EP2936530B1

EP2936530B1 - Leistungsschalter

Info

Publication number: EP2936530B1
Application number: EP13823936.3A
Authority: EP
Inventors: Vladimir Ermel; Michael Kurrat
Original assignee: Technische Universitaet Braunschweig
Current assignee: Technische Universitaet Braunschweig
Priority date: 2012-12-21
Filing date: 2013-12-20
Publication date: 2017-02-22
Anticipated expiration: 2033-12-20
Also published as: US20150332878A1; US9543086B2; EP2936530A1; WO2014095079A1; DE102012025115A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Leistungsschalter, der geeignet ist, elektrische Spannungen bzw. elektrische Ströme und Leistungen zu schalten.
Üblicherweise enthält ein Leistungsschalter zwei Elektroden, an die im Betrieb jeweils ein Pol einer zu schaltenden elektrischen Leistung anliegt. Insbesondere beim Trennen der Elektroden besteht eine große Wahrscheinlichkeit, dass ein unerwünschter Lichtbogen auftritt. Selbst wenn dieser zwischenzeitlich verlischt, besteht die Gefahr, dass er erneut zünden kann und zwar so lange, bis die Trennstrecke groß genug ist.
Um das Erlöschen solcher Lichtbögen weitestgehend zu gewährleisten, wird in vielen der bekannten Hochspannungs-Leistungsschaltern das Isoliergas SF₆ (Schwefelhexafluorid) benutzt. Dieses ist jedoch ein sehr starkes Treibhausgas, das insbesondere bei Leckagen und nach dem Ende der Lebensdauer in die Atmosphäre entweichen kann.
Insbesondere aus Gründen der Umweltfreundlichkeit wurden daher Vakuumschalter zum Schalten von Hochspannungen entwickelt. Um bei Vakuumschaltern das Entstehen von Lichtbögen zu vermindern werden diese üblicherweise in Wechselstromsystemen eingesetzt. Denn bei Wechselstrom tritt periodisch ein Nulldurchgang des Stroms auf, was das Verlöschen des Lichtbogens begünstigt.
Es besteht jedoch ein erhöhter Bedarf an der Übertragung von Hochspannungs-Gleichstrom. Solche Systeme der Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ) werden in der derzeitigen Diskussion um die Energiewende und den Ausbau der elektrischen Netze, insbesondere für die Anbindung von Off-shore-Windparks oder die Einrichtung von Koppelstellen, von verschiedenen Seiten vorgeschlagen. Denn für höhere Leistungen bei gleicher Trassenbreite, längeren Strecken und vor allem längeren Kabelverbindungen erscheint die Gleichstromtechnik vorteilhaft.
Häufig wird das zuverlässige Schalten von hohen Gleichspannungen realisiert, indem mehrere Hochspannungs-Leistungsschalter in Reihe geschaltet werden.
Die europäische Patentschrift EP 0 556 616 B1 - bzw. deren deutsche Übersetzung DE 693 02 716 T2 - stellt eine Gleichstrom-Unterbrecheranordnung vor, die einen kommutierenden Schalter nach Unterbrechen eines Vakuumschalters schließt und einen Lichtbogengleichstrom mittels Kommutierung in eine alternierende Wellenform umwandelt, um die Unterbrechung abzuschließen. Dadurch soll ein Gleichstrom zuverlässig unterbrochen werden, um ein Eskalieren einer Betriebsstörung zu verhindern.
Auch die europäische Patentanmeldung EP 0 092 207 A2 offenbart einen Gleichstromleistungsschalter mit einer festen Elektrode und einer beweglichen Elektrode, wobei beide Elektronen aufeinander zu bewegt werden oder voneinander getrennt werden können. Der dort vorgestellte Schalter umfasst Mittel, die ein Lichtbogenlöschgas ausstoßen, wenn beide Elektroden voneinander getrennt werden sowie auch einen Schwingkreis, der parallel an die beiden Elektroden angeschlossen ist.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Wechsel- oder Gleichspannung (bzw. eine entsprechende Leistung) auf einfache und zuverlässige Weise schalten zu können.
