid.
  • the control device 15 detects the current i (t) by means of the current sensor 37 in accordance with the method 61.
  • step CS the control device decides that the switching element 17 should be opened and therefore terminates step 65 to continue with a step 67.
  • step 67 the controller 15 controls the main drive device 25 to move the actuator 19 in the opening direction 21.
  • the control device 15 determines a peak value i p of the detected current profile i (t) in a branch 69 and checks whether the peak value i p is greater than a predefined threshold value Th. If this is the case (Y), the method 61 carries out a step 71 in which the control device 15 controls the auxiliary drive device 27 so that it drives the actuating element in the opening direction 21 in addition to the main drive device 25 and on this way supports the movement of the actuating element in the opening direction, in particular accelerates. This ensures that the electrical contacts of the switching element 17 move away from each other faster than would be the case if the actuator 19 would only be driven by the main drive device 25.
  • the step 71 is skipped, that is, only the main drive device 25 is driven.
  • a step 70 is carried out before the step 71, in which the control device 15 controls the clutch actuator 35 such that the actuator 39 is mechanically coupled to the actuating element or the actuating shaft 39.
  • the step 70 can be omitted.
  • the auxiliary drive device is activated only when the peak value i p of the current i (t) is greater than the threshold value Th. Because only with such a large peak value i p is the relatively fast movement of the contacts of the Switching element away from each other required to achieve a reliable separation of an electrical line by means of the switching element 17, in particular to avoid a flashback of an arc between the contacts.
  • the peak value is a quantity that characterizes the current i (t). Notwithstanding the embodiment shown, another variable, for example an effective value of the current i (t), can also be used. be used.
  • a decision criterion may also be provided in the branch 69, which is based on several variables which characterize the current i (t) and / or depend on the current i (t).
  • FIG. 7 the current curve i (t) of a successful shutdown process is shown.
  • the contacts begin to move away from each other at time CS driven by the main drive device 25, possibly assisted by the auxiliary drive device 27. This creates an arc between the contacts, so that the current i (t) continues to flow through the arc.
  • the contacts At the time t 1 of the first zero crossing after the time CS, the contacts have not yet completely removed from each other, so that it comes after the time t 1 to a backfire and a new arc is formed in the following at the time t 1 half oscillation again Current flow allows.
  • the contacts are already so far apart that there is no renewed ignition of the arc.
  • the voltage u (t) at the switching element 17 begins to increase.
  • the voltage curve u (t) has a transient voltage in the first half-oscillation after the time t 2 , which is also referred to as transient recovery voltage (TRV).
  • TRV transient recovery voltage
  • the voltage curve u (t) corresponds at least substantially to a sinusoidal profile of the mains voltage.
  • area P under the curve of the current i (t) denotes the energy which emits the arc between the contacts of the switching element 17. Due to this energy, a certain amount of metal is removed from the contacts and released as metal vapor to the environment of the contacts. The metal vapor provides carriers that sustain the arc. Only after the second zero crossing at time t 2 , the separation distance between the contacts is sufficiently large in order to avoid reignition of the arc despite the transitive portion TRV at the voltage u (t).
  • a reliable separation of the circuit when a density of the metal vapor is the same or less than in the case of the normal amplitude.
  • the maintenance or reduction of the density of metal vapor is achieved in that in the case of an increased current (i p > Th), the contacts of the switching element 17 are rapidly moved away from each other as a result of the drive by the auxiliary drive device 27.
  • the separation distance has the same length, but it succeeds with the help of the auxiliary drive device, this length (distance between the contacts) to achieve faster.
  • step 73 the process 61 is waited until the switching element 17 is closed again. It can be provided that during step 73, the coupling device 33 is opened by appropriate activation of the clutch actuator 35 and / or the actuator 29 is reset by appropriate control by the control device 15 to an initial position, from which the actuator 29, the actuator 19 again can operate in the opening direction 21.
  • the auxiliary drive device 27 can support the movement of the actuating element 19 in a plurality of successive opening and closing operations of the switching element 17.
  • the invention provides the Auxiliary drive device 27 which, if necessary, for example when the peak value i p is greater than the threshold Th, can accelerate the opening operation by assisting the main drive device 25 in moving the actuator 19 in the opening direction 21.
  • the invention may be applied here in particular in connection with the movement of the actuating element in the opening direction 21, it can also be used in connection with the movement of the actuating element in the closing direction 23, so that the movement in the closing direction 23 can be supported occasionally by means of the auxiliary drive device.
  • the power switch 11 described here can be produced, for example, by using a conventional circuit breaker which only has the Main drive device 25 is retrofitted with the auxiliary drive device 27. Such a circuit breaker may also be retrofitted or set up to execute the method 61 described herein.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Leistungsschalter (11) zum Schalten insbesondere von Mittelspannung, mit einem Schaltelement (17) und einer Hauptantriebsvorrichtung (25), die zum Bewegen eines Betätigungselements (19) des Schaltelements (17)eingerichtet ist. Um den maximal zulässigen Strom, für den sichergestellt ist, dass der Leistungsschalter (11) sicher betrieben werden kann, zu erhöhen, wird vorgeschlagen, dass der Leistungsschalter (11) eine unabhängig von der Hauptantriebsvorrichtung (25) aktivierbare Zusatzantriebsvorrichtung (27) aufweist, die mittels eines Koppelelements (33) des Leistungsschalters (11) mit dem Betätigungselement (19) derart gekoppelt ist, dass sie eine von der Hauptantriebsvorrichtung (25) verursachte Bewegung des Betätigungselements (19) unterstützen kann.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Leistungsschalter zum Schalten insbesondere von Mittelspannung, mit mindestens einem Schaltelement und einer Hauptantriebsvorrichtung, die zum Bewegen eines Betätigungselements des Schaltelements insbesondere in eine Öffnungsrichtung zum Öffnen des Schaltelements eingerichtet ist.
  • Solche Leistungsschalter sind allgemein bekannt. Sie werden beispielsweise zum Schalten von einphasigem oder dreiphasigem Wechselstrom verwendet. Im Falle von dreiphasigem Wechselstrom, weist der Schalter üblicherweise drei Schaltelemente auf, damit alle drei Phasen einer Leitung getrennt werden können.
