EP2822013A1 - Hochspannungsleistungsschalter mit Hochspannungs-Schalteinheit - Google Patents

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EP2822013A1
EP2822013A1 EP13175296.6A EP13175296A EP2822013A1 EP 2822013 A1 EP2822013 A1 EP 2822013A1 EP 13175296 A EP13175296 A EP 13175296A EP 2822013 A1 EP2822013 A1 EP 2822013A1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
contact
switching unit
circuit breaker
movement
voltage circuit
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP13175296.6A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Florian Brandl
Jakub Korbel
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
ABB Technology AG
Original Assignee
ABB Technology AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ABB Technology AG filed Critical ABB Technology AG
Priority to EP13175296.6A priority Critical patent/EP2822013A1/de
Priority to CN201410457732.3A priority patent/CN104282480A/zh
Publication of EP2822013A1 publication Critical patent/EP2822013A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H3/00—Mechanisms for operating contacts
    • H01H3/32—Driving mechanisms, i.e. for transmitting driving force to the contacts
    • H01H3/42—Driving mechanisms, i.e. for transmitting driving force to the contacts using cam or eccentric
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H3/00—Mechanisms for operating contacts
    • H01H3/60—Mechanical arrangements for preventing or damping vibration or shock
    • H01H3/605—Mechanical arrangements for preventing or damping vibration or shock making use of a fluid damper
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H33/00—High-tension or heavy-current switches with arc-extinguishing or arc-preventing means
    • H01H33/02—Details
    • H01H33/04—Means for extinguishing or preventing arc between current-carrying parts
    • H01H33/16—Impedances connected with contacts
    • H01H33/166—Impedances connected with contacts the impedance being inserted only while closing the switch

Definitions

  • the invention relates to a high-voltage circuit breaker having a main current path and a secondary current path, wherein a resistor in the secondary current path can be switched by means of a high-voltage switching unit in the circuit.
  • a switch with improved switching characteristics.
  • a high voltage circuit breaker with Maustrompfad is from the US 4,499,350 known.
  • This known high-voltage circuit breaker has a main current path, which is separable by means of an interrupter unit. Parallel to the main current path, a secondary current path is guided, in which a switch and an on-resistance are connected in series. The on-resistance is switched on shortly before the closing of the contact arrangement of the interrupter unit in the circuit, such that the load current flows just before the closing of the main current path exclusively through the secondary current path with the on-resistance. Consequently, the insertion of the on-resistance into the circuit occurs under load.
  • a movable breaker contact of the breaker unit is driven by a drive unit.
  • Another gas-insulated, encapsulated high-voltage circuit breaker is from US 2,117,975 A known.
  • This high voltage circuit breaker has an interrupter unit. Parallel to this interrupter unit, a switch and an on-resistance are arranged, wherein the switch is connected in series to the on-resistance. A contact of the switch for switching on the on-resistance is moved along an axis.
  • the WO2009 / 034022 A1 shows a high-voltage circuit breaker with an interrupter unit, a turn-on and a series-connected to the on-resistance switch.
  • the interrupter unit has a movable, driven first break contact, which is used to open and close the high voltage circuit breaker interacts with a second breaker contact.
  • the switch connected in series with the on-resistance has a movable switching contact whose movement is mechanically coupled by means of a gear to the movement of the first breaker contact.
  • the switching contact is designed to be movable so that the switching contact for inserting the on-resistance is rotatable about an axis of rotation.
  • the object of the invention is to develop a known high-voltage circuit breaker such that it overcomes the disadvantages of the prior art, in particular has a more favorable switching characteristic.
  • a high voltage switching unit for switching a turn-on resistance into a sub-current path in a gas-insulated high-voltage circuit breaker. It comprises a switching contact movably mounted between a first end position and a second end position about an axis of rotation, wherein the switching contact in the second end position is connectable to a countercontact associated with the on-resistance, a gearbox for mechanically coupling a movement of the switching contact to the movement of a breaker contact is designed to synchronize the opening and closing movement of the switching contact with the movement of the breaker contact, at least one damping element which is adapted to decelerate in an end phase of an opening movement of the switching contact at the first end position whose movement, wherein the damping effect of at least a damping element is designed such that a rebound of the switching contact from the first end position in the direction of the mating contact during operation of the high-voltage switching unit is avoidable.
  • Another aspect relates to a gas-insulated high-voltage circuit breaker. It comprises an interrupter unit with a movable, driven first interrupter contact, which cooperates with a second interrupter contact for opening and closing the high-voltage circuit breaker, a starting resistor, and a high-voltage switching unit for switching the on-resistance into the current path.
  • the high-voltage switching unit comprises a switching contact movably mounted between a first end position and a second end position about an axis of rotation, the switching contact being in the second end position with a countercontact associated with the on-resistance a transmission adapted to mechanically couple a movement of the switching contact to the movement of a breaker contact of the high voltage circuit breaker to synchronize the opening and closing movement of the switching contact with the movement of the break contact, at least one damping element adapted to a deceleration effect of the at least one damping element is designed such that a rebound of the switching contact from the first end position in the direction of the mating contact during operation of the high-voltage switching unit can be avoided.
  • Another aspect relates to a gas-insulated switchgear with a high-voltage circuit breaker and a high-voltage switching unit comprising at least one damping element.
  • Fig. 1 an embodiment of a high-voltage switching unit according to the invention for switching on and off of a turn-on in a secondary current path of a high-voltage circuit breaker;
  • Fig. 2 shows a schematic representation of a circuit diagram of a high voltage circuit breaker with the high voltage switching unit of Fig. 1 ;
  • Fig. 3 shows a front view of a damping element of a high-voltage switching unit according to embodiments according to the Fig. 1 ;
  • Fig. 4 shows a schematic cross-sectional view of the damping element of Fig. 3 ;
  • Fig. 5 shows a schematic cross-sectional view of a high-voltage circuit breaker with a high-voltage switching unit according to the Fig. 1 ;
  • Fig. 6 shows graphically the recording of the movement of a switching contact of a high-voltage switching unit according to embodiments, in comparison with the same course in a conventional high-voltage switching unit.
  • the switching operation for switching the on resistance to the circuit is made as fast as possible, typically in the range of a few milliseconds.
  • the switching contact in the secondary current path is moved by a mechanical coupling with the movable breaker contact of the breaker unit of the high-voltage circuit breaker.
  • the secondary current path is switched on and off in embodiments by a switching contact, which is designed as a rotatable lever or arm about an axis.
  • the axis of rotation is typically, but not necessarily, in the region of one of the longitudinal ends of the switching contact, while the other end is freely rotatable about the axis of rotation.
  • the contact zone At the rotatable end region of the arm is the contact zone, which in a second end position of the switching contact with a the on-resistance assigned Mating contact is connected. In this second end position of the secondary current path is closed, and the on-resistance is connected in series in the circuit.
  • This condition is typically maintained for only a few milliseconds before the switch contact is moved back towards its first end position by coupling with the movable breaker contact of the high voltage circuit breaker at high speed.
  • this first end position of the secondary current path is open, that is, the on-resistance is not connected in the current path of the high-voltage circuit breaker.
  • the first end position is the switching contact, while the high-voltage circuit breaker is permanently open or closed, ie in a stationary state of the high-voltage circuit breaker.
  • the second end position in which the secondary current path is closed and the series resistor is connected in the circuit, on the other hand, is taken only during the switch-on process of the high-voltage circuit breaker for a few milliseconds.
  • a damping element is used in embodiments.
  • This is typically a gas damper.
  • the damping element brakes the switch contact at the end of its opening movement.
  • the damping element typically comprises a gas as a damping medium, which is pressed during the braking or damping process through at least one opening or a channel. Due to the flow resistance of the gas when passing through the narrowing of the channel or the opening, as well as by the inertia of the gas volume moved thereby, the kinetic energy of the switching contact is converted into heat and defined the switching contact and controlled brakes.
  • a spring is typically provided, which forms a mechanically oscillatory system or an oscillator together with the damper comprising the gas and the mass of the moving parts of the gas damper.
  • the components of this oscillatory system are tuned so that upon impact of the switching contact on the damping element, the system behaves according to the aperiodic limiting case. This means that no periodic oscillation arises, but the damping element from its deflection by the impact and the damped braking of the switch contact directly attenuated returns to its original or rest position.
  • Fig. 1 shows a high-voltage switching unit 15 according to embodiments for switching a turn-on resistor 18 in a parallel Maustrompfad a gas-insulated high-voltage circuit breaker 10.
  • the high-voltage switching unit 15 includes a switching contact 20 which is movably mounted about a rotation axis L.
  • the axis of rotation L is typically fixedly attached to the housing of the high voltage circuit breaker 10, in which the high voltage switching unit 15 is used.
  • the switching contact 20 is rotatable between a first end position E1 and a second end position E2.
  • the first end position E1 is a Maustrompfad 13 with a turn-on resistor 18 (see Fig. 2
  • the second end position E2 which is typically occupied by the switching contact 20 in each case only for a few milliseconds during operation, the secondary flow path 13 is closed and the on-resistance 18 is parallel to the main current path 11 of the high voltage circuit breaker connected.