Diese Aufgabe wird gelöst durch den Leistungsschalter nach Anspruch 1. In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen angegeben.
Der erfindungsgemäße Leistungsschalter weist zwei Elektroden auf, an die jeweils ein Pol einer elektrischen Spannung angeschlossen werden kann, die geschaltet bzw. getrennt werden soll. Diese Elektroden werden im Folgenden auch Hauptelektroden genannt. Der erfindungsgemäße Schalter ist grundsätzlich geeignet Spannungen mit beliebigen Werten zu schalten. Dabei soll das Entstehen von Lichtbögen verhindert bzw. deren Vorhandensein während des Schaltvorgangs möglichst schnell beendet werden. Deshalb ist der erfindungsgemäße Schalter besonders geeignet für alle Einsatzgebiete, in denen solche Lichtbögen besonders schädlich sind, wie beispielsweise in Fahrzeugen mit Elektroantrieb und/oder Brennkraftmaschinen sowie beim Schalten von Hochspannungen. Dabei wird unter Hochspannung hier eine Spannung verstanden, die einen Wert von ca. 50 - 500 Kilovolt oder sogar mehr aufweisen kann. Der Leistungsschalter bietet besondere Vorteile als Teil eines Systems zur Übertragung von Ultrahochspannungs-Wechselstrom (AC) oder von Hochspannungs-Gleichstrom (HGÜ).
Für den Schaltvorgang müssen die Hauptelektroden zusammengeführt bzw. getrennt werden. Das geschieht üblicherweise durch eine mechanische Bewegung von einer der beiden Hauptelektroden. Die andere Hauptelektrode ist dann stationär, also ortsfest innerhalb des Leistungsschalters. Es ist jedoch auch denkbar, dass beide Hauptelektroden gleichzeitig oder nacheinander bewegt werden.
Diese Schaltbewegung findet entlang eines Schaltweges statt. Üblicherweise verläuft dieser geradlinig und zwar senkrecht zu der Schaltfläche der stationären Hauptelektrode. Denkbar ist jedoch auch jede andere Form, die aus mechanischen und/oder elektrischen Gründen vorteilhaft ist.
Die vorliegende Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Nebenelektrode vorhanden ist. Diese Nebenelektrode (oder mehrere) ragt in den Bereich nahe dem Schaltweg. Das bewirkt, dass bei dem Trennvorgang zunächst ein Haupt-Lichtbogen zwischen den beiden Hauptelektroden entsteht und mit weiter fortschreitendem Abstand der Hauptelektroden zueinander weitere Lichtbögen entstehen und zwar zwischen den Hauptelektroden und der Nebenelektrode. Diese weiteren Lichtbögen sind also zu dem ursprünglichen Haupt-Lichtbogen parallel geschaltet und bewirken, dass dieser wesentlich früher erlischt als bei bisher bekannten Leistungsschaltern. Um das Entstehen der weiteren Lichtbögen zu optimieren, ist es vorteilhaft, dass der minimale Abstand zwischen dem Schaltweg und der Nebenelektrode weniger als 10 mm beträgt, wobei sich Werte zwischen etwa 0,5 bis 1 mm besonders bewährt haben.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass das Vorhandensein der Lichtbögen instabil ist und statistischen Gesetzmäßigkeiten folgt. Wenn nun anstelle eines Haupt-Lichtbogens mehrere einzelne Lichtbögen auftreten, die quasi in Serie geschaltet sind, so besteht eine deutlich größere Wahrscheinlichkeit, dass einer dieser einzelnen Lichtbögen erlischt. Wenn das passiert, werden auch weitere dieser einzelnen Lichtbögen schnell erlöschen, wodurch letztlich die gesamte Lichtbogen-Kette erlischt. Durch die Erzeugung einer solchen Lichtbogen-Kette anstatt eines einzelnen Haupt-Lichtbogens wird das Vorhandensein von Lichtbögen während des Schaltvorgangs also schneller beendet und somit die Betriebssicherheit des Leistungsschalters erhöht.