  • Das Schaltelement muss so ausgeführt sein, dass es eine elektrische Leitung, durch die ein Strom fließt, trennen kann. Ein maximal zulässiger Strom, für den sichergestellt ist, dass er durch Öffnen des Schaltelements sicher getrennt werden kann, hängt insbesondere vom Aufbau des Schaltelements ab.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, den maximal zulässigen Strom, für den sichergestellt ist, dass der Schalter sicher betrieben werden kann, zu erhöhen.
  • Zu Lösung dieser Aufgabe wird ein Leistungsschalter nach Anspruch 1 und ein Verfahren nach Anspruch 10 vorgeschlagen.
  • Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist ein Leistungsschalter der eingangs genannten Art vorgesehen, wobei der Leistungsschalter eine unabhängig von der Hauptantriebsvorrichtung aktivierbare Zusatzantriebsvorrichtung aufweist, die mittels eines Koppelelements des Leistungsschalters mit dem Betätigungselement derart gekoppelt ist, dass sie eine von der Hauptantriebsvorrichtung verursachte Bewegung des Betätigungselements, vorzugsweise in die Öffnungsrichtung zum Öffnen des Schaltelements, unterstützen kann. Die mechanische Unterstützung der Bewegung bewirkt, dass elektrische Kontakte des Schaltelements sich schneller voneinander entfernen, insbesondere um den Stromfluss durch das Schaltelement zu unterbrechen. Dies hat den Effekt, dass ein Lichtbogen zwischen den Kontakten auch bei einem hohen Wechselstrom durch das Schaltelement jedenfalls bei einem Nulldurchgang des Wechselstroms unterbrochen wird und eine Rückzündung des Lichtbogens nach dem Nulldurchgang vermieden wird.
  • Dadurch, dass die Zusatzantriebsvorrichtung unabhängig von der Hauptantriebsvorrichtung aktiviert werden kann, ist es möglich, die Zusatzantriebsvorrichtung nur fallweise für bestimmte Schaltvorgänge zu aktivieren. Unter dem Aktivieren der Zusatzantriebsvorrichtung ist ein derartiges Ansteuern der Zusatzantriebsvorrichtung zu verstehen, dass die Zusatzantriebsvorrichtung eine Kraft und/oder ein Moment erzeugt, um die Bewegung des Betätigungselements zu unterstützen. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass die Zusatzantriebsvorrichtung nur für solche Schaltvorgänge aktiviert wird, bei denen für den sicheren Betrieb des Leistungsschalters ein schnelles Bewegen des Betätigungselements erforderlich ist. In diesem Fall wird die Zusatzantriebsvorrichtung weniger stark beansprucht als die Hauptantriebsvorrichtung, die für jeden Schaltvorgang aktiviert werden muss. Somit kann die Zusatzvorrichtung kostengünstig (insbesondere für relativ wenig Aktivierungen innerhalb einer vorgegebenen Zeitspanne oder der gesamten Betriebsdauer des Leistungsschalters) ausgelegt werden und trotzdem ein Leistungsschalter für relativ hohe Ströme realisiert werden.
  • Mit anderen Worten ist der Leistungsschalter vorzugsweise so ausgelegt, dass das Schaltelement mittels der Hauptantriebsvorrichtung unabhängig von der Zusatzantriebsvorrichtung betätigt werden kann. Insbesondere ist in dem Fall, dass für ein Schaltvorgang die Zusatzantriebsvorrichtung nicht aktiviert wird, eine Bewegung des Betätigungselements in die Öffnungsrichtung ohne die Unterstützung mittels der Zusatzantriebsvorrichtung möglich.
  • Bei dem mindestens einen Schaltelement kann es sich beispielsweise um einen Vakuumschalter handeln. Die Kontakte eines Vakuumschalters befinden sich in einem zumindest im Wesentlichen evakuierten Raum. Somit bilden vor allem Metalldämpfe zwischen den Kontakten Ladungsträger, die zu einer Lichtbogenbildung während des Öffnens des Leistungsschalters führen können. Durch die beschleunigte Bewegung des Betätigungselements in Öffnungsrichtung und die daraus folgende beschleunigte Bewegung der Kontakte des Vakuumschalters voneinander weg wird sichergestellt, dass eine Dichte der Metalldämpfe zwischen den Kontakten so gering ist, dass es nach einer gewissen Zeit zu keiner Rückzündung des Lichtbogens kommt.
  • Es ist bevorzugt, dass die Zusatzantriebsvorrichtung einen Energiespeicher aufweist, der so bemessen ist, dass er eine zum Betätigen eines Aktuators der Zusatzantriebsvorrichtung notwendige Energie speichern kann. Eine solche Zusatzantriebsvorrichtung kann das Betätigungselement auch dann unterstützen, wenn externe Energiequellen, beispielsweise ein Elektrizitätsnetz, nicht verfügbar sind. Der Energiespeicher kann beliebiger Art sein. Es kann sich beispielsweise um einen mechanischen Energiespeicher mit einem vorspannbaren elastischen Element wie zum Beispiel einer Feder handeln. Das elastische Element kann vor dem Aktivieren des Zusatzantriebs vorgespannt werden. Das elastische Element kann dann die Zusatzantriebsvorrichtung zum Unterstützen der Bewegung des Betätigungselements antreiben.
  • Bevorzugt ist jedoch, dass die Zusatzantriebsvorrichtung einen elektromagnetischen Aktuator aufweist und/oder dass der Energiespeicher zum Speichern von elektrischer Energie eingerichtet ist.
  • Hierbei ist besonders bevorzugt, dass der Energiespeicher mindestens einen Kondensator und/oder eine Batterie umfasst. Hierbei kann vorgesehen sein, dass der Energiespeicher mindestens eine Kondensatorbank aufweist, die einen oder mehrere Kondensatoren umfasst.
  • In einer Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Zusatzantriebsvorrichtung eine mittels des Aktuators der Zusatzantriebsvorrichtung antreibbare Antriebswelle und der Leistungsschalter eine Betätigungswelle aufweist, die zum Bewegen des Betätigungselements in die Öffnungs- und/oder die Schließrichtung drehbar gelagert ist. Ist eine solche Betätigungswelle vorhanden, können sehr einfach mehrere Schaltelemente im Leistungsschalter angeordnet werden, die über die Betätigungswelle gemeinsam betätigt werden können. Auf diese Weise kann beispielsweise ein mehrphasiger Leistungsschalter beispielsweise zum Schalten einer Drehstromleitung realisiert werden.