  • the switching contact is briefly in the end position E2
  • a contact piece 70 of the switching contact 20 is connected in the second end position E2 with a connected to the on-resistance mating contact 21, which switches the Maustrompfad 13 with the on-resistance 18 in the circuit.
  • the high-voltage switching unit 15 can also be considered as a pushbutton or as provided with a pushbutton functionality.
  • the first end position E1 and the second end position E2 are each shown in dashed lines. The associated different positions of the movable first breaker contact 35 and the transmission 30 are not shown for purposes of illustration.
  • the movable breaker contact 35, the breaker contact 36, and the fastener 37 for the switching contact 20 do not belong to the high-voltage switching unit 15 according to embodiments. They belong to embodiments of an inventive high-voltage circuit breaker 10, which is the high-voltage switching unit 15 with include (see Fig. 5 ), and are in Fig. 1 only for reasons of better understanding of the function of the high-voltage switching unit 15 located.
  • the movable breaker contact 35 typically moves linearly along an axis B during the switching process of the gas-insulated high-voltage circuit breaker 10 and cooperates with a second, typically stationary break contact 36.
  • the gear 30 and the spatial position of the high-voltage switching unit 15 to the movable breaker contact 35 is designed to convert the linear switching movement of the movable breaker contact 35 of the high-voltage circuit breaker 10 in a rotational movement about the axis of rotation L.
  • the combination of gear 30, the mechanical coupling thereof via the pivot 31 to the movable breaker contact 35, and the switch contact 20 is adapted to the rotational opening and closing movement of the switch contact 20 between the first end position E1 and the second end position E2 with the typically linear movement of the breaker contact 35 to synchronize.
  • This operation is the expert from the prior art, such as from WO 2009/034022 A1 known.
  • the high-voltage switching unit 15 is designed in embodiments such that the mechanical coupling of the switching contact 20 to the movement of a movable breaker contact 35 takes place only during a period t during the closing of the high-voltage circuit breaker 10. This is determined or determined in particular by the shape of the transmission 30.
  • the time period t is typically shorter than the total duration of the closing movement of the high-voltage circuit breaker 10.
  • At least one damping element 40 is provided. It is designed, in a final phase of an opening movement of the switching contact 20 at the first end position E1 to decelerate or dampen its movement in a defined manner.
  • the damping element 40 prevents the switching contact 20 experiences a double pulse by impact with a stationary element 116 at the first end position E1 and again strikes back undesirable in the opposite direction of the end position E2. In this undesirable case, e.g. an arc that has arisen when opening the switch contact 20 from the second end position, flare up again.
  • the damping effect of the at least one damping element 40 is typically designed such that such a rebounding of the switching contact 20 from the first end position E1 in the direction of the mating contact 21 and the second end position E2 during operation of the high-voltage switching unit 15 can be avoided or avoided.
  • the damping element 40 in conjunction with the switching contact 20 and the transmission 30, allows a desired rapid opening of the switching contact 20 without risking the disadvantages of rebounding of the switching contact from the first end position E1 due to the increased speed.
  • the switching contact 20 is made of lightweight construction, i. approximately provided with recesses and reduced in cross section.
  • a light metal such as aluminum or its alloys may be used.
  • the damping element 40 opens a faster, more precise and more defined switching operation without the described risk of an increased likelihood of a rebound of the switching contact 20 via various effects.
  • the damping element typically comprises a gas as a damping medium, which is pressed through at least one opening 44 or a channel. Due to the flow resistance of the gas when passing through the narrowing of the channel or the opening 44, as well as by the inertia of the gas volume moved thereby, the kinetic energy of the switching contact 20 is converted and the switching contact braked.
  • a spring is typically provided inside the damping element 40 (in FIG Fig. 1 not shown), which together with the moving gas and the mass of the moving parts of the damping element 40, a mechanically oscillatory system or forms an oscillator.
  • the components of this oscillatory system are tuned so that upon impact of the switch contact on the damping element 40, the system braked with the course of an aperiodic limit case. That is, the damping element 40 is compressed upon impact of the switching contact 20, and then by the spring again in the direction of its initial position or to its output variable (in the direction of the axis of movement of the element) to be moved. Due to the design for the aperiodic limit case, also referred to as critical damping, no overshoot of the damping element and of the switch contact occurs via the initial position of the damping element. Rather, the damping element returns damped to its output variable or output height and also moves the switching contact again defined and damped a piece in the opposite direction of its previous opening movement of E2 to E1.
  • FIG Fig. 2 The schematic diagram of a high-voltage circuit breaker 10 with a high-voltage switching unit 15 according to exemplary embodiments as described above is shown in FIG Fig. 2 shown.
  • a main current path 11 can be switched or interrupted by means of an interrupter unit 14. This typically includes a first movable break contact 35, a second break contact 36, and a movable break contact 35 drive unit (not shown in FIG Fig. 2 , please refer Fig. 1 and Fig. 5 ).
  • Parallel to the main current path 11, a secondary current path 13 is guided, which in series with one another has the high-voltage switching unit 15 according to exemplary embodiments and an on-resistance 18.
  • Such high voltage circuit breakers 10 are used for switching currents in networks of over 400 kV (kilovolts), in particular of over 500 kV, in gas-insulated high-voltage switchgear.
  • gas-insulated switchgear for example, sulfur hexafluoride (SF 6 ) is used as the insulating gas in the gas space 100.
  • SF 6 sulfur hexafluoride
  • a high voltage circuit breaker 10 according to embodiments may be used instead of in a gas-insulated switchgear in a hybrid switchgear, in which elements of the gas-insulated switchgear assembly technology are combined with elements of air-insulated switchgear engineering.
  • a single high-voltage switching unit 15 instead of a single high-voltage switching unit 15, several high-voltage switching units in series with each other be arranged.
  • the operation of a high voltage circuit breaker 10 according to embodiments is with reference to Fig. 5 detailed.
  • a damping element 40 is designed in accordance with embodiments to use an insulating gas of the high-voltage circuit breaker 10 as a damping medium. That is, an inner volume V of the damping element 40 communicates with the surrounding gas space 100 via at least one channel or opening, which is typically provided in the housing of the damping element 40.
  • FIG Fig. 3 A schematic structure of such a damping element 40 according to exemplary embodiments is shown in FIG Fig. 3 shown. It typically includes a base member 41 that is stationarily connected approximately to a stationary member 116 of the housing of the high voltage circuit breaker 10, such as in FIG Fig. 1 schematically shown by the hatched lines above the element 116 and the damping element 40. On the base member 41, a stop member 42 is movably mounted.
  • the volume V typically but not necessarily communicates with the gas space 100 of the gas-insulated high-voltage circuit breaker.
  • one or more openings 44 or channels can be provided. In Fig. 4 these are provided in the base element 41. In embodiments, they may alternatively or additionally be provided in the stop element 42.
  • the cross-section of the openings is one of the determining factors for the damping behavior of the system of switching contact 20.
  • the stop member 42 is movable along the axis C relative to the fixed base member 41.
  • Fig. 4 a sectional drawing of the damping element 40 is shown.
  • the spring 46 is provided in embodiments to receive a portion of the kinetic energy of the switch contact 20 while it is being decelerated. While the stopper member 42 is moved by the striking switch contact 20 (in FIG. 3 and FIG. 4 this would be vertically down, in the realization as in the Fig. 1 obliquely above, with respect to a footprint of the high power switch), the volume V between the base member 41 and the stopper member 42 is compressed and the gas therein is partially forced through the opening (s) 44 in the outer region of the damping element 40. This is typically the surrounding gas space 100 of the high power switch, which is typically about filled with SF 6 under overpressure.
  • Embodiments also relate a gas-tight closed damping element, in which, when compressed, the gas within the damping element 40 flows from a first internal volume into a second internal volume through openings (not shown).
  • the preferred use of the gas space 100 of the high-voltage circuit breaker 10 has approximately the advantage that it is not necessary to pay attention to the permanent absolute gas-tightness of the housing of the damping element 40.
  • the combination of the strength of the spring 46 and the cross section of the openings 44 is typically tuned as mentioned, that a critical damping of the movement of the switch contact upon reaching the end position E1 and striking the damping element 40 is achieved.
  • the gas therein exits through the orifice (s) 44, the flow resistance at the orifices 44 or channels inhibiting the movement of the gas, thereby creating a pressure increase in the volume V.
  • the damping element 40 is typically designed such that it brakes the switching contact 20 to a maximum of the last 10%, preferably the last 5%, of the path of its opening movement between the second end position E2 and the first end position E1.
  • the distance is expediently measured in angular units of the angle ⁇ of the rotation of the switching contact about the axis L, or the distance traveled by a location on the switching contact on the circular motion. In other mechanical configurations and embodiments, in which approximately the switching contact 20 performs a linear movement, this applies analogously.
  • the gear 30 is connected via a pivot 31 with a driver 32 which is designed for permanent attachment to a movable breaker contact 35 of a high voltage circuit breaker 10.