Das Vorhandensein der erfindungsgemäßen Nebenelektroden ist grundsätzlich möglich bei einem Leistungsschalter, der ein Gas enthält, wie das Isoliergas SF₆. Besonders vorteilhaft ist die Anordnung der Nebenelektroden allerdings in Vakuum-Leistungsschaltern, in denen ein Gasdruck herrscht im Bereich von 10^-4 bis 10^-8 mbar, wobei üblicherweise Werte im Bereich von 10^-5 bis 10^-7 mbar besonders bevorzugt werden.
Die Nebenelektrode (bzw. mehrere) kann auf verschiedene Weise gestaltet sein. Um eine möglichst hohe Betriebssicherheit gewährleisten zu können hat es sich bewährt, die Nebenelektrode ringförmig oder flächenhaft zu gestalten, wobei eine Öffnung vorgesehen ist, durch die der Schaltweg verläuft.
Es hat sich weiterhin bewährt, dass die Nebenelektrode (oder mehrere) eine Kontur aufweist, wodurch sie im Bereich des Schaltwegs dünner ist, als auf der dem Schaltweg abgewandten Seite. Eine solche Kontur kann beispielsweise realisiert werden durch einen dreieck-förmigen Verlauf (s.a. Fig. 5). Denkbar ist auch, dass die Nebenelektrode jeweils einen abgerundeten Verlauf aufweist (s.a. Fig. 4), der sich anhand eines kleinen Radius (r) bzw. eines größeren Radius (R) beschreiben lässt, wobei r < R ist.
Zur weiteren Erhöhung der Betriebssicherheit hat es sich bewährt, wenn bei Vorhandensein von mehreren Nebenelektroden zumindest einzelne davon miteinander elektrisch verbunden sind durch ein elektronisches Netzwerk, das mindestens einen Varistor und/oder mindestens einen ohmschen Widerstand enthält.
Im Folgenden werden weitere Einzelheiten und Vorteile der vorliegenden Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen beschrieben. Dabei zeigen

Fig. 1: eine symbolische Darstellung eines Leistungsschalters
Fig. 2: eine Querschnittsdarstellung des Leistungsschalters
Fig. 3a ...3h: verschiedene Schalterstellungen mit Funkenstrecken
Fig. 4: eine vergrößerte Darstellung der Nebenelektrode 30a aus Fig. 2
Fig. 5: Nebenelektroden mit dreieckförmiger Kontur
Fig. 6: eine weitere Ausführung des Leistungsschalters mit Beschaltung.

Gleiche bzw. gleichartige Mittel sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen. Eine wiederholte Beschreibung erfolgt nur insofern, wie es für das Verständnis der Erfindung bzw. der Ausführungsbeispiele erforderlich erscheint. Obwohl die Ausführungsbeispiele das Schalten von Hochspannung beschreiben, sei nochmals darauf hingewiesen, dass der erfindungsgemäße Leistungsschalter für das Schalten von elektrischen Spannungen mit beliebigen Werten geeignet ist.
Fig. 1 zeigt eine symbolische Darstellung eines bevorzugten Leistungsschalters 10, der geeignet ist Gleichspannungen bis zu 100 kV und mehr zu schalten. Er ist bevorzugt als Vakuumschalter ausgebildet, in dem üblicherweise ein Druck von ca. 10^-6 mbar herrscht. Die bevorzugte Ausführungsform ist im Wesentlichen kreis- bzw. zylindersymmetrisch gestaltet. Das heißt, das Gehäuse des Leistungsschalters 10 umfasst einen im Wesentlichen zylinderförmigen Isolator 12 sowie eine obere Abschlussplatte 14 und eine untere Abschlussplatte 16, die jeweils nahezu scheibenförmig sind. Der Leistungsschalter 10 enthält weiterhin eine obere Hauptelektrode 18 mit einem oberen Schaft 20 und eine untere Hauptelektrode 22 mit einem unteren Schaft 24. Über die Hauptelektroden 18, 22 kann eine Hochspannung geschaltet bzw. getrennt werden. Beide Schäfte 20, 24 sind elektrisch leitend und jeweils mit ihrer zugehörigen Hauptelektrode 18 bzw. 22 sowohl mechanisch als auch elektrisch leitend verbunden.