  • In einer Ausführungsform ist das Koppelelement ein schaltbares bidirektional wirkendes Koppelelement. Ein solches Koppelelement kann in einen ersten Zustand geschaltet werden, in welchem es die Zusatzantriebsvorrichtung und das Betätigungselement so miteinander koppelt, dass diese sich gegenseitig beeinflussen können. Ferner kann es in einen zweiten Zustand geschaltet werden, in dem die Zusatzantriebsvorrichtung und das Betätigungselement mindestens im Wesentlichen vollständig voneinander entkoppelt sind und sich nicht gegenseitig beeinflussen. Das schaltbare, bidirektional wirkende Kopplungselement sorgt also für eine Übertragung einer Kraft oder eines Moments von der Zusatzantriebsvorrichtung zum Betätigungselement und umgekehrt vom Betätigungselement zu der Zusatzantriebsvorrichtung genau dann, wenn das Koppelelement in den genannten ersten Zustand geschaltet ist.
  • In einer anderen Ausführungsform ist ein nicht schaltbares, unidirektional wirkendes Koppelelement vorgesehen. Dieses Koppelelement ist so aufgebaut, dass die Zusatzantriebsvorrichtung das Betätigungselement in Öffnungsrichtung antreiben kann, jedoch eine Bewegung des Betätigungselements in Öffnungsrichtung beispielsweise bei inaktiver Zusatzantriebsvorrichtung zu keiner Einleitung einer Kraft oder eines Moments in die Zusatzantriebsvorrichtung führt. Bei einem unidirektional wirkenden Koppelelement ist also eine Übertragung einer Kraft oder eines Moments nur von der Zusatzantriebsvorrichtung auf das Betätigungselement aber nicht umgekehrt möglich.
  • Insbesondere im Falle eines Leistungsschalters mit der Betätigungswelle, kann vorgesehen werden, dass das Koppelelement eine Kupplung, vorzugsweise eine schaltbare Kupplung oder einen Freilauf aufweist, die die Antriebswelle und die Betätigungswelle miteinander koppelt.
  • Alternativ hierzu kann vorgesehen werden, dass der Aktuator der Zusatzantriebsvorrichtung ein Linearantrieb ist. Unter einem Linearantrieb ist jede Art von Antrieb zu verstehen, der ein bewegliches Teil entlang einer Geraden verschieben kann. Es kann sich beispielsweise um einen Motor mit geeignetem Getriebe, einen innerhalb einer Spule in Längsrichtung beweglichen Anker oder um einen Linearmotor handeln.
  • Bei relativ geringen Strömen ist es nicht erforderlich, dass die Zusatzantriebsvorrichtung zum Unterstützen der Bewegung des Betätigungselements, insbesondere in Öffnungsrichtung, aktiviert wird. Die vergleichsweise langsame, lediglich von der Hauptantriebsvorrichtung verursache Bewegung des Betätigungselements reicht in diesem Fall aus, um ein hinreichend schnelles Bewegen, insbesondere ein zuverlässiges Öffnen, des Schaltelements sicher zu stellen. Somit ist bevorzugt, dass der Leistungsschalter eine Steuereinrichtung aufweist, die zum Erfassen oder Ermitteln einer Größe, die einen durch das geschlossene Schaltelement fließenden Strom charakterisiert, und zum Ansteuern des Aktuators der Zusatzantriebsvorrichtung derart eingerichtet ist, dass die Zusatzantriebsvorrichtung nur dann aktiviert wird, wenn die Größe einen Wert des Stromes charakterisiert, der größer ist als ein vorgegebener Schwellwert. Die Zusatzantriebsvorrichtung wird also fallweise aktiviert, und zwar nur dann, wenn die Größe, die den Strom durch das Schaltelement charakterisiert, größer ist als der Schwellwert. Bei der Größe kann es sich um einen Spitzenwert, einen Effektivwert oder eine andere Kenngröße des Stromes handeln. Die Größe kann auch in Abhängigkeit von dem Spritzenwert, dem Effektivwert oder der anderen Kenngröße gebildet sein.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist ein Verfahren zum Betreiben eines Leistungsschalters zum Schalten insbesondere von Mittelspannung, mit einem Schaltelement und einer Hauptantriebsvorrichtung vorgesehen, wobei das Verfahren umfasst: Bewegen eines Betätigungselements des Schaltelements mittels der Hauptantriebsvorrichtung, insbesondere in eine Öffnungsrichtung zum Öffnen des Schaltelements, wobei das Verfahren umfasst: Aktivieren einer Zusatzantriebsvorrichtung des Leistungsschalters, um das besagten Bewegens des Betätigungselements zu unterstützen.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verfahren: Erfassen oder Ermitteln einer Größe, die einen durch das geschlossene Schaltelement fließenden Strom charakterisiert, und Aktivieren der Zusatzantriebsvorrichtung nur dann, wenn die Größe einen Wert des Stromes charakterisiert, der größer ist als ein vorgegebener Schwellwert.
  • Insbesondere für den Fall dass das Koppelelement eine schaltbare Kupplung oder ein schaltbares Koppelelement anderer Art ist, kann vorgesehen sein, dass vor dem Aktivieren der Zusatzantriebsvorrichtung die Zusatzantriebsvorrichtung mit dem Betätigungselement durch Ansteuern eines Koppelelements gekoppelt wird.
  • In einer Ausführungsform ist der Leistungsschalter, insbesondere dessen Steuereinrichtung, zum Ausführen dieses Verfahrens, insbesondere nach einem der Ansprüche 9 bis 11, eingerichtet.
  • Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in welcher exemplarische Ausführungsformen der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei zeigen:
    • Figur 1
    Eine schematische Darstellung eines Leistungsschalters gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform;
    Figur 2
    Eine schematische Darstellung eines Leistungsschalters gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform;
    Figur 3
    Eine schematische Darstellung eines Leistungsschalters gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungsform;
    Figur 4
    Ein Detail der Darstellung aus Figur 1;
    Figur 5
    Ein Detail eines Leistungsschalters gemäß einer vierten bevorzugten Ausführungsform;
    Figur 6
    Ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben eines Leistungsschalters; und
    Figur 7
    Ein Diagramm mit einem zeitlichen Verlauf eines Stromes durch ein Schaltelement des Leistungsschalters und einer an dem Schaltelement anliegenden Spannung.