  • the high voltage switching unit 15 includes one, two or more damping elements 40.
  • damping elements 40 For two damping elements 40, as in FIG Fig. 1 It is advantageous that the braking force acts through the damping elements 40 at several points of the switching contact 20. As a result, a deformation of the switching contact 20 by a punctual or small-scale effect of brake force, which may be the case with only one damping element 40, can be avoided.
  • only one damping element 40 may be provided that has approximately an elongated extension in the direction of a longitudinal axis of the switching contact 20 (not shown) in order to achieve a larger-scale engagement of the braking force and thus to reduce dynamic deformation of the switching contact 20 during braking.
  • the switching contact 20 may be executed in embodiments as already mentioned in lightweight construction, which can lead to a higher susceptibility to dynamic deformations.
  • a lightweight construction of the switching contact 20 can be advantageously added structurally.
  • the lightweight construction for example by choosing a material with a relatively low density, or by milling or recesses in the material of the switching contact 20, thereby supporting a fast switching operation.
  • the high-voltage switching unit 15 is off Fig. 1 used in high voltage circuit breakers 10.
  • a high-voltage circuit breaker 10 has a first housing part 52, in which the high-voltage switching unit 15 and an interrupter unit 14 is arranged, and parallel to the first housing part 52, a second housing part 56, in which the on-resistance 18 is arranged.
  • the first housing part 52 as well as the second housing part 56 are made of a metal, in particular aluminum and are in operation of the gas-insulated switchgear at ground potential. They typically form an encapsulated common gas space 100.
  • the first housing part 52 as well as the second housing part 56 are respectively provided at both ends with connecting end portions 60, 61, 62, 63, which allow the first housing part 52 to be coupled to the second housing part 56.
  • the connecting end regions 60, 61, 62, 63 each have lateral connection sockets 64, 65, 66, 67 with flanges.
  • the first housing part 52 as well as the second housing part 56 is substantially tubular.
  • the interrupter unit 14 is arranged within the substantially tubular portion of the second housing part 56 of the on-resistance 18 arranged, which is arranged substantially along a second housing axis A2 defined by the tubular portion.
  • a known drive unit 71 is coupled, by means of which the high-voltage switching unit 15 for switching on and off of the Einschaltwiderstands 18 or to interrupt the Maustrompfades 13, as well as the interrupter unit 14 is driven to interrupt the main flow path 11 .
  • the switch 15 is arranged within that connection end region 60 of the first housing part 52, which adjoins the drive unit 71.
  • the mechanical connection between the drive unit 71 and the switch 15 as the interrupter unit 14 is made via a drive rod 74 made of insulating material, which extends in the direction of the first housing axis A1 and is moved by the drive unit 71 in the direction of the first housing axis A1. By a gas-tight passage, the drive rod 74 is guided from outside the first housing part 52 into this.
  • the two connecting end regions 60, 61 of the first housing part 52 each have an outlet connection 76, by means of which the high-voltage circuit breaker 10 can be connected to other elements of a gas-insulated switchgear.
  • the outlet connection pieces 76 are arranged laterally with respect to the first housing axis A1, opposite the connection pieces 64, 65.
  • a conductor 80 In order to connect the high-voltage circuit breaker 10 electrically with other elements of the gas-insulated switchgear, runs through the outlet connection 76 of the drive-side Kirsend Schemes 60, a conductor 80, by means of known insulation elements (not shown) spaced from the first housing part 52 is held.
  • the conductor 80 extends from the opening of the outlet nozzle 76 to the high voltage switching unit 15.
  • the conductor 80 is electrically connected to the switching contact 20 of the high voltage switching unit 15 and to a movable first breaker contact 35 of the breaker unit 14.
  • a fixed counterpart contact 21, described below, of the switch 15, which cooperates with the movable switching contact 20 for closing the switch 15, is arranged within the connection piece of the drive-side connection end region 60 of the first housing part 52. From the mating contact 21, a conductor 81 passes through the drive-side connection end region 62 of the second housing part 56 and connects the mating contact 21 with a first connection contact 90 of the on-resistance 18.
  • a second terminal contact 92 of the on-resistance 18 is connected via a further conductor 82, which extends through the connection end 63 of the second housing part 56, to a conductor 83 which extends from the connection piece 65 of the connection end region 61 of the first housing part 52 facing away from the drive unit 71 to the outgoing branch 76 of the same connection end 61 extends.
  • this conductor 83 is also a for closing the breaker unit 14 specific second breaker contact 36 is connected.
  • the conductors 80, 81, 82, 83 are held by known, disc-shaped or conical insulators within the first and second housing part 52, 56 such that they in the radial direction to the conductor 80, 81, 82, 83 as uniform distances to the first or second housing part 52, 56 have.
  • Fig. 6 Graphically represents the measured switching profile of a high-voltage circuit breaker 15 according to embodiments (as crosses or cross points shown measuring points), from the first end position E1 to the second end position E2 and back as a time course of the angular position ⁇ (relative units) on the x-axis.
  • Embodiments also relate to a gas-insulated switchgear (GIS) comprising a high-voltage circuit breaker 10 with a high-voltage switching unit 15 having at least one damping element 40.
  • GIS gas-insulated switchgear

Landscapes

  • Circuit Breakers (AREA)
  • Gas-Insulated Switchgears (AREA)

Abstract

Hochspannungs-Schalteinheit (15) zum Schalten eines Einschaltwiderstandes in einen Strompfad in einem gasisolierten Hochspannungsleistungsschalter, umfassend einen zwischen einer ersten Endlage (E1) und einer zweiten Endlage (E2) um eine Drehachse (L) beweglich gelagerten Schaltkontakt (20), wobei der Schaltkontakt (20) in der zweiten Endlage (E2) mit einem dem Einschaltwiderstand zugeordneten Gegenkontakt (21) verbindbar ist, ein Getriebe (30), das zur mechanischen Kopplung einer Bewegung des Schaltkontakts (20) an die Bewegung eines Unterbrecherkontakts des Hochspannungsleistungsschalters ausgelegt ist, um die Öffnungs- und Schliessbewegung des Schaltkontakts (20) mit der Bewegung des Unterbrecherkontakts (35) zu synchronisieren, mindestens ein Dämpfungselement (40), das dazu aus-gelegt ist, in einer Endphase einer Öffnungsbewegung des Schaltkontakts (20) bei der ersten Endlage (E1) dessen Bewegung abzubremsen, wobei der Dämpfungseffekt des mindestens einen Dämpfungselements (40) derart ausgelegt ist, dass ein Zurückprallen des Schaltkontakts (20) aus der ersten Endlage (E1) in Richtung des Gegenkontakts (21) im Betrieb der Hochspannungs-Schalteinheit (15) vermeidbar ist. Zudem wird ein Hochspannungsleistungsschalter (10) und eine gasisolierte Schaltanlage mit einer derartigen Hochspannungs-Schalteinheit (15) bereitgestellt.

Description

    TECHNISCHES GEBIET
  • Die Erfindung betrifft einen Hochspannungsleistungsschalter mit einem Hauptstrompfad und einem Nebenstrompfad, wobei ein Widerstand im Nebenstrompfad mittels einer Hochspannungs-Schalteinheit in den Stromkreis geschaltet werden kann. Insbesondere betrifft sie einen derartigen Schalter mit verbesserter Schaltcharakteristik.
    • STAND DER TECHNIK
  • Ein Hochspannungsleistungsschalter mit Nebenstrompfad ist aus der US 4,499,350 bekannt. Dieser bekannte Hochspannungsleistungsschalter weist einen Hauptstrompfad auf, der mittels einer Unterbrechereinheit trennbar ist. Parallel zum Hauptstrompfad ist ein Nebenstrompfad geführt, in welchem ein Schalter und ein Einschaltwiderstand in Serie zueinander geschaltet sind. Der Einschaltwiderstand wird kurz vor dem Schliessen der Kontaktanordnung der Unterbrechereinheit in den Stromkreis eingeschaltet, derart, dass der Laststrom kurz vor dem Schliessen des Hauptstrompfades ausschliesslich durch den Nebenstrompfad mit dem Einschaltwiderstand fliesst. Folglich erfolgt das Einfügen des Einschaltwiderstandes in den Stromkreis unter Last. Ein beweglicher Unterbrecherkontakt der Unterbrechereinheit ist von einer Antriebseinheit angetrieben.
  • Ein weiterer gasisolierter, gekapselter Hochspannungsleistungsschalter ist aus der US 2,117,975 A bekannt. Dieser Hochspannungsleistungsschalter weist eine Unterbrechereinheit auf. Parallel zu dieser Unterbrechereinheit sind ein Schalter und ein Einschaltwiderstand angeordnet, wobei der Schalter seriell zum Einschaltwiderstand geschaltet ist. Ein Kontakt des Schalters zum Einschalten des Einschaltwiderstandes wird entlang einer Achse bewegt.
