EP4762583A1 - Kurvenscheibengetriebe zur kompensation der druckkraft in vakuumschaltröhren - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft Leistungsschalter zum selektiven Bereitstellen einer elektrisch leitfähigen Verbindung, insbesondere Leistungsschalter mit Vakuumschaltröhren, wobei bevorzugt nicht linearen Belastungsverläufen an Bestandteilen einer kinematischen Kette vermieden werden. Entsprechend wird ein Leistungsschalter (10) zum selektiven Bereitstellen einer elektrisch leitfähigen Verbindung vorgeschlagen, umfassend mindestens eine Unterbrechereinheit (12), welche eine Hülle (14) mit einem darin angeordneten bewegbaren Kontaktelement (16) umfasst, wobei jedes bewegbare Kontaktelement (16) von einem Vorspannelement, welches an einem der Kontaktfläche des Kontaktelements gegenüberliegenden Endbereich der Hülle (14) angeordnet ist, vorgespannt ist, ein Schaltergehäuse (21), wobei die mindestens eine Unterbrechereinheit (12) im Schaltergehäuse (21) aufgenommen und jedes Vorspannelement dem Druck im Schaltergehäuse (21) ausgesetzt ist, und ein Stellglied, welches außerhalb des Schaltergehäuses (21) angeordnet und dazu eingerichtet ist, das jeweilige bewegbare Kontaktelement (16) selektiv zu betätigen. Erfindungsgemäß weist der Leistungsschalter (10) weiterhin ein Begrenzungselement auf, bevorzugt außerhalb des Schaltergehäuses (21), welches dazu eingerichtet ist, eine Bewegung des jeweiligen bewegbaren Kontaktelements (16) zu begrenzen, wobei das jeweilige bewegbare Kontaktelement (16) und das Stellglied über das Begrenzungselement kraftgekoppelt und/oder drehmomentgekoppelt sind.

Description

Beschreibung

Kurvenscheibengetriebe zur Kompensation der Druckkraft in Vakuumschaltröhren

Die vorliegende Erfindung betri f ft Leistungsschalter zum selektiven Bereitstellen einer elektrisch leitfähigen Verbindung, insbesondere Leistungsschalter mit Vakuumschaltröhren, wobei bevorzugt nicht lineare Belastungsverläufe an Bestandteilen einer kinematischen Kette vermieden werden .

In Mittelspannungs- und Hochspannungsanlagen, beispielsweise mit Spannungen bis etwa 40 kV oder auch bis etwa 150 kV oder sogar bis etwa 1200 kV für Energieerzeugung und Energieübertragung, werden Leistungsschalter eingesetzt , um bei Abweichungen von regulären Betriebsströmen, beispielsweise bei andauernden Überlastströmen und/oder bei hohen Kurzschlussströmen, eine Netztrennung zu ermöglichen . Auf diese Weise können Anlagen auch beim Auftreten solcher hohen Ströme vor Schäden geschützt werden . Um die Schaltung beziehungsweise Trennung zu ermöglichen, sind in den Leistungsschaltern eine oder mehrere Unterbrechereinheiten vorgesehen, welche eine elektrisch leitfähige Verbindung bei entsprechender Schaltung unterbrechen können . Dabei wird üblicherweise ein bewegbares Kontaktelement von einem fest angeordneten Kontaktelement getrennt , sodass die entsprechenden Kontakt flächen sich nicht länger berühren und voneinander beabstandet sind .

Um bei einer solchen Unterbrechung zu verhindern, dass ein sich entwickelnder Lichtbogen eine Gefahr für die unmittelbare Umgebung bildet , wurden bisher nicht entflammbare Gase in die Unterbrechereinheit eingeführt , um freie Elektronen zu binden und eine Verbreiterung von entflammbaren, ionischen Gasen zu vermeiden . Ein häufig verwendetes Gas für solche Anwendungen ist Schwefelhexafluorid ( SF6 ) . Dadurch, dass Schwefelhexafluorid in der Atmosphäre j edoch als starkes Treibhausgas fungiert , wurden Lösungen gesucht , welche eine klimaneutrale Realisierung von Schaltgeräten und Schaltanlagen ermöglichen . Eine solche klimaneutrale Lösung bietet der Einsatz von Vakuumschaltröhren, wobei anstelle eines I solationsmediums ein Vakuum in der Unterbrechereinheit vorgesehen ist , sodass auch im Falle eines eventuell auftretenden Lichtbogens keine sich verbreitende Ionisierung auf tritt . Durch den Druckunterschied zwischen der Vakuumschaltröhre und dem umgebenden Schaltergehäuse wirkt von der AUS-Position des Leistungsschalters bis zum galvanischen Kontakt der Kontakt flächen der Kontaktelemente eine annähernd konstante Druckkraft in Richtung der EIN-Position .

Es hat sich dabei erwiesen, dass die Druckkraft , welche auf den in der Vakuumröhre angeordneten Röhrenbalg ausgeübt wird, einen signi fikanten Einfluss auf eine zur Schaltung des Leistungsschalters vorgesehene kinematische Kette hat . Um diese unvorteilhafte Auswirkung zumindest teilweise zu reduzieren, wurde bisher ein zweiter Faltenbalg zwischen dem Schaltergehäuse und der Umgebung vorgesehen . Der relevante Durchmesser kann dabei derart dimensioniert sein, dass sich die Kräfte von Schalterbalg zu Röhrenbalg annähernd aufheben .