  • Ein in Figur 1 gezeigter Leistungsschalter 11 weist eine Schalteinrichtung 13 und eine Steuereinrichtung 15 auf. Die Schalteinrichtung 13 weist ein Schaltelement 17 mit einem Betätigungselement 19 auf, wobei das Betätigungselement 19 zum Öffnen des Schaltelements in eine Öffnungsrichtung (Pfeil 21) und zum Schließen des Schaltelements in eine Schließrichtung (Pfeil 23) bewegbar ist. Ist das Betätigungselement 19 in Öffnungsrichtung 21 in eine geöffnete Stellung des Schaltelements 17 bewegt, dann sind elektrische Kontakte des Schaltelements 17 geöffnet, d. h. voneinander getrennt. Ist das Betätigungselement 19 in Schließrichtung 23 in eine geschlossene Stellung des Schaltelements 17 bewegt, dann sind die Kontakte des Schaltelements 17 miteinander elektrisch verbunden. Bei dem Schaltelement 17 kann es sich beispielsweise um einen Vakuumschalter handeln. Die Öffnungsrichtung 21 und die Schließrichtung 23 können beispielsweise einer linearen Bewegung des in einen evakuierten Bereich des Vakuumschalters hineinragenden länglichen Betätigungselements 19 entsprechen.
  • Eine Hauptantriebsvorrichtung 25 der Schalteinrichtung 13 ist mit dem Betätigungselement 19 derart mechanisch gekoppelt, dass die Hauptantriebsvorrichtung 25 das Betätigungselement 19 in Öffnungsrichtung 21 zum Öffnen der Kontakte des Schaltelements 17 bewegen kann. Die Hauptantriebsvorrichtung 25 ist so, insbesondere elektrisch oder mechanisch, an die Steuereinrichtung 15 angebunden, dass die Steuereinrichtung 15 die Hauptantriebsvorrichtung 25 zum Bewegen des Betätigungselements 19 in Öffnungsrichtung 21, das heißt zum Öffnen der Kontakte des Schaltelements 17 ansteuern kann. Es kann vorgesehen sein, dass die Hauptantriebsvorrichtung 25 das Betätigungselement 19 auch in die Schließrichtung 23 bewegen kann und von der Steuereinrichtung 15 entsprechend angesteuert werden kann. Die Hauptantriebsvorrichtung 25 kann ein elastisches Element, beispielsweise eine Feder, aufweisen, das vor dem Betätigen der Hauptantriebsvorrichtung 25 vorgespannt wird und die Hauptantriebsvorrichtung 25 zum Betätigen des Betätigungselements 19 antreibt.
  • Desweiteren weist die Schalteinrichtung 13 eine Zusatzantriebsvorrichtung 27 mit einem vorzugsweise elektromagnetischen Aktuator 29 und einem als Kondensatorbank 31 realisierten elektrischen Energiespeicher auf. Die Kondensatorbank 31 weist einen oder mehrere Kondensatoren auf, die mit einer elektrischen Spannung aufgeladen werden, bevor der Aktuator 29 aktiviert wird. In einer nicht gezeigten Ausführungsform weist die Zusatzantriebsvorrichtung 27 anstelle des elektrischen Energiespeichers 31 oder zusätzlich zum elektrischen Energiespeicher 31 einen mechanischen Energiespeicher auf. Der mechanische Energiespeicher kann ein weiteres elastisches Element, vorzugsweise eine weitere Feder, aufweisen. Das weitere elastische Element ist so in der Zusatzantriebsvorrichtung 27 angeordnet und/oder so ausgebildet, dass es vor dem Aktivieren der Zusatzantriebsvorrichtung 27 vorgespannt wird und die Zusatzvorrichtung 27 zum Unterstützen der Bewegung des Betätigungselements 19 in die Öffnungsrichtung 21 und/oder in die Schließrichtung 23 antreibt.
  • Der oder die Energiespeicher können so bemesse sein, dass ihre Kapazität zum Unterstützen der Bewegung des Betätigungselement 19 für einen Schaltvorgang (Öffnen oder Schließen) ausreicht. Es kann jedoch auch eine größere Kapazität vorgesehen sein, die für mehrere Schaltvorgänge, beispielsweise eine Schaltfolge Öffnen - Schließen oder eine Schaltfolge Schließen - Öffnen ausreicht.
  • Der Aktuator 29 ist über ein schaltbares Koppelelement 33 mit dem Betätigungselement 19 mechanisch derart gekoppelt, dass bei entsprechenden Ansteuerung des Koppelelements 33 der Aktuator 29 auf das Betätigungselement 19 einwirken kann, um eine von der Hauptantriebsvorrichtung 25 verursachte Bewegung des Betätigungselements 19 in die Öffnungsrichtung oder in die Schließrichtung 23 zu unterstützen, sodass sich das Betätigungselement 19 schneller bewegt. Das Koppelelement 33 weist einen Kupplungsaktuator 35 auf, der so an die Steuereinrichtung 15 angebunden ist, dass sie den Kupplungsaktuator 35 ansteuern kann. Die Steuereinrichtung 15 kann somit das Koppelelement 33 wahlweise so steuern, dass die Zusatzantriebsvorrichtung 27 entweder mit dem Betätigungselement 19 mechanisch gekoppelt ist oder von dem Betätigungselement 19 entkoppelt ist.
  • Anstelle des schaltbaren Kopplungselements kann auch ein nicht schaltbares und unidirektional wirkendes Kopplungselement vorgesehen werden. Das unidirektional wirkende Kopplungselement verbindet den Aktuator 29 so mit dem Betätigungselement 19, dass die Zusatzantriebsvorrichtung 27 in Öffnungsrichtung 21 auf das Betätigungselement 19 einwirken kann, jedoch eine Einwirkung der Zusatzantriebsvorrichtung 27 entgegen der Öffnungsrichtung auf das Betätigungselement 27 ausgeschlossen ist. Hierdurch wird erreicht, dass die Hauptantriebsvorrichtung 25 das Betätigungselement 19 unabhängig von der Zusatzantriebsvorrichtung 27 bewegen kann. Insbesondere kann der Aktuator 29 still stehen, während sich das Betätigungselement 19 in Öffnungsrichtung 21 bewegt.