  • Die WO2009/034022 A1 zeigt einen Hochspannungsleistungsschalter mit einer Unterbrechereinheit, einem Einschaltwiderstand und einem in Serie zum Einschaltwiderstand geschalteten Schalter. Die Unterbrechereinheit weist einen beweglichen, angetriebenen ersten Unterbrecherkontakt auf, der zum Öffnen und Schliessen des Hochspannungsleistungsschalters mit einem zweiten Unterbrecherkontakt zusammen wirkt. Der in Serie zum Einschaltwiderstand geschaltete Schalter weist einen beweglichen Schaltkontakt auf, dessen Bewegung mittels eines Getriebes an die Bewegung des ersten Unterbrecherkontakts mechanisch gekoppelt ist. Der Schaltkontakt ist derart beweglich ausgebildet, dass der Schaltkontakt zum Einfügen des Einschaltwiderstandes um eine Drehachse drehbar ist.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, einen bekannten Hochspannungsleistungsschalter derart weiterzuentwickeln, dass er die Nachteile des Stands der Technik überwindet, insbesondere eine günstigere Schaltcharakteristik aufweist.
  • In einem ersten Aspekt wird eine Hochspannungs-Schalteinheit zum Schalten eines Einschaltwiderstandes in einen Nebenstrompfad in einem gasisolierten Hochspannungsleistungsschalter bereitgestellt. Sie umfasst einen zwischen einer ersten Endlage und einer zweiten Endlage um eine Drehachse beweglich gelagerten Schaltkontakt, wobei der Schaltkontakt in der zweiten Endlage mit einem dem Einschaltwiderstand zugeordneten Gegenkontakt verbindbar ist, ein Getriebe, das zur mechanischen Kopplung einer Bewegung des Schaltkontakts an die Bewegung eines Unterbrecherkontakts des HochspannungsLeistungsschalters ausgelegt ist, um die Öffnungs- und Schliessbewegung des Schaltkontakts mit der Bewegung des Unterbrecherkontakts zu synchronisieren, mindestens ein Dämpfungselement, das dazu ausgelegt ist, in einer Endphase einer Öffnungsbewegung des Schaltkontakts bei der ersten Endlage dessen Bewegung abzubremsen, wobei der Dämpfungseffekt des mindestens einen Dämpfungselements derart ausgelegt ist, dass ein Zurückprallen des Schaltkontakts aus der ersten Endlage in Richtung des Gegenkontakts im Betrieb der Hochspannungs-Schalteinheit vermeidbar ist.
  • Ein weiterer Aspekt betrifft einen gasisolierten Hochspannungsleistungsschalter. Er umfasst eine Unterbrechereinheit mit einem beweglichen, angetriebenen ersten Unterbrecherkontakt, der zum Öffnen und Schliessen des Hochspannungsleistungsschalters mit einem zweiten Unterbrecherkontakt zusammenwirkt, einen Einschaltwiderstand, und eine Hochspannungs-Schalteinheit zum Schalten des Einschaltwiderstandes in den Strompfad. Die Hochspannungs-Schalteinheit umfasst einen zwischen einer ersten Endlage und einer zweiten Endlage um eine Drehachse beweglich gelagerten Schaltkontakt, wobei der Schaltkontakt in der zweiten Endlage mit einem dem Einschaltwiderstand zugeordneten Gegenkontakt verbindbar ist, ein Getriebe, das zur mechanischen Kopplung einer Bewegung des Schaltkontakts an die Bewegung eines Unterbrecherkontakts des Hochspannungsleistungsschalters ausgelegt ist, um die Öffhungs- und Schliessbewegung des Schaltkontakts mit der Bewegung des Unterbrecherkontakts zu synchronisieren, mindestens ein Dämpfungselement, das dazu ausgelegt ist, in einer Endphase einer Öffnungsbewegung des Schaltkontakts bei der ersten Endlage dessen Bewegung abzubremsen, wobei der Dämpfungseffekt des mindestens einen Dämpfungselements derart ausgelegt ist, dass ein Zurückprallen des Schaltkontakts aus der ersten Endlage in Richtung des Gegenkontakts im Betrieb der Hochspannungs-Schalteinheit vermeidbar ist.
  • Ein weiterer Aspekt betrifft eine gasisolierte Schaltanlage mit einem Hochspannungsleistungsschalter und einer Hochspannungs-Schalteinheit umfassend mindestens ein Dämpfungselement.
  • Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Beschreibung.
    • KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
  • Im Folgenden wird der Erfindungsgegenstand anhand einer bevorzugten Ausführungsform näher erläutert. Es zeigen rein schematisch:
  • Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemässen Hochspannungs-Schalteinheit zum Ein- und Ausschalten eines Einschaltwiderstandes in einen Nebenstrompfad eines Hochspannungsleistungsschalters;
  • Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Schaltplans eines Hochspannungsleistungsschalters mit der Hochspannungs-Schalteinheit der Fig. 1;
  • Fig. 3 zeigt eine Frontansicht eines Dämpfungselements einer Hochspannungs-Schalteinheit nach Ausführungsbeispielen gemäss der Fig. 1;
  • Fig. 4 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung des Dämpfungselements der Fig. 3;
  • Fig. 5 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung eines Hochspannungsleistungsschalters mit einer Hochspannungs-Schalteinheit gemäss der Fig. 1;
  • Fig. 6 zeigt graphisch die Aufzeichnung der Bewegung eines Schaltkontakts einer Hochspannungs-Schalteinheit gemäss Ausführungsbeispielen, im Vergleich mit dem gleichen Verlauf bei einer konventionellen Hochspannungs-Schalteinheit.
  • Grundsätzlich sind in den Figuren gleiche oder gleichwirkende Teile mit gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen versehen. Dabei sind Teile, die bereits mit Bezug für eine erste Figur beschrieben werden, mit Bezug auf weitere Figuren teilweise nicht mehr im Detail beschrieben. Für das Verständnis der Erfindung nicht wesentliche Teile sind zum Teil nicht dargestellt. Die beschriebenen Ausführungsbeispiele stehen beispielhaft für den Erfindungsgegenstand und haben keine beschränkende Wirkung. Weitere Ausführungsbeispiele ergeben sich aus den Ansprüchen und der detaillierten Beschreibung.
    • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • Bei einem Hochspannungsleistungsschalter mit einem Nebenstrompfad, der einen Einschaltwiderstand umfasst, wird der Schaltvorgang zum Schalten des Einschaltwiderstands in den Stromkreis möglichst schnell vorgenommen, typischerweise im Bereich weniger Millisekunden. Dabei wird in Ausführungsbeispielen der Schaltkontakt im Nebenstrompfad durch eine mechanische Kopplung mit dem beweglichen Unterbrecherkontakt der Unterbrechereinheit des Hochspannungsleistungsschalters bewegt. Beim Einschalten des Hochspannungsleistungsschalters wird kurz vor dem Kontaktschliessen des Hauptstrompfades der Nebenstrompfad geschlossen, um den Serienwiderstand in den Stromkreis zu schalten. Sobald der Hauptstrompfad geschlossen ist, muss jedoch der Nebenstrompfad wieder durch den Schaltkontakt getrennt werden.
  • Der Nebenstrompfad wird in Ausführungsbeispielen durch einen Schaltkontakt ein- und ausgeschaltet, der als um eine Achse drehbarer Hebel bzw. Arm ausgeführt ist. Dabei befindet sich die Drehachse typischer-, aber nicht notwendigerweise im Bereich eines der longitudinalen Enden des Schaltkontakts, während das andere Ende frei um die Drehachse drehbar ist. An dem drehbaren Endbereich des Arms befindet sich die Kontaktzone, die in einer zweiten Endlage des Schaltkontakts mit einem dem Einschaltwiderstand zugeordneten Gegenkontakt verbunden ist. In dieser zweiten Endlage ist der Nebenstrompfad geschlossen, und der Einschaltwiderstand ist in Serie in den Stromkreis geschaltet. Dieser Zustand wird typischerweise nur wenige Millisekunden aufrechterhalten, bevor der Schaltkontakt durch Kopplung mit dem beweglichen Unterbrecherkontakt des Hochspannungsleistungsschalters mit hoher Geschwindigkeit wieder in Richtung seiner ersten Endlage bewegt wird. In dieser ersten Endlage ist der Nebenstrompfad geöffnet, das heisst der Einschaltwiderstand ist nicht in den Strompfad des Hochspannungsleistungsschalters geschaltet. In der ersten Endlage befindet sich der Schaltkontakt, während der Hochspannungsleistungsschalter dauerhaft geöffnet oder geschlossen ist, also in einem stationären Zustand des Hochspannungsleistungsschalters. Die zweite Endlage, in der der Nebenstrompfad geschlossen und der Serienwiderstand in den Stromkreis geschaltet ist, wird dagegen nur während des Einschaltvorgangs des Hochspannungsleistungsschalters für wenige Millisekunden eingenommen.