Der oberen Schaft 20 ist an der oberen Abschlussplatte 14 befestigt, so dass die obere Hauptelektrode 18 innerhalb des Leistungsschalters 10 nahezu ortsfest ist. Ein oberer Anschlussport A, an den der erste Pol der zu schaltenden Hochspannung angelegt werden kann, ist über den elektrisch leitenden oberen Schaft 20 mit der oberen Hauptelektrode 18 verbunden. Der untere Schaft 24 lässt sich durch eine hier nicht dargestellte Öffnung innerhalb der unteren Abschlussplatte 16 entlang des Pfeils 26 senkrecht hin- und her bewegen. Damit kann also die untere Hauptelektrode 22 senkrecht, das heißt hoch und runter, entlang eines Schaltweges bewegt werden, der hier durch die gestrichelten Linien sl und sr angedeutet ist. Über einen unteren Anschlussport B kann der zweite Pol der zu schaltenden Hochspannung angelegt werden. Dieser Port B ist elektrisch leitend mit einem Schleifkontakt 28 verbunden, der wiederum einen Kontakt zwischen dem elektrisch leitenden unteren Schaft 24 und somit auch zu der unteren Hauptelektrode 22 ermöglicht.
Der Leistungsschalter 10 enthält weiterhin fünf Nebenelektroden 30a,... ,30e, die jeweils nahezu scheibenförmig ausgebildet sind, und die durch jeweils eine der Halterungen 31a,..., 31 e gehalten werden. Die Halterungen 31 sind bevorzugterweise als Bleche ausgebildet, die an dem Isolator 12 bzw. an einer der Abschlussplatten 14, 16 (siehe auch Fig. 2) befestigt sind und so die Nebenelektroden in einer stabilen Position halten. Es ist alternativ ebenfalls möglich, dass die Halterungen 31 als Stege oder dergleichen ausgebildet sind.
Die Nebenelektronen 30 weisen im Mittelbereich jeweils eine Öffnung 32a,... ,32e auf, welche derart gestaltet und angeordnet sind, dass die bewegliche untere Hauptelektrode 22 dort hindurch bewegt werden kann. Bevorzugterweise sind die Öffnungen 32 symmetrisch zu den Positionen der unteren Hauptelektrode 22 entlang ihres senkrechten Schaltweges. Wenn sich diese mitten in einer der Öffnungen 32 befindet, gibt es einen minimalen Abstand d zwischen dem Äußeren der Hauptelektrode 22 und dem Inneren einer solchen Öffnung 32, wie in Fig. 1 gezeigt ist. Dieser Abstand d zwischen dem Schaltweg sr und der Nebenelektrode 30 beträgt weniger als 10 mm, wobei sich Werte zwischen 0,5 und 1 mm besonders bewährt haben. Es ist auch möglich, dass die oberste Nebenelektrode 30a derart angeordnet ist, dass sich die obere Hauptelektrode 18 im Bereich der Öffnung 32a befindet. Solche Ausgestaltungen sind beispielsweise in Fig. 3 und 4 dargestellt
Fig. 2 zeigt eine Querschnittsdarstellung des bevorzugten Leistungsschalters 10, der - wie bereits oben genannt - im Wesentlichen kreis- bzw. zylindersymmetrisch gestaltet ist. Aus Gründen der Übersichtlichkeit wurden von den Nebenelektroden 30a,...,30e lediglich drei eingezeichnet. Fig. 2 zeigt außerdem noch weitere mögliche Abwandlungen. So weist hier der Isolator 12 erste Bereiche 12a, die elektrisch leitfähig sind, sowie zweite Bereiche 12b, die elektrisch isolierend sind, auf. Die ersten Bereiche 12a bestehen bevorzugterweise aus Metall. Die zweiten Bereiche 12b bestehen aus üblichem Material, wie Keramik oder dergleichen. Außerdem ist in Fig. 2 die obere Hauptelektrode 18 recht groß gestaltet, so dass ihre laterale Abmessung größer ist als die der unteren Hauptelektrode 22.