  • Abweichend hiervon kann auch vorgesehen sein, dass das unidirektional wirkende Kopplungselement den Aktuator 33 so mit dem Betätigungselement 19 verbindet, dass die Zusatzantriebsvorrichtung 27 in Schließrichtung 23 auf das Betätigungselement 19 einwirken kann, jedoch eine Einwirkung der Zusatzantriebsvorrichtung 27 entgegen der Schließrichtung 23 auf das Betätigungselement 27 ausgeschlossen ist. Bei dieser Ausgestaltung des unidirektional wirkenden Kopplungselements kann der Aktuator 29 still stehen, während sich das Betätigungselement 19 in die Schließrichtung bewegt.
  • Ferner ist im Leistungsschalter 11 eine Einrichtung zum Erfassen oder Ermitteln eines durch das Schaltelement 17 fließenden Stroms i(t) vorgesehen, sodass die Steuereinrichtung 15 die anderen Teile des Leistungsschalters 11 in Abhängigkeit von diesem Strom steuern kann. In der gezeigten Ausführungsform ist diese Einrichtung als ein von der Steuereinrichtung 15 auslesbarer Stromsensor 37 ausgeführt.
  • Der in Figur 1 gezeigte Leistungsschalter 11 weist lediglich ein Schaltelement 17 auf und ist somit zum Schalten von (einphasiger) Wechselspannung oder Gleichspannung geeignet. Sollen Leitung mehrphasiger Stromsysteme, beispielsweise von Drehstromsystemen geschaltet werden, können mehrere Schaltelemente 17 im Leistungsschalter 11 vorgesehen werden. Eine insbesondere zum Schalten von Drehstromleitungen geeignete Schalteinrichtung 13' ist in Figur 2 dargestellt. Diese Schalteinrichtung 13' weist drei Schaltelemente 17 auf, deren Betätigungselemente 19 miteinander gekoppelt sind. Ferner weist diese Schalteinrichtung 13' eine gemeinsame Hauptantriebsvorrichtung 25 sowie eine gemeinsame Zusatzantriebsvorrichtung 27 auf, die mit den Betätigungselementen 19 mechanisch gekoppelt sind.
  • Jedem Schaltelement 17 kann ein gesonderter Stromsensor 37 zugeordnet sein, sodass die Steuereinrichtung 15 den durch das jeweilige Schaltelement 17 fließenden Strom erfassen kann (die Stromsensoren 37 und die Steuereinrichtung 15 sind in Figur 2 der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt).
  • Figur 3 zeigt eine weitere Ausführungsform des Leistungsschalters, der zum Schalten einer Drehstromleitung geeignet ist. Dieser Leistungsschalter 11 weist drei der in Figur 1 gezeigten Schalteinrichtungen 13 auf, die an eine gemeinsame Steuereinrichtung 15 angebunden sind. Dies bedeutet, dass - anders als bei der in Figur 2 gezeigten Ausführungsform - jedem Schaltelement 17 jeweils eine gesonderte Hauptantriebsvorrichtung 25 und eine gesonderte Zusatzantriebsvorrichtung 27 zugeordnet ist.
  • Figur 4 zeigt, dass in einer möglichen Ausführungsform die Hauptantriebsvorrichtung 25 und die Zusatzantriebsvorrichtung 27 mit einer gemeinsamen Betätigungswelle 39 gekoppelt sind. Die Öffnungsrichtung 21 beziehungsweise die Schließrichtung 23 entsprechen den in Figur 4 eingezeichneten Drehbewegungen 21, 23 der Betätigungswelle 39.
  • Bei dem Betätigungselement 19 handelt es sich um einen Betätigungsbolzen eines Vakuumschalters, der über eine Kurbelmechanik 41 mit der Betätigungswelle 39 mechanisch gekoppelt ist.
  • Das Koppelelement ist als eine Kupplung 43 ausgebildet, die zwischen der Betätigungswelle 39 und einer Antriebswelle 45 des Aktuators 29 angeordnet ist. Bei der Kupplung 43 kann es sich beispielsweise um eine mittels des Kupplungsaktuators 35 schaltbare Kupplung oder um einen Freilauf handeln. Der Freilauf ist als unidirektional wirkendes Koppelelement so ausgeführt, dass ein vom Aktuator 29 in die Öffnungsrichtung 21 an der Antriebswelle 45 erzeugtes Drehmoment auf die Betätigungswelle 39 übertragen wird, ein Drehmoment an der Betätigungswelle 39 in Öffnungsrichtung 21 jedoch nicht auf die Antriebswelle 45 übertragen wird. Hierdurch wird erreicht, dass die Hauptantriebsvorrichtung 25 die Betätigungswelle 39 in Öffnungsrichtung 21 drehen kann, ohne dass dabei die Antriebswelle 45 mit gedreht werden muss.
  • So kann das Schaltelement ausschließlich von der Hauptantriebsvorrichtung 25, das heißt unabhängig von der Zusatzantriebsvorrichtung 27 betätigt werden. Dies erlaubt einerseits ein fallweises Zuschalten der Zusatzantriebsvorrichtung 27 bei bestimmten Schaltvorgängen und stellt andererseits sicher, dass die Verfügbarkeit des Leistungsschalters 11 nicht geringer ist als die Verfügbarkeit von Leistungsschalter, die keine Zusatzantriebsvorrichtung aufweisen. Denn auch bei defekter und/oder blockierter Zusatzantriebsvorrichtung 27 kann alleine die Hauptantriebsvorrichtung 25 das Schaltelement 17 betätigen.
  • In einer nicht gezeigten Ausführungsform sind mehrere Schaltelemente 17, vorzugsweise drei Schaltelemente die zum Schalten einer Drehstromleitung, über mehrere Kurbelmechaniken 41 mit der Antriebswelle 45 verbunden. Bei den Schaltelementen kann es sich beispielsweise Vakuumschalter handeln. Auf diese Weise kann ein mehrphasiger Leistungsschalter 11 mit einer gemeinsamen Hauptantriebsvorrichtung 25 und einer gemeinsamen Zusatzantriebsvorrichtung 27 realisiert werden, dessen prinzipieller Aufbau in Figur 2 dargestellt ist.