  • Damit der Trennvorgang des Nebenstrompfades prellfrei geschieht, das heisst, der Schaltkontakt in der ersten, stationären Endlage verbleibt, ohne durch Abprall eine anschliessende Rückwärtsbewegung zurück zur zweiten Endlage hin auszuführen, wird in Ausführungsbeispielen ein Dämpfungselement eingesetzt. Dieses ist typischerweise ein Gasdämpfer. Das Dämpfungselement bremst den Schaltkontakt am Ende von dessen Öffnungsbewegung ab. Das Dämpfungselement umfasst typischerweise ein Gas als Dämpfungsmedium, das während dem Abbrems- bzw. Dämpfungsvorgang durch mindestens eine Öffnung oder einen Kanal gepresst wird. Durch den Strömungswiderstand des Gases beim Durchgang durch die Verengung des Kanals oder der Öffnung, sowie auch durch die Massenträgheit des dadurch bewegten Gasvolumens, wird die Bewegungsenergie des Schaltkontakts in Wärme umgewandelt und der Schaltkontakt definiert und kontrolliert abgebremst.
  • Zudem ist typischerweise eine Feder vorgesehen, die zusammen mit dem das Gas umfassenden Dämpfer und der Masse der beweglichen Teile des Gasdämpfers ein mechanisch schwingungsfähiges System bzw. einen Oszillator bildet. Typischerweise sind in Ausführungsbeispielen die Komponenten dieses schwingungsfähigen Systems so abgestimmt, dass sich bei Auftreffen des Schaltkontakts auf das Dämpfungselement das System gemäss dem aperiodischen Grenzfall verhält. Dies bedeutet, dass keine periodische Schwingung entsteht, sondern das Dämpfungselement aus seiner Auslenkung durch den Anprall und das gedämpfte Abbremsen des Schaltkontakts unmittelbar gedämpft wieder in seine Ausgangs- bzw. Ruhelage zurückkehrt.
  • Fig. 1 zeigt eine Hochspannungs-Schalteinheit 15 gemäss Ausführungsbeispielen zum Schalten eines Einschaltwiderstandes 18 in einen parallelen Nebenstrompfad eines gasisolierten Hochspannungsleistungsschalters 10. Für eine schematische Darstellung eines entsprechenden Hochspannungsleistungsschalters 10 gemäss Ausführungsbeispielen wird auf die Fig. 2 und Fig. 5 verwiesen. Die Hochspannungs-Schalteinheit 15 umfasst einen Schaltkontakt 20, der um eine Drehachse L beweglich gelagert ist. Die Drehachse L ist typischerweise ortsfest an dem Gehäuse des Hochspannungsleistungsschalters 10 befestigt, in dem die Hochspannungs-Schalteinheit 15 verwendet wird. Der Schaltkontakt 20 ist zwischen einer ersten Endlage E1 und einer zweiten Endlage E2 drehbar. In der ersten Endlage E1 ist ein Nebenstrompfad 13 mit einem Einschaltwiderstand 18 (siehe Fig. 2) geöffnet, der Einschaltwiderstand 18 befindet sich nicht im Stromkreis des Hochspannungsleistungsschalters 10. In der zweiten Endlage E2, die im Betrieb von dem Schaltkontakt 20 typischerweise jeweils nur für wenige Millisekunden eingenommen wird, ist der Nebenstrompfad 13 geschlossen und der Einschaltwiderstand 18 ist parallel zum Hauptstrompfad 11 des Hochspannungsleistungsschalters geschaltet.
  • Während sich der Schaltkontakt kurzzeitig in der Endlage E2 befindet, ist ein Kontaktstück 70 des Schaltkontakts 20 in der zweiten Endlage E2 mit einem mit dem Einschaltwiderstand verbundenen Gegenkontakt 21 verbunden, was den Nebenstrompfad 13 mit dem Einschaltwiderstand 18 in den Stromkreis schaltet. Da der Schaltkontakt 20 nur im Bereich weniger Millisekunden in der Endlage E2, also im eingeschalteten Zustand verbleibt, kann die Hochspannungs-Schalteinheit 15 auch als Taster, bzw. als mit einer Taster-Funktionalität ausgestattet, angesehen werden. In Fig. 1 sind die erste Endlage E1 und die zweite Endlage E2 jeweils gestrichelt dargestellt. Die dazugehörigen unterschiedlichen Positionen des beweglichen ersten Unterbrecherkontakts 35 und des Getriebes 30 sind aus Darstellungsgründen nicht eingezeichnet. Der bewegliche Unterbrecherkontakt 35, der Unterbrecherkontakt 36, und das Befestigungselement 37 für den Schaltkontakt 20 gehören nicht zu der Hochspannungs-Schalteinheit 15 gemäss Ausführungsbeispielen. Sie gehören zu Ausführungsbeispielen eines erfindungsgemässen Hochspannungsleistungsschalters 10, die die Hochspannungs-Schalteinheit 15 mit umfassen (siehe Fig. 5), und sind in Fig. 1 nur aus Gründen des besseren Verständnisses der Funktion der Hochspannungs-Schalteinheit 15 eingezeichnet.
  • Der Schaltkontakt 20, der sich typischerweise in einem gemeinsamen Gasraum 100 mit der Unterbrechereinheit 14 des Hochspannungsleistungsschalters 10 befindet, wird über ein mechanisches Getriebe 30 angetrieben. Dieses ist zur mechanischen Kopplung mit einem beweglichen Unterbrecherkontakt 35 einer Unterbrechereinheit 14 des Hochspannungsleistungsschalters 10 vorgesehen, bzw. in Ausführungsbeispielen wie in Fig. 2 gezeigt mit diesem gekoppelt. Der bewegliche Unterbrecherkontakt 35 bewegt sich beim Schaltvorgang des gasisolierten Hochspannungsleistungsschalters 10 typischerweise linear entlang einer Achse B und wirkt mit einem zweiten, typischerweise ortsfesten Unterbrecherkontakt 36 zusammen. Dabei ist das Getriebe 30 und die räumliche Lage der Hochspannungs-Schalteinheit 15 zu dem beweglichen Unterbrecherkontakt 35 dazu ausgelegt, um die lineare Schaltbewegung des beweglichen Unterbrecherkontakts 35 des Hochspannungsleistungsschalters 10 in eine Drehbewegung um die Drehachse L herum umzuwandeln.
  • Gleichzeitig ist die Kombination aus Getriebe 30, dessen mechanischer Kopplung über das Drehgelenk 31 an den beweglichen Unterbrecherkontakt 35, und des Schaltkontakts 20 dazu ausgelegt, die drehende Öffnungs- und Schliessbewegung des Schaltkontakts 20 zwischen der ersten Endlage E1 und der zweiten Endlage E2 mit der typischerweise linearen Bewegung des Unterbrecherkontakts 35 zu synchronisieren. Diese Funktionsweise ist dem Fachmann aus dem Stand der Technik, etwa aus der WO 2009/034022 A1 bekannt. Die Hochspannungs-Schalteinheit 15 ist in Ausführungsbeispielen derart ausgelegt, dass die mechanische Kopplung des Schaltkontaktes 20 an die Bewegung eines beweglichen Unterbrecherkontakts 35 lediglich während einer Zeitspanne t während des Schliessens des Hochspannungsleistungsschalters 10 erfolgt. Dies wird insbesondere durch die Form des Getriebes 30 bestimmt bzw. festgelegt. Die Zeitspanne t ist typischerweise kürzer als die Gesamtdauer der Schliessbewegung des Hochspannungsleistungsschalters 10. Während eines Trennvorgangs des Hochspannungsleistungsschalters 10, das heisst während der etwa in Fig. 1 gezeigte bewegliche Unterbrecherkontakt 35 und der Unterbrecherkontakt 36 getrennt werden, bleibt die Hochspannungs-Schalteinheit 15 geöffnet.
  • In Ausführungsbeispielen ist mindestens ein Dämpfungselement 40 vorgesehen. Es ist dazu ausgelegt, in einer Endphase einer Öffnungsbewegung des Schaltkontakts 20 bei der ersten Endlage E1 dessen Bewegung definiert abzubremsen bzw. zu dämpfen. Durch das Dämpfungselement 40 wird verhindert, dass der Schaltkontakt 20 durch Anprall an einem feststehenden Element 116 bei der ersten Endlage E1 einen doppelten Impuls erfährt und wieder unerwünscht in die Gegenrichtung der Endlage E2 zurückschlägt. In diesem unerwünschten Fall könnte z.B. ein Lichtbogen, der beim Öffnen des Schaltkontakts 20 aus der zweiten Endlage entstanden ist, wieder aufflammen. Der Dämpfungseffekt des mindestens einen Dämpfungselements 40 ist gemäss Ausführungsbeispielen typischerweise derart ausgelegt, dass solch ein Zurückprallen des Schaltkontakts 20 aus der ersten Endlage E1 in Richtung des Gegenkontakts 21 und der zweiten Endlage E2 im Betrieb der Hochspannungs-Schalteinheit 15 vermeidbar ist bzw. vermieden wird. Das Dämpfungselement 40 ermöglicht im Zusammenspiel mit dem Schaltkontakt 20 und dem Getriebe 30 ein erwünschtes möglichst schnelles Öffnen des Schaltkontakts 20, ohne durch die gesteigerte Geschwindigkeit die Nachteile des Zurückprallens des Schaltkontakts aus der ersten Endlage E1 zu riskieren. In Ausführungsbeispielen ist der Schaltkontakt 20 in Leichtbauweise ausgeführt, d.h. etwa mit Aussparungen versehen und im Querschnitt reduziert. Zusätzlich kann ein Leichtmetall wie Aluminium oder seine Legierungen verwendet werden. Die dadurch geringere Steifigkeit könnte zu einer erhöhten Anfälligkeit für ein Prellen bzw. Zurückprallen des Schaltkontakts 20 aus der ersten Endlage 20 führen, was jedoch durch den Einsatz des Dämpfungselements 40 drastisch verringert wird. Somit eröffnet das Dämpfungselement 40 über verschiedene Effekte einen schnelleren, präziseren und definierteren Schaltvorgang ohne die geschilderte Gefahr einer gesteigerten Wahrscheinlichkeit für ein Zurückprellen des Schaltkontakts 20.