Ein Problem dabei ist j edoch, dass die Schalter- und Röhrenbalge nicht beide über die komplette Schaltbewegung wirken . Denn während die Druckkraft am Schalterbalg während der gesamten Schaltbewegung wirkt , wirkt die Druckkraft am Röhrenbalg auf die kinematische Kette nur zwischen der AUS-Position und der Position des ersten galvanischen Kontaktes , sodass am Ende der Einschaltung nur noch der Schalterbalg auf die kinematische Kette wirkt . Die damit einhergehende Kraftwirkung ist entsprechend der Bewegungsrichtung der Einschaltung entgegengesetzt , sodass der Schalterantrieb dieser zusätzlichen Kraft beim Einschalten entgegenwirken muss . Dadurch können beispielsweise größere Einschalt federenergien erforderlich sein .

Weiterhin kann der Röhrenbalg beispielsweise bei unterschiedlichen kinematischem Ketten, insbesondere bei unterschiedlichen Übersetzungen, beispielsweise an Umlenkhebeln, einen nicht linearen Belastungsverlauf an Bestandteilen einer kine- matischen Kette hervorrufen . Solche nicht linearen Belastungen kann der Schalterbalg nicht hinreichend kompensieren .

Darstellung der Erfindung

Erfindungsgemäß wurde erkannt , dass derzeitige schalterbalgbasierte Lösungen im Bereich zwischen einer AUS Position und eines ersten galvanischen Kontakts in einem Leistungsschalter eine gewisse Kompensationskraft bereitstellen können . Diese Kompensationskraft für die auf den Röhrenbalg wirkende Druckkraft kann dabei abhängig von der Dimensionierung des Schalterbalgs beziehungsweise der Schalterbalgkraft gewählt sein . Um eine nahezu vollständige Kompensationskraft bereitzustellen, ist die der Einschaltung entgegenwirkende Kraft j edoch am größten . Umgekehrt kann eine Einschaltkraft beispielsweise bei einer geringeren Dimensionierung des Schalterbalgs zwar reduziert werden . Bei einer solchen Ausgestaltung konnte j edoch keine hinreichende Kompensationswirkung festgestellt werden .

Ausgehend von dem bekannten Stand der Technik ist es daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten Leistungsschalter bereitzustellen . Insbesondere kann eine Aufgabe darin gesehen werden, eine verbesserte Kompensierung einer von einer Unterbrechereinheit ausgehenden Kraft bereitzustellen, welche keine zusätzliche Belastung auf eine kinematische Kette des Leistungsschalters bewirkt .

Die Aufgabe wird durch einen Leistungsschalter mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst . Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Figuren .

Entsprechend wird ein Leistungsschalter zum selektiven Bereitstellen einer elektrisch leitfähigen Verbindung vorgeschlagen, umfassend mindestens eine Unterbrechereinheit , welche eine Hülle mit einem darin angeordneten bewegbaren Kontaktelement umfasst , wobei j edes bewegbare Kontaktelement von einem Vorspannelement , welches an einem der Kontakt fläche des Kontaktelements gegenüberliegenden Endbereich der Hülle angeordnet ist , vorgespannt ist . Der Leistungsschalter umfasst weiterhin ein Schaltergehäuse , wobei die mindestens eine Unterbrechereinheit im Schaltergehäuse auf genommen und j edes Vorspannelement dem Druck im Schaltergehäuse ausgesetzt ist , und ein Stellglied, welches außerhalb des Schaltergehäuses angeordnet und dazu eingerichtet ist , das j eweilige bewegbare Kontaktelement selektiv zu betätigen . Erfindungsgemäß weist der Leistungsschalter weiterhin ein Begrenzungselement auf , welches dazu eingerichtet ist , eine Bewegung des j eweiligen bewegbaren Kontaktelements zu begrenzen, wobei das j eweilige bewegbare Kontaktelement und das Stellglied über das Begrenzungselement kraftgekoppelt und/oder drehmomentgekoppelt sind .

Durch das Begrenzungselement wird ermöglicht , dass eine auf das j eweilige Vorspannelement auswirkende Kraft kompensiert werden kann und entsprechend keine unerwünschte Bewegung des entsprechenden bewegbaren Kontaktelements in Richtung einer EIN-Position beziehungsweise eines galvanischen Kontakts des Leistungsschalters erfolgt . Mit anderen Worten bewirkt das Begrenzungselement , dass das j eweilige bewegbare Kontaktelement in seiner Position, insbesondere in der AUS-Position, sicher gehalten werden kann .

Der Druck im Schaltergehäuse ist dabei bevorzugt größer als in der Hülle der j eweiligen Unterbrechereinheit . Durch diesen vom Inneren des Schaltergehäuses ausgehenden positiven Druckunterschied kann das j eweilige Vorspannelement sich erstrecken beziehungsweise expandieren, wobei eine Kontakt fläche des bewegbaren Kontaktelements in Richtung einer Kontaktfläche eines ebenfalls in der Unterbrechereinheit fest angeordneten Kontaktelements bewegt werden kann . Durch das Begrenzungselement wird eine solche Bewegung j edoch ef fektiv verhindert .

Weiterhin wird aufgrund der über das Begrenzungselement be- reitgestellten Kraf tkopplung und/oder Drehmomentkopplung ermöglicht , dass eine Kraftauswirkung auf das Stellglied im We- sentlichen auf null reduziert werden kann . Denn die Druckkraft , welche das j eweilige Vorspannelement beaufschlagt , wird durch das Begrenzungselement quasi ausgeglichen oder kompensiert , sodass weder eine zusätzliche Belastung noch eine Kraftanpassung des Stellglieds erforderlich sind . Die Kraf tkopplung bzw . insbesondere die Drehmomentkopplung ermöglicht dabei ebenfalls eine nicht lineare Kompensierung, wobei eine vom bewegbaren Kontaktelement auf das Begrenzungselement einwirkende Kraft bei einer nicht linearen Erhöhung quasi automatisch von einer entsprechenden Erhöhung einer entgegenwirkenden Kraft bzw . eines entgegenwirkenden Drehmoments , welche ( s ) vom Begrenzungselement bereitgestellt wird, kompensiert wird .