  • Wie in Figur 5 gezeigt, kann die Zusatzantriebsvorrichtung 27 als Aktuator 29 einen elektromagnetischen Linearantrieb 49 aufweisen, der einen Antriebsbolzen 51 entlang seiner Längsrichtung bewegen kann. Der Linearantrieb 49 kann von der Steuereinrichtung 15 so angesteuert werden, dass er auf den Antriebsbolzen 51 eine Kraft in der Öffnungsrichtung 21 ausübt. Der Linearantrieb 49 kann eine als Elektromagnet wirkende Spule 50 aufweisen, die einen Anker 52 des Antriebsbolzens 51 in Öffnungsrichtung 21 zieht, wenn sie bestromt wird.
  • Ein mit der Betätigungswelle 39 fest verbundener Hebel 55 weist ein Langloch 57 auf. Ein vom Anker 52 abgewandter Endabschnitt 59 des Antriebsbolzens 51 ist derart in dem Langloch 57 verschiebbar gelagert, dass bei sich in geschlossener Stellung befindlichem Schaltelement 17 eine Bewegung des Antriebsbolzens 51 in Öffnungsrichtung 21 zu einer Bewegung der Betätigungswelle 39 beziehungsweise des Betätigungselements 19 in Öffnungsrichtung 21 führt, jedoch Bewegung des Betätigungselements 19 beziehungsweise eine Drehung der Betätigungswelle 39 in Öffnungsrichtung 21 nicht dazu führt, dass auf den Antriebsbolzen 51 eine Kraft in Öffnungsrichtung 21 ausgeübt wird. Im letzteren Fall bewegt sich der Endabschnitt 59 relativ zum Langloch 57. Die Betätigungswelle 39 kann sich somit angetrieben von der Hauptantriebsvorrichtung 25 unabhängig von der Zusatzantriebsvorrichtung in Öffnungsrichtung 21 drehen.
  • Auf diese Weise bildet der im Langloch 57 gelagerte Endabschnitt 59 ein unidirektional wirkendes Koppelelement 33.
  • Wie aus Figur 5 ersichtlich ist, bilden ein Hebel der Kurbelmechanik 41 und der Hebel 55 des Koppelelements 33 ein gemeinsames Bauteil. Abweichend hiervon kann jedoch auch ein gesondertes Bauteil für den Hebel 55 des Koppelelements 33 vorgesehen sein.
  • Im Folgenden wird anhand der Figuren 6 und 7 sowohl die Funktionsweise des Leistungsschalters 11 gemäß den unterschiedlichen Ausführungsformen als auch ein Verfahren zum Betreiben des Leistungsschalters 11 näher erläutert. Die Steuereinrichtung 15 kann zum Ausführen dieses Verfahrens eingerichtet sein. Beispielsweise kann sie eine digitale Logikschaltung und/oder einen programmierbaren Rechner aufweisen, der zum Ausführen des Verfahrens programmiert ist. Hierzu kann ein Computerprogramm vorgesehen sein, dass so programmiert ist, dass die Steuereinrichtung 15 das Verfahren ausführt, wenn das Programm auf dem Rechner der Steuereinrichtung ausgeführt wird. Es kann ein Speichermedium vorgesehen sein, auf dem ein solches Computerprogramm gespeichert ist. Bei dem Speichermedium kann es sich um magnetischen Speicher, optischen Speicher oder Halbleiterspeicher handeln. Das Speichermedium kann in die Steuereinrichtung 15 integriert sein.
  • In Figur 6 ist ein Flussdiagramm des Verfahrens 61 dargestellt. Das Verfahren 61 wird vorzugsweise gestartet, wenn das Schaltelement beziehungsweise die Schaltelemente 17 des Leistungsschalters 11 sich in einem geschlossenen Zustand befinden, das heißt deren Kontakte miteinander elektrisch verbunden sind. Nach einem Start 63 des Verfahrens wird ein Schritt 65 ausgeführt, in welchem das Verfahren 61 bleibt, bis ein Ereignis oder Betriebszustand vorliegt, aufgrund dessen das Schaltelement 17 geöffnet werden muss. Bei dem Ereignis oder Betriebszustand kann es sich beispielsweise um einen Fehler in einem elektrischen Energienetz oder um einen Bedieneingriff seitens Bedienpersonals des Energienetzes handeln.
  • In Figur 7 ist ein Verlauf des Stromes i(t) über der Zeit dargestellt. Man erkennt, dass der Stromverlauf i(t) asymmetrisch zur X-Achse ist, das heißt, dass der Strom i(t) eine negative Gleichstromkomponente aufweist. Im Schritt 65 wird erkannt, dass der Strom i(t) diese Gleichstromkomponente aufweist und dies als Fehler im Energienetz interpretiert. Es kann vorgesehen sein, dass die Steuereinrichtung 15 gemäß dem Verfahren 61 den Strom i(t) mittels des Stromsensors 37 erfasst.
  • Zu einem Ausschaltzeitpunkt CS entscheidet die Steuereinrichtung, dass das Schaltelement 17 geöffnet werden soll und beendet deshalb den Schritt 65, um mit einem Schritt 67 fortzufahren. Im Schritt 67 steuert die Steuereinrichtung 15 die Hauptantriebsvorrichtung 25 so an, dass sie das Betätigungselement 19 in Öffnungsrichtung 21 bewegt.
  • Anschließend ermittelt die Steuereinrichtung 15 in einer Verzweigung 69 einen Spitzenwert ip des erfassten Stromverlaufs i(t) und überprüft, ob der Spitzenwert ip größer ist als ein vorgegebener Schwellwert Th. Ist dies der Fall (Y) führt das Verfahren 61 einen Schritt 71 aus, in welchem die Steuereinrichtung 15 die Zusatzantriebsvorrichtung 27 so ansteuert, dass sie zusätzlich zur Hauptantriebsvorrichtung 25 das Betätigungselement in Öffnungsrichtung 21 antreibt und auf diese Weise die Bewegung des Betätigungselements in Öffnungsrichtung unterstützt, insbesondere beschleunigt. Hierdurch wird erreicht, dass sich die elektrischen Kontakte des Schaltelements 17 schneller voneinander wegbewegen, als dies der Fall wäre, wenn das Betätigungselement 19 lediglich durch die Hauptantriebsvorrichtung 25 angetrieben würde.