Weiterhin weist der Leistungsschalter 10 hier ein Abschirmblech 33 auf. Zusammen mit den Halterungen 31a und 31 e, die bevorzugterweise ebenfalls als Bleche gestaltet sind und somit auch als Abschirmbleche funktionieren, wird so die dielektrische Fläche der Isolatoren 12 während des Entstehens und Vorhandenseins eines Lichtbogens gegen dadurch auftretende Strömungen von Metallpartikeln abgeschirmt.
In Fig. 2 sind ebenfalls ein Elektromagnet 34, ein Permanentmagnet 36 sowie eine Feder 38 dargestellt, die bei entsprechender Beschaltung und Ansteuerung durch geeignete Mittel (hier nicht gezeigt) eine vertikale Betätigung des unteren Schafts 24 - und damit auch der unteren Hauptelektrode 22 - ermöglichen und so einen gewünschten Schaltvorgang durch eine Zusammenschaltung bzw. Trennung der beiden Hauptelektroden 18, 22 bewirken können.
Die in Fig. 2 gezeigte Anordnung der Magnete 34, 36 sowie der Feder 38 ist lediglich symbolisch und deutet einen Leistungsschalter 10 an, der als gasgefüllter Schalter realisiert ist. Bei einem Vakuumschalter hingegen werden der Elektromagnet 34 und die Feder 38 bevorzugterweise unterhalb der unteren Abschlussplatte 16 und außerhalb der Vakuumkammer montiert.
Das Besondere an der vorliegenden Erfindung sind die in den Ausführungsbeispielen gezeigten Nebenelektroden 30. Diese bewirken, dass Lichtbögen, die während des Schaltvorgangs üblicherweise entstehen, auf einfache Weise gelöscht werden können. Das soll mit der folgenden Fig. 3 näher erläutert werden.
Fig. 3 besteht aus den Einzeldarstellungen 3a ... 3h. Dabei sind während eines Schaltvorgangs, bei dem die beiden Hauptelektroden 18, 22 voneinander getrennt werden, nacheinander jeweils verschiedenen Positionen der unteren Hauptelektrode 22 gezeigt. Außerdem sind die Nebenelektroden 30a,...,30e dargestellt sowie verschiedene Lichtbögen, die während eines solchen Schaltvorgangs entstehen können. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel befindet sich die oberste Nebenelektrode 30a im Wesentlichen auf der gleichen Höhe wie die erste Hauptelektrode 18, die nahezu ortsfest ist. Es wird davon ausgegangen (hier nicht dargestellt), dass die untere Hauptelektrode 22 zunächst so angesteuert war, dass die beiden Hauptelektroden 18, 22 sich berührten und dadurch eine Gleichspannung von ca. 50 kV oder mehr geschaltet wurde. Wenn die beiden Hauptelektroden 18, 22 getrennt werden, treten verschiedene Lichtbögen auf, auf die im Folgenden näher eingegangen wird. Sie entstehen innerhalb eines Vakuum-Leistungsschalters dadurch, dass sich Metallpartikel aus dem Material der Elektroden lösen. Solche Lichtbögen sind jedoch instabil und deren Auftreten bzw. Erlöschen folgt statistischen Gesetzmäßigkeiten.
Fig. 3a zeigt die beiden Hauptelektroden 18, 22 kurz nach deren Trennung, wobei die untere Hauptelektrode 22 eine Position eingenommen hat, in der sie sich etwa auf der gleichen Höhe befindet wie die Nebenelektrode 30b. Zunächst entsteht bei dem Trennungsvorgang ein Lichtbogen 110 zwischen den beiden Hauptelektroden 18, 22. Nahezu gleichzeitig treten auch ein Lichtbogen 112 (zwischen der oberen Hauptelektrode 18 und der Nebenelektrode 30a), ein Lichtbogen 114 (zwischen den Nebenelektroden 30a, 30b) und ein Lichtbogen 116 (zwischen der Nebenelektrode 30b und der unteren Hauptelektrode 22) auf.