Das Begrenzungselement kann dabei im Schaltergehäuse angeordnet sein, um beispielsweise eine besonders kompakte Anordnung zu ermöglichen . Bevorzugt ist das Begrenzungselement außerhalb des Schaltergehäuses angeordnet . Auf diese Weise kann das Begrenzungselement beispielsweise für ein Retrofitting bereitgestellt werden und/oder in einer Komponente des Stellglieds leichter integriert bzw . implementiert werden . Weiterhin kann eine solche Anordnung eine eventuelle nachträgliche Anpassung des Begrenzungselements erheblich erleichtern .

Bevorzugt ist das j eweilige Vorspannelement röhrenbalgförmig ausgebildet und/oder ist das Schaltergehäuse frei von einem Schalterbalg . Ein Röhrenbalg kann beispielsweise an einem Endbereich der Hülle vorgesehen sein und eine Verbindung zwischen der Hülle und dem bewegbaren Kontaktelement bereitstellen, wobei die Röhrenbalgform eine beidseitige Bewegung des Kontaktelements ermöglicht , d . h . sowohl in Richtung des fest angeordneten Kontaktelements als auch eine Bewegung, wobei die entsprechenden Kontakt flächen voneinander getrennt werden . Die Röhrenbalgform kann beispielsweise typischerweise in einer Unterbrechereinheit vorgesehen sein und dabei eine gewisse Stabilität für das bewegbare Kontaktelement bereitstellen . Die auf das Vorspannelement wirkende Druckkraft kann somit eine Vorspannung in Richtung der EIN-Position bewirken . Dies wird erfindungsgemäß j edoch durch das Begrenzungselement ef fektiv verhindert .

Das Begrenzungselement kann zwar zusätzlich zu einem Schalterbalg vorgesehen sein, beispielsweise um ein Retrofitting zu erleichtern oder eine auftretende lineare Kraft zumindest teilweise anhand des Schalterbalgs zu kompensieren . Bevorzugt wird die Funktion eines solchen nach Außen beziehungsweise zur Umgebung wirkenden Schalterbalgs durch das Begrenzungselement ersetzt , sodass eine vom Druck im Inneren des Schaltergehäuses wirkende Kraft auf das bewegbare Kontaktelement bevorzugt ausschließlich vom Begrenzungselement entgegengewirkt wird . Dadurch sind keine zusätzlichen Komponenten erforderlich und kann die Komplexität des Leistungsschalters verringert werden . So kann beispielsweise eine Abdichtung des Inneren des Schaltergehäuses zur Umgebung hin vereinfacht werden . Weiterhin kann die vom Begrenzungselement bereitgestellte Kompensationskraft beziehungsweise das Kompensationsmoment direkt an die vom j eweiligen Vorspannelement ausgehende Kraft angepasst werden .

Bevorzugt ist die j eweilige Unterbrechereinheit als Vakuumschaltröhre ausgebildet und/oder ist der Druck im Schaltergehäuse größer als ein Umgebungsdruck, insbesondere größer als 1 bar . Die Ausgestaltung als Vakuumschaltröhre hat den Vorteil , dass auf ein I solationsmedium in der Hülle verzichtet werden kann, wobei eine Verbreiterung eines gegebenenfalls auftretenden Lichtbogens in der Unterbrechereinheit dennoch ef fektiv verhindert wird . In dieser Hinsicht kann ein Überdruck im Schaltergehäuse eine vorteilhafte dielektrische I solation bereitstellen .

Bei einer Ausgestaltung als Vakuumschaltröhre ist das Innere der Hülle bevorzugt über das j eweilige Vorspannelement zum Inneren des Schaltergehäuses fluidisch abgedichtet . Das j eweilige bewegbare Kontaktelement ist dabei bevorzugt mit einem längsseitigen Ende des Vorspannelements fest verbunden und damit fluidisch abgedichtet . So kann das bewegbare Kontaktelement mit einem längsseitigen Endbereich eines im Inne- ren der Hülle angeordneten Röhrenbalgs verbunden sein, wobei ein gegenüberliegender Endbereich des Röhrenbalgs am entsprechenden Endbereich der Hülle angeordnet ist und eine Fluidabdichtung der Hülle zum Inneren des Schaltergehäuses bereitstellt .

Um eine verbesserte Kompensationskraft und insbesondere eine verbesserte nicht lineare Kompensationskraft bereitzustellen, kann das Begrenzungselement vorteilhafterweise als Kurvengetriebe ausgebildet sein, wobei ein Kurvenglied des Kurvengetriebes mit dem bewegbaren Kontaktelement und dem Stellglied verbunden und mit einem Energiespeicher gekoppelt ist .

Sowohl das j eweilige bewegbare Kontaktelement als auch das Stellglied beziehungsweise Betätigungselement oder Antriebsglied können dabei mittels einer Anbindung über einen j eweiligen Umlenkhebel mit dem Kurvenglied verbunden sein . Auf diese Weise kann eine vom Stellglied bereitgestellte Antriebskraft zum Schalten des Leistungsschalters über das Kurvengetriebe an das bewegbare Kontaktelement weitergeleitet werden . Gleichzeitig ermöglicht die mechanische Kopplung mit dem Energiespeicher j edoch, dass eine vom Vorspannelement ausgehende und auf das Begrenzungselement wirkende Kraft kompensiert wird . Mit anderen Worten wird durch den Energiespeicher bevorzugt ein Gegendruck auf das Kurvenglied derart ausgeübt , dass ein vom Vorspannelement am Kurvenglied gebildetes Drehmoment von einem durch den Energiespeicher bereitgestellten Drehmoment am Kurvenglied aufgehoben wird . Auf diese Weise können Belastungen auf das Stellglied weitestgehend vermieden werden, sowohl im geschalteten beziehungsweise getrennten Zustand als auch während einer Bewegung des bewegbaren Kontaktelements in Richtung des fest angeordneten Kontaktelements , ohne dass dies einer Anpassung der Schaltkraft bedarf .