  • Das Dämpfungselement umfasst typischerweise ein Gas als Dämpfungsmedium, das durch mindestens eine Öffnung 44 oder einen Kanal gepresst wird. Durch den Strömungswiderstand des Gases beim Durchgang durch die Verengung des Kanals oder der Öffnung 44, sowie auch durch die Massenträgheit des dadurch bewegten Gasvolumens, wird die Bewegungsenergie des Schaltkontakts 20 umgewandelt und der Schaltkontakt abgebremst. Zudem ist typischerweise eine Feder im Innern des Dämpfungselements 40 vorgesehen (in Fig. 1 nicht dargestellt), die zusammen mit dem bewegten Gas und der Masse der beweglichen Teile des Dämpfungselements 40 ein mechanisch schwingungsfähiges System bzw. einen Oszillator bildet. Typischerweise sind in Ausführungsbeispielen die Komponenten dieses schwingungsfähigen Systems so abgestimmt, dass bei Auftreffen des Schaltkontakts auf das Dämpfungselement 40 das System mit dem Verlauf eines aperiodischen Grenzfalls abgebremst. Das heisst, das Dämpfungselement 40 wird bei Auftreffen des Schaltkontakts 20 komprimiert, um dann durch die Feder wieder in Richtung seiner Ausgangslage bzw. zu seiner Ausgangsgrösse (in Richtung der Achse der Bewegung des Elements) bewegt zu werden. Durch die Auslegung für den aperiodischen Grenzfall, auch als kritische Dämpfung bezeichnet, tritt dabei kein Überschwingen des Dämpfungselements und des Schaltkontakts über die Ausgangslage des Dämpfungselements auf. Vielmehr kehrt das Dämpfungselement gedämpft zu seiner Ausgangsgrösse bzw. Ausgangshöhe zurück und bewegt dabei auch den Schaltkontakt wieder definiert und gedämpft ein Stück in Gegenrichtung seiner vorherigen Öffnungsbewegung von E2 zu E1.
  • Das schematische Schaltbild eines Hochspannungsleistungsschalters 10 mit einer Hochspannungs-Schalteinheit 15 gemäss Ausführungsbeispielen wie oben beschrieben ist in Fig. 2 gezeigt. Ein Hauptstrompfad 11 ist mittels einer Unterbrechereinheit 14 schalt- bzw. unterbrechbar. Diese umfasst typischerweise einen ersten beweglichen Unterbrecherkontakt 35, einen zweiten Unterbrecherkontakt 36, und eine Antriebseinheit für den beweglichen Unterbrecherkontakt 35 (nicht dargestellt in Fig. 2, siehe Fig. 1 und Fig. 5). Parallel zu dem Hauptstrompfad 11 ist ein Nebenstrompfad 13 geführt, welcher in Serie zueinander die Hochspannungs-Schalteinheit 15 gemäss Ausführungsbeispielen und einen Einschaltwiderstand 18 aufweist. Derartige Hochspannungsleistungsschalter 10 werden zum Schalten von Strömen in Netzen von über 400 kV (Kilovolt), insbesondere von über 500 kV, in gasisolierten Hochspannungs-Schaltanlagen verwendet. In gasisolierten Schaltanlagen wird beispielsweise Schwefelhexafluorid (SF6) als Isoliergas im Gasraum 100 verwendet. Anstelle dieses Löschgases kann auch ein anderes Gas mit guten Isoliereigenschaften zur Anwendung gelangen. Ein Hochspannungsleistungsschalter 10 gemäss Ausführungsbeispielen kann anstelle in einer gasisolierten Schaltanlage auch in einer Hybriden-Schaltanlage eingesetzt werden, in welcher Elemente der gasisolierten Schaltanlagenbautechnik mit Elementen der luftisolierten Schaltanlagenbautechnik kombiniert sind. Anstelle einer einzigen Hochspannungs-Schalteinheit 15 können auch mehrere Hochspannungs-Schalteinheiten in Serie zueinander angeordnet sein. Die Funktionsweise eines Hochspannungsleistungsschalters 10 gemäss Ausführungsbeispielen ist mit bezug auf Fig. 5 näher ausgeführt.
  • Ein Dämpfungselement 40 ist gemäss Ausführungsbeispielen dazu ausgelegt, ein Isoliergas des Hochspannungsleistungsschalters 10 als Dämpfungsmedium zu nutzen. Das heisst, ein Innenvolumen V des Dämpfungselements 40 kommuniziert mit dem umgebenden Gasraum 100 über mindestens einen Kanal oder eine Öffnung, die typischerweise im Gehäuse des Dämpfungselements 40 vorgesehen ist. Ein schematischer Aufbau eines solchen Dämpfungselements 40 gemäss Ausführungsbeispielen ist in Fig. 3 gezeigt. Es umfasst typischerweise ein Basiselement 41, das ortsfest etwa mit einem feststehenden Element 116 des Gehäuses des Hochspannungsleistungsschalters 10 verbunden ist, wie etwa in Fig. 1 schematisch durch die schraffierten Linien oberhalb des Elements 116 und des Dämpfungselements 40 gezeigt. An dem Basiselement 41 ist ein Anschlagselement 42 beweglich angebracht. Zusammen schliessen sie ein Volumen V ein. Das Volumen V kommuniziert typischerweise, aber nicht notwendigerweise mit dem Gasraum 100 des gasisolierten Hochspannungsleistungsschalters. Dazu können eine oder mehrere Öffnungen 44 bzw. Kanäle vorgesehen sein. In Fig. 4 sind diese im Basiselement 41 bereitgestellt. In Ausführungsbeispielen können sie alternativ oder zusätzlich auch im Anschlagselement 42 vorgesehen sein. Der Querschnitt der Öffnungen ist einer der bestimmenden Faktoren für das Dämpfungsverhalten des Systems aus Schaltkontakt 20. Getriebe 30 und dem mindestens einen Dämpfungselement 40. Das Anschlagselement 42 ist entlang der Achse C gegenüber dem feststehenden Basiselement 41 beweglich.
  • In Fig. 4 ist eine Schnittzeichnung des Dämpfungselements 40 dargestellt. Die Feder 46 ist in Ausführungsbeispielen vorgesehen, um einen Teil der kinetischen Energie des Schaltkontakts 20 aufzunehmen, während dieser abgebremst wird. Während das Anschlagselement 42 von dem auftreffenden Schaltkontakt 20 bewegt wird (in Fig. 3 und Fig. 4 wäre dies senkrecht nach unten, in der Realisierung wie in der Fig. 1 nach schräg oben, mit Bezug auf eine Aufstellfläche des Hochleistungsschalters), wird das Volumen V zwischen dem Basiselement 41 und dem Anschlagselement 42 komprimiert und das darin befindlichen Gas teilweise durch die Öffnung(en) 44 in den Aussenbereich des Dämpfungselements 40 gedrängt. Dies ist typischerweise der umgebende Gasraum 100 des Hochleistungsschalters, der typischerweise etwa mit SF6 unter Überdruck gefüllt ist. Ausführungsbeispiele betreffen auch ein gasdicht geschlossenes Dämpfungselement, in dem bei Komprimierung das Gas innerhalb des Dämpfungselements 40 von einem ersten internen Volumen in ein zweites internes Volumen durch Öffnungen strömt (nicht dargestellt). Die bevorzugte Verwendung des Gasraums 100 des Hochspannungsleistungsschalters 10 hat dabei etwa den Vorteil, dass nicht auf die dauerhafte absolute Gasdichtigkeit des Gehäuses des Dämpfungselements 40 geachtet werden muss.