  • Ist der Spitzenwert ip des Stroms i(t) nicht größer als der Schwellwert Th, dann wird der Schritt 71 übersprungen, das heißt lediglich die Hauptantriebsvorrichtung 25 angesteuert.
  • Handelt es sich bei dem Koppelelement 33 um ein schaltbares Koppelelement 33, dann wird vor dem Schritt 71 ein Schritt 70 ausgeführt, in dem die Steuereinrichtung 15 den Kupplungsaktuator 35 so ansteuert, dass der Aktuator 39 mit dem Betätigungselement beziehungsweise der Betätigungswelle 39 mechanisch gekoppelt ist. Bei dem Leistungsschalter mit dem nicht schaltbaren, unidirektional wirkenden Koppelelement 33 kann der Schritt 70 weggelassen werden.
  • Durch die Verzweigung 69 wird erreicht, dass die Zusatzantriebsvorrichtung nur dann aktiviert wird, wenn der Spitzenwert ip des Stroms i(t) größer ist als der Schwellwert Th. Denn nur bei einem solch großen Spitzenwert ip ist die relativ schnelle Bewegung der Kontakte des Schaltelements voneinander weg erforderlich, um eine zuverlässige Trennung einer elektrischen Leitung mittels des Schaltelements 17 zu erreichen, insbesondere um eine Rückzündung eines Lichtbogens zwischen den Kontakten zu vermeiden. Bei dem Spitzenwert handelt es sich um eine Größe, die den Strom i(t) charakterisiert. Abweichend von der gezeigten Ausführungsform kann auch eine andere Größe, beispielsweise ein Effektivwert des Stromes i(t), herangezogen werden. Es kann in der Verzweigung 69 auch ein Entscheidungskriterium vorgesehen werden, das auf mehreren Größen beruht, die den Strom i(t) charakterisieren und/oder vom Strom i (t) abhängen.
  • In Figur 7 ist der Stromverlauf i(t) eines erfolgreichen Abschaltvorgangs dargestellt. Die Kontakte beginnen zum Zeitpunkt CS sich, angetrieben von der Hauptantriebsvorrichtung 25, gegebenenfalls unterstützt von der Zusatzantriebsvorrichtung 27 voneinander wegzubewegen. Hierbei entsteht zwischen den Kontakten ein Lichtbogen, sodass der Strom i(t) zunächst durch den Lichtbogen weiterfließt. Zum Zeitpunkt t1 des ersten Nulldurchgangs nach dem Zeitpunkt CS haben sich die Kontakte noch nicht vollständig voneinander entfernt, sodass es nach dem Zeitpunkt t1 zu einer Rückzündung kommt und ein neuer Lichtbogen entsteht, der in der auf den Zeitpunkt t1 folgenden Halbschwingung einen erneuten Stromfluss ermöglicht. Am darauffolgenden Nulldurchgang des Stromes i(t), das heißt zum Zeitpunkt t2, sind die Kontakte bereits so weit voneinander entfernt, das es zu keiner erneuten Zündung des Lichtbogens kommt. Ab dem Zeitpunkt t2 ist ein durch das Schaltelement 17 verlaufender Stromkreis vollständig getrennt. Man erkennt, dass ab diesem Zeitpunkt t2 die Spannung u(t) an dem Schaltelement 17 anzusteigen beginnt. Der Spannungsverlauf u(t) weist in der ersten Halbschwingung nach dem Zeitpunkt t2 eine Einschwingspannung auf, die auch als Transient Recovery Voltage (TRV) bezeichnet wird. Nachdem die Einschwingspannung TRV abgeklungen ist, entspricht der Spannungsverlauf u(t) zumindest im Wesentlichen einem sinusförmigen Verlauf der Netzspannung.
  • Die in Figur 6 hervorgehoben dargestellte Fläche P unter der Kurve des Stromverlaufs i(t) kennzeichnet die Energie die der Lichtbogen zwischen den Kontakten des Schaltelements 17 abgibt. Aufgrund dieser Energie wird eine gewisse Menge an Metall von den Kontakten abgelöst und als Metalldampf an die Umgebung der Kontakte abgeben. Der Metalldampf stellt Ladungsträger bereit, die den Lichtbogen aufrechterhalten. Erst nach dem zweiten Nulldurchgang zum Zeitpunkt t2 ist die Trennstrecke zwischen den Kontakten hinreichend groß, um ein Rückzünden des Lichtbogens trotz des transitiven Anteils TRV an der Spannung u(t) zu vermeiden.
  • Bei einer größeren Amplitude des Stroms i(t) wird durch den Lichtbogen mehr Energie freigesetzt. Denn die markierte Fläche unter der Kurve des Stromverlaufs i(t) nach dem Zeitpunkt CS ist in diesem Falle größer.
  • Beispielsweise gelingt für den Fall, dass die Amplitude des Stroms i(t) gegenüber einer normalerweise auftretende Amplitude soweit erhöht ist, dass die innerhalb einer Halbschwingung freigegebenen Energie derjenigen Energie entspricht, die bei dem Strom mit der normalerweise auftretenden Amplitude innerhalb von zwei Halbschwingung freigesetzt wird, eine zuverlässige Trennung des Stromkreises dann, wenn eine Dichte des Metalldampfs dieselbe ist oder geringer ist als im Fall der normalen Amplitude. Die Beibehaltung oder Verringerung der Dichte an Metalldampf wird dadurch erreicht, dass im Falle eines erhöhten Stroms (ip > Th) die Kontakte des Schaltelements 17 in Folge des Antriebs durch die Zusatzantriebsvorrichtung 27 schnell voneinander wegbewegt werden. Die Trennstrecke weist zwar dieselbe Länge auf, jedoch gelingt es mit Hilfe der Zusatzantriebsvorrichtung, diese Länge (Abstand zwischen den Kontakten) schneller zu erreichen.