Fig. 3b zeigt eine Situation, in der sich die untere Hauptelektrode 22 während des Schaltvorgangs weiter nach unten bewegt hat. Der Abstand zwischen den Hauptelektroden 18, 22 ist dadurch größer geworden und der ursprünglich vorhandene Lichtbogen 110 ist erloschen. Die Lichtbögen 112, 114 und 116 hingegen sind noch vorhanden. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind Lichtbögen, die bereits einmal beschrieben wurden, in den anschließenden Figuren nicht nochmals separat mit Bezugszeichen versehen, so wie hier bei den Lichtbögen 112, 114 und 116. Lediglich in Fig. 3 h sind alle dort vorhandenen Lichtbögen der Vollständigkeit halber nochmals mit Bezugszeichen versehen.
In Fig. 3c ist Lichtbogen 116 erloschen. Stattdessen sind ein Lichtbogen 130 (zwischen den Nebenelektroden 30b, 30c) und ein Lichtbogen 132 (zwischen der Nebenelektrode 30c und der unteren Hauptelektrode 22) neu aufgetreten. In Fig. 3d befindet sich die untere Hauptelektrode 22 zwar unterhalb der Nebenelektrode 30c. Dennoch sind die gleichen Lichtbögen vorhanden wie in Fig. 3c.
In Fig. 3e und 3f befindet sich die untere Hauptelektrode 22 auf der Höhe der Nebenelektrode 30d bzw. knapp darunter. Dadurch ist der Lichtbogen 132 erloschen. Es entstehen jedoch ein Lichtbogen 150 (zwischen den Nebenelektroden 30c und 30d) und ein Lichtbogen 152 (zwischen der Nebenelektrode 30d und der unteren Hauptelektrode 22).
In Fig. 3g und 3h befindet sich die untere Hauptelektrode 22 auf der Höhe der Nebenelektrode 30e bzw. knapp darunter. Dadurch ist der Lichtbogen 152 erloschen. Es entstehen jedoch ein Lichtbogen 170 (zwischen den Nebenelektroden 30d und 30e) und ein Lichtbogen 172 (zwischen der Nebenelektrode 30e und der unteren Hauptelektrode 22).
Die während des Schaltvorganges sowie insbesondere auch in der Position gemäß Fig. 3h vorhandenen Lichtbögen 112, 114, 130, 150, 170 und 172 sind entstanden durch die besondere Ausgestaltung und Positionierung der Nebenelektroden 30 zueinander sowie in Bezug auf die Position der oberen Hauptelektrode 18 und den Schaltweg der unteren Hauptelektrode 22. Diese Lichtbögen sind quasi in Serie geschaltet. Das bedeutet, wenn aufgrund der statistischen Gesetzmäßigkeiten einer dieser Lichtbögen erlischt, wird die ganze Funkenstrecke unterbrochen. Dadurch wird erreicht, dass Lichtbögen bei dem erfindungsgemäßen Hochspannungs-Leistungsschalter wesentlich früher erlöschen als bei bisher bekannten Leistungsschaltern.
Fig. 4 ist ein Ausschnitt aus Fig. 2 und zeigt in vergrößerter Form insbesondere die erste Nebenelektrode 30a. Dabei zeigt sich deutlich, dass diese Nebenelektrode 30a eine Kontur aufweist, wobei zum Schaltweg hin - hier angedeutet durch dessen linke Begrenzung sl - ein kleinerer Radius r realisiert ist als auf der gegenüberliegenden Seite, wo ein größerer Radius R vorhanden ist. Das bedeutet also, dass es sich bei den bevorzugten Ausführungsformen bewährt hat, zumindest einzelne der Nebenelektroden 30 in Richtung zum Schaltweg sl, sr dünner bzw. spitzer auszuformen als auf der anderen Seite. Dadurch wird erreicht, dass einerseits die Nebenelektroden 30 im äußeren Bereich, also auf der vom Schaltweg sl, sr abgewandten Seite, voneinander einen recht kleinen Abstand von einigen Millimetern haben, wodurch die Lichtbögen 114, 130, 150 und 170 (s. Fig. 3) entstehen können; andererseits haben die Nebenelektroden 30 im Bereich des Schaltwegs sl, sr voneinander einen deutlich größeren Abstand als zu dem Schaltweg sl, sr selbst, wodurch die Lichtbögen 112, 116, 132, 152 und 172 (s. Fig. 3) entstehen können.