Obwohl der Energiespeicher unmittelbar mit dem Kurvenglied mechanisch gekoppelt sein kann, ist bevorzugt vorgesehen, dass das Kurvenglied über ein Eingri f fsglied des Kurvengetriebes mit dem Energiespeicher gekoppelt ist . Das Eingri f fs- glied umfasst dabei bevorzugt einen Hebel , wobei der Hebel mittels einer an dessen längsseitigen Endbereich angeordneten Rolle mit dem Kurvenglied gekoppelt und an dessen gegenüberliegenden Endbereich mit dem Energiespeicher gekoppelt ist . Bevorzugt ist der Energiespeicher dabei eine Feder .

Durch die Rolle an einem Ende des Hebels und den Energiespeicher am anderen Ende des Hebels kann eine Einprägung auf das Kurvenglied kontrollierter erfolgen und es kann eine verbesserte Abstimmung einer Gegenkraft auf die vom Vorspannelement ausgehenden Kraft bereitgestellt werden . Weiterhin können nicht lineare Belastungen durch den Hebel und die indirekte Kopplung des Energiespeichers mit dem Kurvenglied besser berücksichtigt und abgefangen werden . Die Ausgestaltung des Energiespeichers als Feder ermöglicht dabei eine vereinfachte Implementierung und Feineinstellung der bereitzustellenden Federkraft .

Das Kurvenglied ist bevorzugt als Kurvenscheibe ausgebildet , welche durch eine Welle gelagert ist . Dabei kann die Kurvenscheibe insbesondere derart ausgestaltet sein, dass ein auf die Kurvenscheibe wirkendes Drehmoment derart durch die Kontur der Kurvenscheibe vorgegeben ist , dass eine Bewegung der Kurvenscheibe eine nicht lineare Beaufschlagung des Eingri f fsglieds bewirkt .

Beispielsweise kann die Kurvenscheibe in Umfangsrichtung unterschiedliche Radien und/oder eine nicht kontinuierliche radiale Erstreckung aufweisen . Entsprechend kann das Eingri f fsglied bei entsprechendem Kontakt mit der Kurvenscheibe unterschiedlich betätigt werden beziehungsweise eine Einprägung auf die Kurvenscheibe beispielsweise aufgrund einer vom Energiespeicher und Ausschlag des Hebels bereitgestellten unterschiedlichen Hebelkraft nicht linear verlaufen . Die Kurvenscheibe kann dabei hinsichtlich ihrer Längsachse symmetrisch ausgebildet sein, kann j edoch auch asymmetrisch ausgebildet sein, um beispielsweise ein vorgegebenes Drehmoment für einen bestimmten Positionsbereich des bewegbaren Kontaktelements zwischen einer AUS-Position und dem galvanischen Kontakt bereitzustellen .

Die Welle der Kurvenscheibe kann weiterhin als Teil des Stellglieds ausgebildet sein . Auf diese Weise kann die Welle beispielsweise als Teil einer kinematischen Kette für das Begrenzungselement bereitgestellt werden, sodass das Begrenzungselement leicht in einer kinematischen Kette integriert beziehungsweise implementiert werden kann und die Komplexität des Leistungsschalters reduziert werden kann .

Um eine Drehmomentkopplung zu unterstützen, können das Eingri f f sglied und/oder das Kurvenglied für eine Rotationsbewegung und/oder eine translatorische Bewegung ausgebildet sein . So können das Kurvenglied und das Eingri f fsglied bevorzugt derart angeordnet sein, dass das Kurvenglied für eine Rotationsbewegung und das Eingri f fsglied für eine translatorische Bewegung gegenüber dem Kurvenglied ausgebildet sind . Alternativ kann ebenfalls vorgesehen sein, dass auch das Kurvenglied für eine translatorische Bewegung ausgebildet ist . Dazu kann beispielsweise eine Kulissenführung des Kurvenglieds vorgesehen sein, wobei das Eingri f fselement entsprechend gelagert ist , um bei der Führung auftretenden Querkräfte auf zunehmen . Weiterhin kann vorgesehen sein, dass sowohl das Eingri f fsglied als auch das Kurvenglied für eine Rotationsbewegung ausgebildet sind . Eine Rotation kann dabei insbesondere auch eine translatorische Kraft beziehungsweise Translation des j eweiligen beweglichen Kontaktelements bewirken, sodass bei einer Bewegung des bewegbaren Kontaktelements auftretende unterschiedliche Belastungen aufgrund der Drehmomentkopplung kompensiert werden können und das Stellglied entsprechend entlastet wird .

