NO175173B

NO175173B - Device for automatic earth terminals

Info

Publication number: NO175173B
Application number: NO920435A
Authority: NO
Inventors: Leif B Kaalstad; Jaap Daalder; Arne Jonassen; Knut Rydland
Original assignee: Abb Distribusjon As
Priority date: 1992-02-03
Filing date: 1992-02-03
Publication date: 1994-05-30
Also published as: FR2687022A1; NO175173C; DE4302416A1; SE9300311D0; NO920435L; NO920435D0; SE9300311L

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører en anordning ved automatisk jordslutter for metallkapslet, gassisolert lastbryter, som på grunn av en lysbue aktiveres av en trykkpåvirkbar utløser, og der jordslutteren og utløseren i sin helhet er anbragt inne i en gasstett metallkapsling og ved lysbuebevirket trykkøkning utløser jordslutteren som i utløst stilling kortslutter og jorder samtidig de tre strømskinnene i kapslingen, og hvor jordslutteren har tre svingbare, fjær-belastede armsett. The present invention relates to a device for an automatic earthing switch for a metal-encased, gas-insulated load switch, which due to an arc is activated by a pressure-sensitive release, and where the earthing switch and the release as a whole are placed inside a gas-tight metal enclosure and when an arc-induced pressure increase triggers the earthing switch as in tripped position simultaneously short-circuits and grounds the three power rails in the enclosure, and where the earthing switch has three pivoting, spring-loaded arm sets.

En lignende anordning er kjent fra norsk patent nr. 165 469. En ulempe ved denne kjente anordning er at den er mest effektiv overfor kraftige lysbuefeil. En videre ulempe er at de svingbare armene beveger seg over en stor vinkelbue før de kommer til pressanlegg mot strømskinnene i kapslingen. Dette vil kunne bevirke i ugunstig tilfelle utilfredsstillende jording for respektiv arm og strømskinne. A similar device is known from Norwegian patent no. 165 469. A disadvantage of this known device is that it is most effective against severe arc faults. A further disadvantage is that the pivoting arms move over a large angular arc before they reach the pressing system against the power rails in the enclosure. In unfavorable cases, this could result in unsatisfactory grounding for the respective arm and busbar.

En lignende og annen type av utstyr er allerede kjent og brukt av selskapet Drischer og er beskrevet i "Elektrizitåts-wirtschaft" (1986), Heft. 16/17, sidene 616-618. Dessuten er det i DE-AS 2 505 158 beskrevet en føler eller sensor som også reagerer på trykkstigning. A similar and different type of equipment is already known and used by the company Drischer and is described in "Elektrizitåts-wirtschaft" (1986), Heft. 16/17, pages 616-618. In addition, DE-AS 2 505 158 describes a sensor which also reacts to a pressure rise.

Det er vesentlig at en jordslutter opptrer som en helt separat enhet, i motsetning til den løsning som anvendes av Drischer, der jordslutteren også benyttes for normal drift. En separat enhet vil øke påliteligheten ettersom man blant annet kan se bort fra at jordslutteren står i operativ stilling med eventuelle brannsår på slutterens kontaktflater. It is essential that an earthing switch acts as a completely separate unit, in contrast to the solution used by Drischer, where the earthing switch is also used for normal operation. A separate unit will increase reliability as, among other things, you can disregard the fact that the earthing contactor is in operational position with possible burns on the contact surfaces of the contactor.