Fig. 5 zeigt zwei Nebenelektroden 30'a und 30'b mit einer alternativen Kontur, die - in perspektivischer Sicht - vom Schaltweg sl, sr nach außen hin jeweils dreieckförmig verläuft. Auch auf diese Weise kann erreicht werden, dass der Abstand zwischen den Nebenelektroden 30' im Bereich des Schaltwegs sl bzw. sr größer ist, als auf der äußeren Seite der Nebenelektroden 30'.
Fig. 6 zeigt in symbolischer Weise ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Leistungsschalters 10. Das Besondere hieran ist die elektronische Schaltung 50, die aus einer Vielzahl von ohmschen Widerständen 52 sowie aus einer Vielzahl von spannungsabhängigen Widerständen 54 besteht, die im Folgenden auch Varistoren genannt werden. Die Widerstände 52 und die Varistoren 54 sind jeweils in Reihe geschaltet. Für einen Hochspannungs-Leistungsschalter hat es sich bewährt, dass die Widerstände 52 jeweils einen Wert größer als 100 kΩ aufweisen. Dabei ist ein Bereich zwischen 100 kΩ und 1 MΩ besonders vorteilhaft. Die Varistoren sind in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel so ausgelegt, dass sie eine Begrenzungsspannung (Schwellspannung) von ca. 1 kV haben.
Die bevorzugte Ausführungsform des Leistungsschalters 10 ist so ausgelegt, dass Spannungen im Bereich von ca. 200 kV geschaltet werden können. Wenn dabei 5 Nebenelektroden 30a,...,30e vorhanden sind (wie auch dargestellt), so ergeben sich zwischen diesen Nebenelektroden 30a,...,30e vier Spalte. Um eine optimale Funkenstrecke mit den Funken 114, 130, 150, 170 (s. Fig. 3) zu ermöglichen, sind zwischen jeweils zwei Nebenelektroden (30a-30b, 30b-30c, 30c-30d, 30d-30e) so viele der Varistoren 54 angeordnet, dass sich jeweils eine Begrenzungsspannung von 50 kV ergibt. Wenn also, wie oben angenommen, jeder der Varistoren 54 eine Begrenzungsspannung von 1 kV hat, so werden zwischen jedem der Nebenelektrodenpaare 30a-30b, 30b-30c, 30c-30d, 30d-30e 50 Stück der Varistoren 54 angeordnet, um so die gewünschten Begrenzungsspannungen zu ermöglichen. Durch die Widerstände 52 wird eine gute Spannungsverteilung zwischen den Nebenelektroden 30 gewährleistet.
Die elektronische Schaltung 50 ist bei dieser Ausführung folgendermaßen verschaltet. Die Halterungen 31 sind hier jeweils als Blech gestaltet, so dass diese Haltebleche jeweils auch als Abschirmblech funktionieren. Über einen ersten elektrischen Leiter 56 ist das erste Halteblech 31 a über den oberen Schaft 20 elektrisch mit der oberen Hauptelektrode 18 verbunden. Zwischen dem ersten Halteblech 31 a und dem zweiten Halteblech 31 b sind eine Reihe von Varistoren 54 geschaltet, zu denen eine Reihe von Widerständen 52 parallel geschaltet sind. In Fig. 6 sind zwischen dem ersten Halteblech 31 a und dem zweiten Halteblech 31 b sowohl sechs Widerstände 52 als auch sechs Varistoren 54 gezeigt. Auch zwischen den anderen benachbarten Halteblechen 31b-31c, 31c-31d und 31d-31e sind jeweils sechs Widerstände 52 und sechs Varistoren 54 gezeigt. Es sei darauf hingewiesen, dass diese Anzahl nur beispielhaft ist und zwischen benachbarten Halteblechen 31 verschieden sein kann. Das heißt weiterhin auch, dass die Anzahl der Widerstände 52 verschieden sein kann von der Anzahl der Varistoren 54. Das letzte Halteblech 31e ist außerdem über einen zweiten elektrischen Leiter 58 über den unteren Schaft 24 mit der unteren Hauptelektrode 22 elektrisch verbunden.