  • Die Kombination aus der Stärke der Feder 46 und dem Querschnitt der Öffnungen 44 (bzw. auch deren Kanallänge) ist wie erwähnt typischerweise so abgestimmt, dass eine kritische Dämpfung der Bewegung des Schaltkontakts beim Erreichen der Endlage E1 und Anschlagen an das Dämpfungselement 40 erreicht wird. Dies bedeutet, dass das schwingfähige System aus den Massen des Anschlagelements 42 und des Schaltkontakts 20, der Feder 46, und dem dämpfenden Einfluss des Gasvolumens V und den Öffnung(en) 44 so abgestimmt ist, dass sich folgende Bewegung bei der Dämpfung ergibt: Das Anschlagselement 42 wird von dem anprallenden Schaltkontakt 20 in Bewegung gesetzt, wodurch das Volumen V innerhalb des Dämpfungselements komprimiert wird. Das darin befindliche Gas tritt durch die Öffnung(en) 44 aus, wobei der Strömungswiderstand an den Öffnungen 44 oder Kanälen die Bewegung des Gases hemmt, wodurch ein Druckanstieg im Volumen V entsteht. Wenn der Schaltkontakt auf Geschwindigkeit null abgebremst ist, ist das Dämpfungselement zusammengedrückt und die Feder 46 komprimiert. Diese Energie wird in der Folge wieder abgegeben und das Dämpfungselement nimmt wieder seine Ausgangshöhe ein. Diese Gegenbewegung wird ebenfalls gedämpft, wenn sich bei der Rückbewegung des Anschlagelements 42 das Volumen wieder ausdehnt und Gas aus dem umgebenden Gasraum 100 in das sich vergrössernde Volumen V nachströmt.
    Dabei ist das Dämpfungselement 40 typischerweise derart ausgelegt, dass es den Schaltkontakt 20 auf maximal den letzten 10 %, bevorzugt den letzten 5 %, des Weges von dessen Öffnungsbewegung zwischen der zweiten Endposition E2 und der ersten Endposition E1 abbremst. Die Wegstrecke bemisst sich dabei zweckmässigerweise in Winkeleinheiten des Winkels α der Drehung des Schaltkontakts um die Achse L, oder um die Wegstrecke, die ein Ort an dem Schaltkontakt auf der Kreisbewegung zurücklegt. In anderen mechanischen Konfigurationen und Ausführungsbeispielen, bei denen etwa der Schaltkontakt 20 eine lineare Bewegung vollführt, gilt dies analog.
  • Das Getriebe 30 ist über ein Drehgelenk 31 mit einem Mitnehmer 32 verbunden, der zur dauerhaften Befestigung mit einem beweglichen Unterbrecherkontakt 35 eines Hochspannungsleistungsschalters 10 ausgelegt ist.
  • In Ausführungsbeispielen umfasst die Hochspannungs-Schalteinheit 15 ein, zwei oder mehr Dämpfungselemente 40. Bei zwei Dämpfungselementen 40, wie in Fig. 1 gezeigt, ist vorteilhaft dass die bremsende Kraft durch die Dämpfungselemente 40 an mehreren Stellen des Schaltkontakts 20 angreift. Dadurch kann etwa eine Verformung des Schaltkontakts 20 durch eine punktuelle bzw. kleinflächige Bremskrafteinwirkung, was bei nur einem Dämpfungselement 40 gegeben sein kann, vermieden werden kann. In Ausführungsbeispielen kann auch nur ein Dämpfungselement 40 vorgesehen sein, dass etwa eine längliche Ausdehnung in Richtung einer Längsachse des Schaltkontakts 20 aufweist (nicht dargestellt), um ein grossflächigeres Angreifen der Bremskraft zu erzielen und so eine dynamische Verformung des Schaltkontakts 20 beim Abbremsen zu vermindern. Dies ist insbesondere relevant, als der Schaltkontakt 20 in Ausführungsbeispielen wie bereits erwähnt in Leichtbauweise ausgeführt sein kann, was zu einer höheren Anfälligkeit für dynamische Verformungen führen kann. Somit kann durch das Anwenden einer einzigen gross- beziehungsweise grösserflächigen, oder zwei oder mehrerer kleinflächigerer Dämpfungselemente 40 eine Leichtbauweise des Schaltkontakts 20 vorteilhaft konstruktiv ergänzt werden. Die Leichtbauweise, etwa durch Wahl eines Materials mit relativ geringer Dichte, oder durch Ausfräsungen oder Aussparungen im Material des Schaltkontakts 20, unterstützt dabei einen schnellen Schaltvorgang.
  • Gemäss Ausführungsbeispielen wie in Fig. 5 dargestellt, wird die Hochspannungs-Schalteinheit 15 aus Fig. 1 in Hochspannungsleistungsschaltern 10 eingesetzt. Ein Hochspannungsleistungsschalter 10 gemäss Ausführungsbeispielen weist ein erstes Gehäuseteil 52, in welchem die Hochspannungs-Schalteinheit 15 und eine Unterbrechereinheit 14 angeordnet ist, und parallel zum ersten Gehäuseteil 52 ein zweites Gehäuseteil 56 auf, in welchem der Einschaltwiderstand 18 angeordnet ist. Das erste Gehäuseteil 52 wie auch das zweite Gehäuseteil 56 sind aus einem Metall, insbesondere Aluminium gefertigt und liegen im Betrieb der gasisolierten Schaltanlage auf Erdpotential. Sie bilden typischerweise einen gekapselten gemeinsamen Gasraum 100.
  • Das erste Gehäuseteil 52 wie auch das zweite Gehäuseteil 56 sind jeweils an beiden Enden mit Verbindungsendbereichen 60, 61, 62, 63 versehen, welche es ermöglichen das erste Gehäuseteil 52 an das zweite Gehäuseteil 56 zu koppeln. Hierzu weisen die Verbindungsendbereiche 60, 61, 62, 63 jeweils seitliche Verbindungsstutzen 64, 65, 66, 67 mit Flanschen auf. Zwischen den Verbindungsendbereichen 60, 61, 62, 63 ist das erste Gehäuseteil 52 wie auch das zweite Gehäuseteil 56 im Wesentlichen rohrförmig ausgebildet. Innerhalb des im Wesentlichen rohrförmigen Abschnitts des ersten Gehäuseteils 52, welcher eine erste Gehäuseachse A1 definiert, ist die Unterbrechereinheit 14 angeordnet. Innerhalb des im Wesentlichen rohrförmigen Abschnitts des zweiten Gehäuseteils 56 ist der Einschaltwiderstand 18 angeordnet, wobei dieser im Wesentlichen entlang einer zweiten durch den rohrförmigen Abschnitt definierten Gehäuseachse A2 angeordnet ist.
  • An den einen Verbindungsendbereich 60 des ersten Gehäuseteils 52 ist eine bekannte Antriebseinheit 71 gekoppelt, mittels welcher die Hochspannungs-Schalteinheit 15 zum Ein- und Ausschalten des Einschaltwiderstands 18 beziehungsweise zum Unterbrechen des Nebenstrompfades 13, wie auch die Unterbrechereinheit 14 zum Unterbrechen des Hauptstrompfades 11 angetrieben ist. Der Schalter 15 ist innerhalb desjenigen Verbindungsendbereichs 60 des ersten Gehäuseteils 52 angeordnet, der an die Antriebseinheit 71 angrenzt. Die mechanische Verbindung zwischen der Antriebseinheit 71 und dem Schalter 15 wie der Unterbrechereinheit 14 ist über eine Antriebsstange 74 aus Isolierstoff hergestellt, die in Richtung der ersten Gehäuseachse A1 verläuft und von der Antriebseinheit 71 in Richtung der ersten Gehäuseachse A1 bewegt wird. Durch eine gasdichte Durchführung ist die Antriebsstange 74 von ausserhalb des ersten Gehäuseteils 52 in dieses hinein geführt.
  • Die beiden Verbindungsendbereiche 60, 61 des ersten Gehäuseteils 52 weisen je einen Abgangsstutzen 76 auf, mittels welchen der Hochspannungsleistungsschalter 10 mit weiteren Elementen einer gasisolierten Schaltanlage verbunden werden kann. Die Abgangsstutzen 76 sind bezüglich der ersten Gehäuseachse A1 seitlich, gegenüberliegend den Verbindungsstutzen 64, 65 angeordnet.
  • Um den Hochspannungsleistungsschalter 10 elektrisch mit weiteren Elementen der gasisolierten Schaltanlage zu verbinden, verläuft durch den Abgangsstutzen 76 des antriebsseitigen Verbindungsendbereichs 60 ein Leiter 80, der mittels bekannten Isolationselementen (nicht gezeigt) beabstandet vom ersten Gehäuseteil 52 gehalten ist. Der Leiter 80 verläuft von der Öffnung des Abgangsstutzens 76 zur Hochspannungs-Schalteinheit 15. Der Leiter 80 ist elektrisch mit dem Schaltkontakt 20 der Hochspannungs-Schalteinheit 15 und mit einem beweglichen ersten Unterbrecherkontakt 35 der Unterbrechereinheit 14 verbunden.
  • Ein nachfolgend beschriebener, feststehender Gegenkontakt 21 des Schalters 15, der zum Schliessen des Schalters 15 mit dem beweglichen Schaltkontakt 20 zusammen wirkt, ist innerhalb des Verbindungsstutzens des antriebsseitigen Verbindungsendbereichs 60 des ersten Gehäuseteils 52 angeordnet. Vom Gegenkontakt 21 verläuft ein Leiter 81 durch den antriebsseitigen Verbindungsendbereich 62 des zweiten Gehäuseteils 56 hindurch und verbindet den Gegenkontakt 21 mit einem ersten Anschlusskontakt 90 des Einschaltwiderstands 18.