Bevorzugt sind ein Momentanradius bzw . eine numerische Kurve des Kurvenglieds und/oder ein Kraftbereich des Energiespeichers dazu dimensioniert , eine vom j eweiligen Vorspannelement ausgehende und auf das Begrenzungselement wirkende Kraft im nicht elektrisch leitfähigen Zustand des Leistungsschalters aus zugleichen . Ein solcher Ausgleich ist bevorzugt sowohl im AUS-Zustand des Leistungsschalters als auch bei j eder Position zwischen dem AUS-Zustand und einer Position, worin ein galvanischer Kontakt bereitgestellt ist , gegeben . Auf diese Weise kann das Stellglied beziehungsweise der Antrieb des Leistungsschalters vollständig hinsichtlich der durch das j eweilige Vorspannelement , insbesondere einen Röhrenbalg, be- reitgestellten Belastungen entlastet werden . Beispielsweise kann ein Momentanradius an einem äußeren Winkelbereich des Kurvenglieds größer sein, sodass ein vom Begrenzungselement bereitgestelltes , gegenwirkendes Drehmoment bei einer entsprechenden Rotation des Kurvenglieds beziehungsweise der Kurvenscheibe nicht linear erhöht ist . Weiterhin kann vorgesehen sein, dass der Momentanradius bzw . der Kraftbereich ebenfalls dazu dimensioniert sind, eine Kraft eines gegebenenfalls vorhandenen Schalterbalgs am Schaltergehäuse zu kompensieren, wobei die Kompensierung sowohl im elektrisch leitfähigen als auch im nicht elektrisch leitfähigen Zustand bereitgestellt wird .

Um einen vorteilhaften Antrieb für den Leistungsschalter bereitzustellen, ist das Stellglied bevorzugt als kinematische Kette ausgebildet . Das Stellglied kann dabei einen Federspeicherantrieb umfassen . Durch die kinematische Kette kann ein Schalten des Leistungsschalters bereitgestellt bzw . erleichtert werden, wobei dennoch die erforderliche Antriebskraft gewährleistet ist und Belastungen auf die kinematische Kette weitestgehend kompensiert werden .

Der Leistungsschalter kann beispielsweise als einfachunterbrechender Leistungsschalter ausgebildet sein und eine einzelne Unterbrechereinheit umfassen . Dabei kann das entsprechende bewegbare Kontaktelement mittels einer Anbindung, bevorzugt außerhalb des Schaltergehäuses , mit dem Begrenzungselement mechanisch gekoppelt beziehungsweise verbunden sein . Entsprechend wird durch das Begrenzungselement ein Drehmoment bzw . eine Kraft bereitgestellt , welches einem Drehmoment bzw . einer Kraft am Begrenzungselement entgegenwirkt , welche ( s ) von lediglich einem beweglichen Kontaktelement beziehungsweise dessen Vorspannelement bereitgestellt wird .

Der Leistungsschalter kann j edoch auch als zwei fachunterbrechender Leistungsschalter ausgebildet sein und entsprechend zwei Unterbrechereinheiten umfassen, wobei die bewegbaren Kontaktelemente der Unterbrechereinheiten über eine einzelne Anbindung mit dem Begrenzungselement verbunden sind . Entsprechend wird durch das Begrenzungselement ein Drehmoment bzw . eine Kraft bereitgestellt , welche ( s ) einem Drehmoment bzw . einer Kraft am Begrenzungselement entgegenwirkt , welches im Vergleich zu einem einfachunterbrechenden Leistungsschalter größer ist . Beim zwei fachunterbrechender Leistungsschalter kann die zu beherrschende Spannung entsprechend auf zwei Unterbrechereinheiten aufgeteilt werden, wobei die nicht linearen Belastungen aufgrund der Mehrzahl von bewegbaren Kontaktelementen ausgeprägter sein können . Um dies zu berücksichtigen können beispielsweise ein Kurvengetriebe beziehungsweise eine Kurvenscheibe und ein Energiespeicher als Teil einer vorteilhaften Ausgestaltung des Begrenzungselements entsprechend dimensioniert sein . Alternativ kann ebenfalls vorgesehen sein, dass für j ede Unterbrechereinheit bzw . j edes bewegliche Kontaktelement ein individuelles Begrenzungselement vorgesehen ist .

Bevorzugte weitere Aus führungs formen der Erfindung werden durch die nachfolgende Beschreibung der Figuren näher erläutert . Dabei zeigen :

Figur 1 eine schematische Darstellung eines einfachunterbrechenden Leistungsschalters gemäß dem Stand der Technik;

Figur 2 eine schematische Darstellung eines zwei fachunterbrechenden Leistungsschalters gemäß dem Stand der Technik;

Figur 3 eine grafische Darstellung der am Schalterbalg wirkenden Kräfte für verschiedene Ausgestaltungen eines Schalterbalgs gemäß dem Stand der Technik; Figur 4 eine schematische Darstellung eines Leistungsschalters gemäß der Erfindung in einer bevorzugten Aus führungsform;

Figur 5 eine schematische detaillierte Ansicht des Kurvengetriebes gemäß Figur 4 ; und

Figur 6 eine grafische Darstellung der Drehmomente am Kurvengetriebe gemäß Figur 4 .

Detaillierte Beschreibung bevorzugter Aus führungsbeispiele

Im Folgenden werden bevorzugte Aus führungsbeispiele anhand der Figuren beschrieben . Dabei werden gleiche , ähnliche oder gleichwirkende Elemente in den unterschiedlichen Figuren mit identischen Bezugs zeichen versehen, und auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente wird teilweise verzichtet , um Redundanzen zu vermeiden .

In Figur 1 ist ein einfachunterbrechender Leistungsschalters 10 gemäß dem Stand der Technik schematisch dargestellt . Zu sehen ist , dass der Leistungsschalter 10 eine einzelne Unterbrechereinheit 12 umfasst , welche eine Hülle 14 aufweist , in der ein bewegbares Kontaktelement 16 zumindest teilweise aufgenommen ist . Das bewegbare Kontaktelement 16 kann entsprechend geschaltet werden, um eine elektrisch leitfähige Verbindung mit einem fest angeordneten Kontaktelement 18 bereitzustellen oder bei andauernden Überspannungen davon getrennt zu werden .