Die in den Figuren dargestellten und bisher beschriebenen Ausführungsbeispiele sind bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Dabei sind verschiedene Ausgestaltungen und Abwandlungen möglich.

Referenzzeichenliste

10: Leistungsschalter
12: Isolator
12a: erster Bereich von 12 (elektrisch leitend)
12b: zweiter Bereich von 12 (elektrisch isolierend)
14: obere Abschlussplatte
16: untere Abschlussplatte
18: obere Hauptelektrode
20: oberer Schaft
22: untere Hauptelektrode
24: unterer Schaft
26: Pfeil
28: Schleifkontakt
30a,...,30e: Nebenelektroden
31a,...,31e: Halterungen der Nebenelektroden
32a,...,32e: Öffnungen in den Nebenelektroden
33: Abschirmblech
34: Elektromagnet
36: Permanentmagnet
38: Feder
50: elektronische Schaltung
52: Widerstände
54: Varistoren
56: erster elektrischer Leiter
58: zweiter elektrischer Leiter
110, 112, 114, 116: Lichtbogen in Fig. 3a, 3b (erstmals)
130, 132: Lichtbogen in Fig. 3c,3d (erstmals)
150, 152: Lichtbogen in Fig. 3e, 3f (erstmals)
170, 172: Lichtbogen in Fig. 3g, 3h (erstmals)

A, B: Anschlussports für Hochspannung
d: Abstand zwischen Begrenzung des Schaltwegs und Rand von 32
r: Radius der Nebenelektrode im Bereich des Schaltwegs
R: Radius der Nebenelektrode gegenüber vom Schaltweg
sl, sr: linke bzw. rechte Begrenzung des Schaltweges

Claims

Leistungsschalter zum Schalten von elektrischen Spannungen mit einer ersten Elektrode (18), die mit einem ersten Pol (A) der zu schaltenden Spannung verbunden werden kann und einer zweiten Elektrode (22), die mit einem zweiten Pol (B) der zu schaltenden Spannung verbunden werden kann, wobei Schaitmittel (34, 36, 38) vorgesehen sind, die geeignet sind, zumindest eine der Elektroden (18, 22) je nach Schaltzustand entlang eines Schaltweges (sl, sr) zu bewegen und so die Elektroden (18, 22) aufeinander zu oder voneinander weg zu bewegen, wobei mehr als eine Nebenelektrode (30) vorhanden ist, die sich nahe des Schaltweges (sl, sr) befindet, dadurch gekennzeichnet, dass die Nebenelektroden (30) im Bereich des Schaltwegs (sl, sr) einen größeren Abstand voneinander haben als auf der dem Schaltweg (sl, sr) abgewandten Seite.
Leistungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (d) zwischen dem Schaltweg (sl, sr) und der Nebenelektrode (30) weniger als 10 mm, bevorzugt zwischen 0,5 und 1 mm beträgt.
Leistungsschalter nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er als Vakuum-Leistungsschalter ausgebildet ist.
Leistungsschalter nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Nebenelektroden (30) ringförmig oder flächenhaft gestaltet ist und eine Öffnung (32) aufweist, durch die der Schaltweg (sl, sr) verläuft.
Leistungsschalter nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Nebenelektroden (30) eine Kontur aufweist, wodurch sie im Bereich des Schaltwegs (sl, sr) dünner ist als auf der dem Schaltweg (sl, sr) abgewandten Seite.
Leistungsschalter nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nebenelektroden (30) im Bereich des Schaltwegs (sl, sr) einen größeren Abstand voneinander haben als ihr minimaler Abstand (d) zu dem Schaltweg (sl, sr) beträgt.
Leistungsschalter nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Elektroden (18, 22) innerhalb des Leistungsschalters nahezu ortsfest angeordnet ist und die andere der Elektroden (18, 22) entlang des Schaltwegs (sl, sr) bewegt werden kann.
Leistungsschalter nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einzelne der Nebenelektroden (30) miteinander elektrisch verbunden sind durch ein Netzwerk, das mindestens einen Varistor (54) und/oder mindestens einen Widerstand (52) enthält.