  • Ein zweiter Anschlusskontakt 92 des Einschaltwiderstands 18 ist über einen weiteren Leiter 82, der durch den Verbindungsendbereich 63 des zweiten Gehäuseteils 56 hindurch verläuft, mit einem Leiter 83 verbunden, der vom Verbindungsstutzen 65 des von der Antriebseinheit 71 abgewandten Verbindungsendbereichs 61 des ersten Gehäuseteils 52 zum Abgangsstuten 76 desselben Verbindungsendbereichs 61 verläuft. Mit diesem Leiter 83 ist ebenfalls ein zum Schliessen der Unterbrechereinheit 14 bestimmter zweiter Unterbrecherkontakt 36 verbunden. Die Leiter 80, 81, 82, 83 sind mittels bekannten, scheibenförmigen oder konischen Isolatoren innerhalb des ersten beziehungsweise zweiten Gehäuseteils 52, 56 derart gehalten, dass sie in radialer Richtung zum Leiter 80, 81, 82, 83 möglichst gleichmässige Abstände zum ersten bzw. zweiten Gehäuseteil 52, 56 aufweisen.
    Fig. 6 stellt graphisch den gemessenen Schaltverlauf eines Hochspannungs-Leistungsschalters 15 gemäss Ausführungsbeispielen dar (als Kreuze bzw. Kreuzchen dargestellte Messpunkte), von der ersten Endlage E1 zur zweiten Endlage E2 und zurück als zeitlicher Verlauf der Winkelposition α (relative Einheiten) über der x-Achse. Der Verlauf des Schaltens eines Vergleichs-Schalters ohne Dämpfungselement 40 ist mit Messpunkten als Kreisen (Kringeln) dargestellt, wobei an dem sichtbaren Überschwingen deutlich das Zurückprallen des Schaltkontakts zu erkennen ist. Ebenso ist die Rückkehr des erfindungsgemässen Schaltkontakts 20 gemäss des aperiodischen Grenzfalls bzw. der kritischen Dämpfung zu erkennen, da kein Überschwingen bzw. Abprallen aus der ersten Endlage E1 auftritt. Wie aus der Fig. 6 weiter hervorgeht, wird bei der erfindungsgemässen Ausführungsform die kinetische Energie des Schaltkontakts 20 vom Dämpfungselement aufgenommen, indem das Dämpfungselement aufgrund seiner elastischen Eigenschaften etwas einfedert (siehe den einen durch ein Kreuzchen gekennzeichneten Messpunkt unterhalb der Abszisse in Fig. 6). Die Qualität der Einfederung ist dabei derart bemessen, dass sich der Bewegungsverlauf auf der Kurve des Schaltverlaufs in Fig. 6 anschliessend asymptotisch der Abszisse nähert, ohne wesentlich in Richtung der zweiten Endlage zurückzuprallen.
    Ausführungsbeispiele betreffen auch eine gasisolierte Schaltanlage (GIS), die einen Hochspannungsleistungsschalter 10 mit einer Hochspannungs-Schalteinheit 15 mit mindestens einem Dämpfungselement 40 umfasst.
  • Die in der vorstehenden Beschreibung, in den Ansprüchen sowie in den Zeichnungen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in jeder beliebigen Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein.

Claims (16)

  1. Hochspannungs-Schalteinheit (15) zum Schalten eines Einschaltwiderstandes in einen Strompfad in einem gasisolierten Hochspannungsleistungsschalter, umfassend:
    - ein zwischen einer ersten Endlage (E1) und einer zweiten Endlage (E2) um eine Drehachse (L) beweglich gelagerter Schaltkontakt (20), wobei der Schaltkontakt (20) in der zweiten Endlage (E2) mit einem dem Einschaltwiderstand zugeordneten Gegenkontakt (21) verbindbar ist,
    - ein Getriebe (30), das zur mechanischen Kopplung einer Bewegung des Schaltkontakts (20) an die Bewegung eines Unterbrecherkontakts eines Hochspannungsleistungsschalters ausgelegt ist, um die Öffnungs- und Schliessbewegung des Schaltkontakts (20) mit der Bewegung eines Unterbrecherkontakts (35) zu synchronisieren,
    - mindestens ein Dämpfungselement (40), das dazu ausgelegt ist, in einer Endphase einer Öffnungsbewegung des Schaltkontakts (20) bei der ersten Endlage (E1) dessen Bewegung abzubremsen,
    wobei der Dämpfungseffekt des mindestens einen Dämpfungselements (40) derart ausgelegt ist, dass ein Zurückprallen des Schaltkontakts (20) aus der ersten Endlage (E1) in Richtung des Gegenkontakts (21) im Betrieb der Hochspannungs-Schalteinheit (15) vermeidbar ist.
  2. Hochspannungs-Schalteinheit (15) nach Anspruch 1, wobei das mindestens eine Dämpfungselement (40) einen Gasdämpfer umfasst.
  3. Hochspannungs-Schalteinheit (15) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei das Dämpfungselement (40) ausgelegt ist, ein Isoliergas eines Hochspannungs-leistungsschalters (10) als Dämpfungsmedium zu nutzen.
  4. Hochspannungs-Schalteinheit (15) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das mindestens eine Dämpfungselement (40) derart ausgelegt ist, dass es den Schaltkontakt (20) auf maximal den letzten 10 %, bevorzugt den letzten 5 %, des Weges von dessen Öffnungsbewegung abbremst.
  5. Hochspannungs-Schalteinheit (15) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das mindestens eine Dämpfungselement (40) ein ortsfest angebrachtes Basiselement (41) und mindestens ein daran beweglich angebrachtes Anschlagselement (42) umfasst, an das der Schaltkontakt (20) während seiner Öffnungsbewegung anschlägt und gebremst wird.
  6. Hochspannungs-Schalteinheit (15) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Drehachse (L) ortsfest gelagert ist.
  7. Hochspannungs-Schalteinheit (15) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Basiselement (41) und das Anschlagselement (42) ein Volumen V einschliessen, das mit dem Gasraum (100) eines gasisolierten Hochspannungsleistungsschalters kommuniziert.
  8. Hochspannungs-Schalteinheit (15) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Getriebe (30) ein Kurvengetriebe ist.
  9. Hochspannungs-Schalteinheit (15) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Getriebe (30) über ein Drehgelenk (31) mit einem Mitnehmer (32) verbunden ist, der zum mechanischen Eingreifen mit einem beweglichen Unterbrecherkontakt (35) eines Hochspannungsleistungsschalters (10) ausgelegt ist.
  10. Hochspannungs-Schalteinheit (15) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Kulissensteuerung des Getriebes (30) ausgelegt ist, die lineare Bewegung des Mitnehmers (32) in Richtung einer Achse (B) eines ersten Unterbrecherkontakts (35) in eine Drehbewegung um die Drehachse (L) herum umzusetzen.
  11. Hochspannungs-Schalteinheit (15) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das mindestens eine Dämpfungselement (40) so angeordnet ist, dass das entfernt zur Drehachse (L) befindliche Ende des Schaltkontakts (20) daran beim Erreichen der ersten Endlage E1 anschlägt.
  12. Hochspannungs-Schalteinheit (15) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend zwei Dämpfungselemente (40).
  13. Hochspannungs-Schalteinheit (15) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das mindestens eine Dämpfungselement (40) derart ausgelegt ist, dass eine kritische Dämpfung der Bewegung des Schaltkontakts (20) erzielt wird.
  14. Gasisolierter Hochspannungsleistungsschalter (10), umfassend:
    - eine Hochspannungs-Schalteinheit (15) mit einem angetriebenen ersten, beweglichen Unterbrecherkontakt (35), der zum Öffnen und Schliessen eines Hauptstrompfads (11) des Hochspannungsleistungsschalters (10) mit einem zweiten Unterbrecherkontakt (36) zusammenwirkt,
    - einen Einschaltwiderstand (18),
    - eine Hochspannungs-Schalteinheit (15) zum Schalten des Einschaltwiderstands (18) in einen parallelen Nebenstrompfad (13), gemäss einem der Ansprüche 1 bis 13.
  15. Gasisolierter Hochspannungsleistungsschalter (10) gemäss Anspruch 14, wobei die Hochspannungs-Schalteinheit (15) derart ausgelegt ist, dass die mechanische Kopplung des Schaltkontaktes (20) an die Bewegung eines beweglichen Unterbrecherkontakts (35) lediglich während einer Zeitspanne während des Schliessens des Hochspannungsleistungsschalters (10) erfolgt, wobei diese Zeitspanne kürzer ist als die Gesamtdauer der Schliessbewegung des Hochspannungsleistungsschalters (10), und wobei während einem Trennvorgang des Hochspannungsleistungsschalters (10) die Hochspannungs-Schalteinheit (15) geöffnet bleibt.
  16. Gasisolierte Schaltanlage, umfassend einen gasisolierten Hochspannungsleistungsschalter (10) gemäss einem der Ansprüche 14 oder 15.
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