Die Unterbrechereinheit 12 ist dabei im Gehäuseinneren 22 eines Schaltergehäuses 21 angeordnet , wobei die Unterbrechereinheit 12 vorliegend als Vakuumunterbrecher beziehungsweise Vakuumröhre ausgebildet ist . Entsprechend ist innerhalb der Hülle 14 ein Druck von 0 (null ) bar vorhanden . Im Gehäuseinneren 22 des Schaltergehäuses 21 ist dagegen ein Druck vorhanden, welcher größer als der Umgebungsdruck und bevorzugt größer als 1 bar ist , insbesondere zwischen 5 bar und 10 bar oder höher als 10 bar . Auf diese Weise kann ein bei einer Trennung des beweglichen Kontaktelements 16 vom fest angeord- neten Kontaktelement 18 gegebenenfalls entstehender Schaltlichtbogen aufgrund des Vakuums quasi abgeschirmt werden beziehungsweise verhindert werden, dass der Schaltlichtbogen sich über die Unterbrechereinheit 12 hinaus erstreckt .

Das bewegbare Kontaktelement 16 ist über eine Vorspanneinheit , welche vorliegend als Röhrenbalg 20 ausgebildet ist , mit der Hülle 14 verbunden . Auf diese Weise kann das bewegbare Kontaktelement 16 sicher gehalten werden, wobei dennoch eine Bewegung im Fall einer entsprechenden Schaltung des Leistungsschalters 10 ermöglicht wird . Aufgrund des höheren Drucks im Gehäuseinneren 22 im Vergleich zum Vakuum innerhalb der Hülle 14 besteht j edoch eine Druckkraft auf den Röhrenbalg 20 , wie mit den entsprechenden Pfeilen gekennzeichnet . Entsprechend kann sich das bewegbare Kontaktelement 16 auch in einer AUS-Position und ohne entsprechende Schaltung des Leistungsschalters 10 in Richtung des fest angeordneten Kontaktelements 18 bewegen .

Um dies zu verhindern ist am Schaltergehäuse 21 ein Schalterbalg 23 vorgesehen, welcher ebenfalls mit dem bewegbaren Kontaktelement 16 verbunden ist . Der Schalterbalg 23 ist dabei derart dimensioniert , dass eine Gegenkraft bereitgestellt wird, welche entgegen der am Röhrenbalg 20 wirkenden Kraft gerichtet ist und somit eine unbeabsichtigte Bewegung des bewegbaren Kontaktelements 16 verhindert oder zumindest reduziert . Der Schalterbalg 23 ist dabei mittelbar mit einem Federspeicherantrieb 24 über einen Umlenkhebel 25 , welche Teil einer kinematischen Kette 26 sind, verbunden .

Eine entsprechende Ausgestaltung eines zwei fachunterbrechenden Leistungsschalters gemäß dem Stand der Technik ist schematisch in Figur 2 gezeigt . Entsprechend sind im Gehäuseinneren 22 des Schaltergehäuses 21 zwei Unterbrechereinheiten 12 vorgesehen, wobei die j eweiligen bewegbaren Kontaktelemente über eine Anbindung mit dem Schalterbalg 23 verbunden sind . Beim zwei fachunterbrechenden Leistungsschalter kann die zu beherrschende Spannung entsprechend auf zwei Unterbrechereinheiten aufgeteilt werden . Bei entsprechender Schaltung mit- tels des Federspeicherantriebs 24 kann der Strom dabei geschaltet beziehungsweise getrennt werden .

Ein Nachteil bei der Verwendung eines Schalterbalgs 23 liegt darin, dass für eine reduzierte Bewegung des bewegbaren Kontaktelements beziehungsweise der bewegbaren Kontaktelemente eine hinreichende Gegenkraft oder Schalterbalgkraft bereitgestellt werden muss . Diese Schalterbalgkraft muss j edoch bei der Ausgestaltung des Federspeicherantriebs 24 beziehungsweise bei der kinematischen Kette 26 berücksichtigt werden . Weiterhin ermöglicht der Schalterbalg 23 lediglich eine lineare Kompensation, sodass nicht lineare Belastungen nicht hinreichend kompensiert werden können oder eine Überdimensionierung des Schalterbalgs 23 erforderlich ist . Dieses Verhältnis ist in Figur 3 grafisch für verschiedene Ausgestaltungen des Schalterbalgs 23 dargestellt .

Entsprechend ist zu sehen, dass die verschiedenen Kompensationskräfte B1-B3 des Schalterbalgs 23 gegenüber einer unkompensierter Kraft A eine Verringerung der resultierenden Kraft am äußeren, der Umgebung zugewandten Ende des Schalterbalges 23 erzielen, wobei bei der größten Kompensationskraft B3 erreicht werden kann, dass die Wirkung der Röhrenbalge im Positionsbereich zwischen der AUS-Position und des galvanischen Kontakts ( GAL ) nahezu vollständig kompensiert wird . Dies führt j edoch dazu, dass für die Einschaltung (EIN) eine größere Schalterbalgkraft C3 bereitgestellt werden muss , um eine Einschaltung zu ermöglichen . Die entsprechende Schalterbalgkraft Cl , C2 ist bei den kompensierten Kräften Bl und B2 zwar geringer . Bei diesen kompensierten Kräften Bl und B2 ist die Kompensationswirkung aber auch erheblich geringer .

Erfindungsgemäß wurde entsprechend ein Leistungsschalter 10 entwickelt , welche die vorstehenden Probleme löst . Eine bevorzugte Aus führungs form ist entsprechend in Figur 4 schematisch dargestellt .