  • In einem Schritt 73 wird gemäß dem Verfahren 61 abgewartet, bis das Schaltelement 17 wieder geschlossen ist. Es kann vorgesehen werden, dass während des Schritts 73 die Koppeleinrichtung 33 durch entsprechende Ansteuerung des Kupplungsaktuators 35 geöffnet wird und/oder der Aktuator 29 durch entsprechende Ansteuerung durch die Steuereinrichtung 15 in eine Ausgangsposition zurückgestellt wird, von der aus der Aktuator 29 das Betätigungselement 19 erneut in Öffnungsrichtung 21 betätigen kann. Somit kann die Zusatzantriebseinrichtung 27 die Bewegung des Betätigungselements 19 in mehreren aufeinander folgenden Öffnungs- und Schließvorgängen des Schaltelements 17 unterstützen. Sobald das Schaltelement 17 wieder geschlossen ist, kehrt das Verfahren 61 zum Schritt 65 zurück.
  • Insgesamt stellt die Erfindung die
    Zusatzantriebsvorrichtung 27 bereit, die bei Bedarf, beispielsweise wenn der Spitzenwert ip größer als der Schwellwert Th ist, den Öffnungsvorgang beschleunigen kann, indem sie die Hauptantriebsvorrichtung 25 beim Bewegen des Betätigungselements 19 in die Öffnungsrichtung 21 unterstützt.
  • Obwohl die Erfindung hier vor allem in Zusammenhang mit der Bewegung des Betätigungselements in die Öffnungsrichtung 21 kann sie entsprechend auch im Zusammenhang mit der Bewegung des Betätigungselements in Schließrichtung 23 angewendet werden, sodass die Bewegung in Schließrichtung 23 fallweise mittels der Zusatzantriebsvorrichtung unterstützt werden kann.
  • Der hier beschriebene Leistungsschalter 11 kann beispielsweise dadurch hergestellt werden, dass ein herkömmlicher Leistungsschalter, der nur die Hauptantriebsvorrichtung 25 aufweist, mit der Zusatzantriebsvorrichtung 27 nachgerüstet wird. Ein solcher Leistungsschalter kann außerdem so nachgerüstet oder eingerichtet werden, dass er das hier beschriebene Verfahren 61 ausführt.

Claims (11)

  1. Leistungsschalter (11) zum Schalten insbesondere von Mittelspannung, mit mindestens einem Schaltelement (17) und einer Hauptantriebsvorrichtung (25), die zum Bewegen eines Betätigungselements (19) des Schaltelements (17)eingerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Leistungsschalter (11) eine unabhängig von der Hauptantriebsvorrichtung (25) aktivierbare Zusatzantriebsvorrichtung (27) aufweist, die mittels eines Koppelelements (33) des Leistungsschalters (11) mit dem Betätigungselement (19) derart gekoppelt ist, dass sie eine von der Hauptantriebsvorrichtung (25) verursachte Bewegung des Betätigungselements (19) unterstützen kann.
  2. Leistungsschalter (11) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatzantriebsvorrichtung (27) einen Energiespeicher (31) aufweist, der so bemessen ist, dass er eine zum Betätigen eines Aktuators (29) der Zusatzantriebsvorrichtung (27) notwendige Energie speichern kann.
  3. Leistungsschalter (11) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatzantriebsvorrichtung (27) einen elektromagnetischen Aktuator (29) aufweist und/oder dass der Energiespeicher (31) zum Speichern von elektrischer Energie eingerichtet ist.
  4. Leistungsschalter (11) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher (31) mindestens einen Kondensator und/oder eine Batterie umfasst.
  5. Leistungsschalter (11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatzantriebsvorrichtung (27) eine mittels des Aktuators (29) der Zusatzantriebsvorrichtung antreibbare Antriebswelle (45) und der Leistungsschalter (11) eine Betätigungswelle (39) aufweist, die zum Bewegen des Betätigungselements (19), vorzugsweise in die Öffnungsrichtung (21), drehbar gelagert ist.
  6. Leistungsschalter (11) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Koppelelement (33) eine Kupplung (43), vorzugsweise eine schaltbare Kupplung oder einen Freilauf aufweist, die die Antriebswelle (45) und die Betätigungswelle (39) miteinander koppelt.
  7. Leistungsschalter (11) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator (29) der Zusatzantriebsvorrichtung (27) ein Linearantrieb (49) ist.
  8. Leistungsschalter (11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Leistungsschalter (11) eine Steuereinrichtung (15) aufweist, die zum Erfassen oder Ermitteln einer Größe (ip), die einen durch das geschlossene Schaltelement (17) fließenden Strom (i(t)) charakterisiert, und zum Ansteuern des Aktuators (29) der Zusatzantriebvorrichtung (27) derart eingerichtet ist, dass der Aktuator (29) nur dann aktiviert wird, wenn die Größe (ip) einen Wert des Stromes (i(t)) charakterisiert, der größer ist als ein vorgegebener Schwellwert (Th).
  9. Verfahren (61) zum Betreiben eines Leistungsschalters (11) zum Schalten insbesondere von Mittelspannung, mit einem Schaltelement (17) und einer Hauptantriebsvorrichtung (25), wobei das Verfahren umfasst: Bewegen (67) eines Betätigungselements (19) des Schaltelements (17) mittels der Hauptantriebsvorrichtung (25), dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren umfasst: Aktivieren (71) einer Zusatzantriebsvorrichtung (27) des Leistungsschalters (11), um das besagten Bewegens des Betätigungselements (19) zu unterstützen.
  10. Verfahren (61) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren (61) umfasst:
    Erfassen (69) oder Ermitteln einer Größe (ip), die einen durch das geschlossene Schaltelement fließenden Strom (i(t)) charakterisiert, und Aktivieren (70) der Zusatzantriebsvorrichtung (27) nur dann, wenn die Größe einen Wert des Stromes (i(t)) charakterisiert, der größer ist als ein vorgegebener Schwellwert (Th).
  11. Verfahren (11) nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Aktivieren (71) der Zusatzantriebsvorrichtung (27) die Zusatzantriebsvorrichtung (27) mit dem Betätigungselement (19) durch Ansteuern (70) eines Koppelelements (33), vorzugsweise eines Kupplungsaktuators (35) des Koppelelements (33), gekoppelt wird
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