Der Leistungsschalter 10 ist als zwei fachunterbrechender

Leistungsschalter 10 ausgebildet , wobei das Schaltergehäuse 21 und die darin angeordneten Komponenten im Wesentlichen der Ausgestaltung gemäß Figur 2 entsprechen . Im Unterschied zur Figur 2 umfasst das Schaltergehäuse 21 j edoch in der dargestellten, bevorzugten Aus führungs form keinen Schalterbalg 23 , sondern ist ein Begrenzungselement in Form eines Kurvengetriebes 27 vorgesehen, wie mit dem gestrichelten Bereich gekennzeichnet . Entsprechend sind die bewegbaren Kontaktelemente 16 mittels einer Anbindung mit dem Kurvengetriebe 27 verbunden und ist das Kurvengetriebe 27 an dessen gegenüberliegenden Ende mittels einer entsprechenden Anbindung mit einem Federspeicherantrieb 24 verbunden .

Aufgrund des Kurvengetriebes 27 ist vorliegend eine Drehmomentkopplung bereitgestellt , wobei ein aufgrund des bewegbaren Kontaktelements 16 beziehungsweise der Röhrenbalge am Kurvengetriebe hervorgerufenes Drehmoment von einem vom Kurvengetriebe 27 bereitgestellten, gegenwirkenden Drehmoment aufgehoben beziehungsweise kompensiert wird . Dies ist mit den entsprechenden Pfeilen gekennzeichnet . Auf diese Weise können unvorteilhafte Vorspannkräfte an den j eweiligen Unterbrechereinheiten 12 vorteilhaft kompensiert werden . Dabei werden gleichzeitig unvorteilhafte Belastungen auf das Stellglied beziehungsweise den Federspeicherantrieb 24 vermieden . Durch die Drehmomentkompensierung wird weiterhin ermöglicht , dass eine Kompensation während einer Bewegung beziehungsweise beim Schalten des Leistungsschalters bereitgestellt wird, wobei aufgrund der Ausgestaltung auch nicht lineare Belastungen (nahezu) vollständig kompensiert werden können .

Denn das Kurvengetriebe 27 , wie in Figur 5 detaillierter gezeigt , kann vorteilhafterweise eine Kurvenscheibe aufweisen, welche von einer Welle 30 gelagert wird . Die Kontur der Kurvenscheibe 28 ist dabei nicht kontinuierlich ausgebildet . Mit anderen Worten ist der Radius der Kurvenscheibe 28 nicht kontinuierlich in Umfangsrichtung . Bei einer Kopplung mit einem Eingri f fsglied 32 kann somit auf vorteilhafte Weise eine nicht lineare Gegenkraft bereitgestellt werden . Im vorliegenden Beispiel ist das Eingri f fsglied 32 als Hebel 34 ausgebil- det , welcher an einem längsseitigen Endbereich eine Rolle 36 aufweist , welche mit dem Kurvenglied beziehungsweise der Kurvenscheibe 28 im Eingri f f steht . Am gegenüberliegenden Endbereich des Hebels 34 ist der Hebel 34 mit einem Energiespeicher gekoppelt , welcher vorliegend als Feder 38 ausgebildet ist . Bei einer entsprechenden Änderung des Drehmoments und eine damit einhergehenden Rotation der Kurvenscheibe 28 wird somit durch die Feder 38 aufgrund der Kontur der Kurvenscheibe 28 und des Eingri f fs der Rolle 36 eine entsprechende Gegenkraft auf die Kurvenscheibe 28 ausgeübt , welche ein gegenwirkendes Drehmoment bereitstellt und eine ef fektive Drehmomentkompensierung ermöglicht .

Eine solche Drehmomentkompensierung ist in Figur 6 grafisch dargestellt . Zu sehen ist , dass ein am Kurvengetriebe 27 be- reitgestelltes Drehmoment der Röhrenbalge D bei einer entsprechenden Rotation am Umlenkgetriebe und bei einer Bewegung von der AUS-Position in Richtung des galvanischen Kontakts (GAL ) nicht linear verläuft . Gleichzeitig wird j edoch am Kurvengetriebe 27 aufgrund der Einprägung der Rolle 36 auf die Kurvenscheibe 28 und die Kopplung mit der Feder 38 über den Hebel 34 ein vom Kurvengetriebe 27 ausgehendes Drehmoment E bereitgestellt . Das daraus resultierende Drehmoment ist ein kompensiertes Drehmoment F, welches vorteilhafterweise für nahezu den gesamten Winkel des Umlenkgetriebes beziehungsweise für nahezu den gesamten Weg von der AUS-Position in Richtung des galvanischen Kontakts eine hinreichende Kompensierung ermöglicht . Entsprechend können Belastungen, welche gemäß dem Stand der Technik von den Röhrenbalgen hervorgerufen werden, und insbesondere auch nicht lineare Belastungen an einer kinematischen Kette vollständig verhindert werden, ohne dass dies eine Anpassung der kinematischen Kette und/oder des Federspeicherantriebs erfordert .

Soweit anwendbar, können alle einzelnen Merkmale , die in den Aus führungsbeispielen dargestellt sind, miteinander kombiniert und/oder ausgetauscht werden, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen . Bezugs zeichenliste

10 Leistungsschalter

12 Unterbrechereinheit

14 Hülle

16 Bewegbares Kontaktelement

18 Fest angeordnetes Kontaktelement

20 Röhrenbalg

21 Schaltergehäuse

22 Gehäuseinnere

23 Schalterbalg

24 Federspeicherantrieb

25 Umlenkhebel

26 Kinematische Kette

27 Kurvengetriebe

28 Kurvenscheibe

30 Welle

32 Eingri f fsglied

34 Hebel

36 Rolle

38 Feder

A Unkompensierte Kraft

B1-B3 Kompensierte Kraft

C1-C3 Schalterbalgkraft D Drehmoment Röhrenbalg

E Drehmoment Kurvengetriebe

F Kompensiertes Drehmoment

Claims

Patentansprüche

1. Leistungsschalter (10) zum selektiven Bereitstellen einer elektrisch leitfähigen Verbindung, umfassend mindestens eine Unterbrechereinheit (12) , welche eine Hülle (14) mit einem darin angeordneten bewegbaren Kontaktelement (16) umfasst, wobei jedes bewegbare Kontaktelement (16) von einem Vorspannelement, welches an einem der Kontakt fläche des Kontaktelements gegenüberliegenden Endbereich der Hülle (14) angeordnet ist, vorgespannt ist, ein Schaltergehäuse (21) , wobei die mindestens eine Unterbrechereinheit (12) im Schaltergehäuse (21) aufgenommen und jedes Vorspannelement dem Druck im Schaltergehäuse (21) ausgesetzt ist, und ein Stellglied, welches außerhalb des Schaltergehäuses (21) angeordnet und dazu eingerichtet ist, das jeweilige bewegbare Kontaktelement (16) selektiv zu betätigen, gekennzeichnet durch ein Begrenzungselement, welches dazu eingerichtet ist, eine Bewegung des jeweiligen bewegbaren Kontaktelements (16) zu begrenzen, wobei das jeweilige bewegbare Kontaktelement (16) und das Stellglied über das Begrenzungselement kraftgekoppelt und/oder drehmomentgekoppelt sind .

2. Leistungsschalter (10) gemäß Anspruch 1, wobei das Begrenzungselement außerhalb des Schaltergehäuses (21) angeordnet ist.

3. Leistungsschalter (10) gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei das jeweilige Vorspannelement röhrenbalgförmig (20) ausgebildet ist und/oder wobei das Schaltergehäuse (21) frei von einem Schalterbalg (23) ist.

4. Leistungsschalter (10) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die jeweilige Unterbrechereinheit (12) als Vakuumschaltröhre ausgebildet ist und/oder wobei der Druck im Schaltergehäuse (21) größer als ein Umgebungsdruck, insbesondere größer als 1 bar ist.

5. Leistungsschalter (10) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Begrenzungselement als Kurvengetriebe (27) ausgebildet ist, wobei ein Kurvenglied des Kurvengetriebes (27) mit dem bewegbaren Kontaktelement (16) und dem Stellglied verbunden und mit einem Energiespeicher gekoppelt ist.

6. Leistungsschalter (10) gemäß Anspruch 5, wobei das Kurvenglied über ein Eingriffsglied (32) des Kurvengetriebes (27) mit dem Energiespeicher gekoppelt ist.

7. Leistungsschalter (10) gemäß Anspruch 6, wobei das Eingriffsglied (32) einen Hebel (34) umfasst, wobei der Hebel (34) mittels einer an dessen längsseitigen Endbereich angeordneten Rolle (36) mit dem Kurvenglied gekoppelt und an dessen gegenüberliegenden Endbereich mit dem Energiespeicher gekoppelt ist, bevorzugt mit einer Feder (38) .

8. Leistungsschalter (10) gemäß Anspruch 6 oder 7, wobei das Kurvenglied als Kurvenscheibe (28) ausgebildet ist, welche durch eine Welle (30) gelagert ist.

9. Leistungsschalter (10) gemäß Anspruch 8, wobei ein auf die Kurvenscheibe (28) wirkender Drehmoment derart durch die Kontur der Kurvenscheibe (28) vorgegeben ist, dass eine Bewegung der Kurvenscheibe (28) eine nicht lineare Beaufschlagung des Eingriffsglieds (32) bewirkt.

10. Leistungsschalter (10) gemäß Anspruch 8 oder 9, wobei die Welle (30) als Teil des Stellglieds ausgebildet ist.

11. Leistungsschalter (10) gemäß einem der Ansprüche 5 bis 10, wobei das Eingriffsglied (32) und/oder das Kur- venglied für eine Rotationsbewegung und/oder eine translatorische Bewegung ausgebildet sind.

12. Leistungsschalter (10) gemäß Anspruch 11, wobei das Eingriffsglied (32) für eine translatorische Bewegung gegenüber dem Kurvenglied ausgebildet ist und wobei das Kurvenglied für eine Rotationsbewegung ausgebildet ist, oder wobei das Kurvenglied für eine translatorische Bewegung ausgebildet ist und eine Kulissenführung umfasst, wobei das Eingriffselement zum Aufnehmen von Querkräften gelagert ist.

13. Leistungsschalter (10) gemäß einem der Ansprüche 5 bis 12, wobei ein Momentanradius des Kurvenglieds und/oder ein Kraftbereich des Energiespeichers dazu dimensioniert sind, eine vom jeweiligen Vorspannelement ausgehende und auf das Begrenzungselement wirkende Kraft im nicht elektrisch leitfähigen Zustand des Leistungsschalters (10) auszugleichen.

14. Leistungsschalter (10) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Stellglied als kinematische Kette (26) ausgebildet ist.

15. Leistungsschalter (10) gemäß Anspruch 14, wobei das Stellglied einen Federspeicherantrieb (24) umfasst.

16. Leistungsschalter (10) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, welcher als einfachunterbrechender Leistungsschalter (10) ausgebildet ist und eine einzelne Unterbrechereinheit (12) umfasst.

17. Leistungsschalter (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis

15, welcher als zweifachunterbrechender Leistungsschalter (10) ausgebildet ist und zwei Unterbrechereinheiten (12) umfasst, wobei die bewegbaren Kontaktelemente (16) der Unterbrechereinheiten (12) über eine einzelne Anbin- dung mit dem Begrenzungselement verbunden sind oder wobei j ede Unterbrechereinheit mit einem individuellen Begrenzungselement verbunden ist .