Et ytterligere moment er at løsningen ikke skal være avhengig av kapslingens konstruksjon, men kunne tilpasses alle typer av brytere. Den løsning som anvendes av Drischer er imidlertid avhengig av kapslingens konstruksjon som en vital del av totalløsningen. Slik som beskrevet i forbindelse med det norske patent nr. 165469 er det vesentlig å la hele utrustningen være plassert inne i en lukket kapsl ing slik at det ikke oppstår følsomhet overfor temperaturvariasjoner inne i kapslingen og heller ikke for trykkvariasjoner i atmosfæren. Et vesentlig trekk vil derfor være at en eventuell tempera-turøkning i tanken som har annen årsak enn en åpen lysbue ikke skal kunne resultere i utilsiktet utløsning av jordslutteren. Trykkforskjellen mellom trykket i brytertanken og det omgivende trykk er således uinteressant. En ytterligere fordel ved å anbringe slikt utstyr inne i kapslingen er at det dermed ikke påvirkes av ytre forhold som fuktighet eller forurensninger som kan føre til korrosjon, og heller ikke påvirkes av håndtering under transport og arbeide på selve anlegget. En slik automatisk jordslutter skal være automatisk virkende og ikke være tilsiktet å kunne påvirkes av brukeren eller annet personell. Den skal således virke når det oppstår feil som bevirker lysbuedannelse. A further point is that the solution should not depend on the enclosure's construction, but can be adapted to all types of switches. However, the solution used by Drischer is dependent on the enclosure's construction as a vital part of the overall solution. As described in connection with the Norwegian patent no. 165469, it is essential to let the entire equipment be placed inside a closed enclosure so that there is no sensitivity to temperature variations inside the enclosure nor to pressure variations in the atmosphere. An important feature will therefore be that any temperature increase in the tank which has a cause other than an open arc should not result in the accidental tripping of the earthing switch. The pressure difference between the pressure in the switch tank and the surrounding pressure is thus uninteresting. A further advantage of placing such equipment inside the enclosure is that it is thus not affected by external conditions such as moisture or pollutants that can lead to corrosion, nor is it affected by handling during transport and work on the plant itself. Such an automatic earthing switch must be automatic and not intended to be influenced by the user or other personnel. It must therefore work when faults occur which cause arcing.

Slik som også beskrevet i norsk patent nr. 165469 er det tilsiktet at foreliggende anordning skal brukes i en metallkapslet lastbryter og anbringes inne i kapslingen. Jordslutteren aktiveres kun ved rask trykkstigning inne i kapslingen som skyldes en lysbue som brenner. En trykkføler eller detektor vil utløse jordslutteren og dermed kortslutte lysbuen eller buene og eliminere årsaken til trykkstigningen. En vesentlig hensikt med slikt utstyr er å unngå at trykkav-lastningen som finnes i anlegget åpnes slik at gassen i anlegget slippes ut til omgivelsene. As also described in Norwegian patent no. 165469, the present device is intended to be used in a metal-encased load switch and placed inside the enclosure. The earthing switch is only activated in the event of a rapid rise in pressure inside the enclosure caused by an arc that burns. A pressure sensor or detector will trip the earthing switch and thus short-circuit the arc or arcs and eliminate the cause of the pressure rise. An essential purpose of such equipment is to prevent the pressure relief found in the plant from opening so that the gas in the plant is released to the environment.

Metallkapslede brytere som benytter gass, for eksempel SF5, Ng eller tørr luft som isolasjonsmedium har vært kjent i mange år. Tidligere var disse typer av brytere hovedsakelig brukt for høyspenning (72,5 kV - 300 kV), men i de senere år. er denne teknikk mer og mer blitt tatt bruk for lavere spenninger ned til 12 kV - 24 kV i fordelingsnettet. Den kompakte oppbygning, pålitelighet og reduserte krav til ved-likehold som slikt utstyr har, er noen av årsakene til den popularitet som slike anlegg har fått. Metal-encased switches that use gas, for example SF5, Ng or dry air as an insulating medium, have been known for many years. Previously, these types of switches were mainly used for high voltage (72.5 kV - 300 kV), but in recent years. this technique has increasingly been used for lower voltages down to 12 kV - 24 kV in the distribution network. The compact structure, reliability and reduced maintenance requirements that such equipment has are some of the reasons for the popularity that such facilities have gained.

Selv om sannsynligheten for at en feil oppstår (som vil lede til en lysbue inne i anlegget) i disse lukkede brytere er meget liten, kan man ikke betrakte denne sannsynlighet som lik null. Dette betyr at anleggene må lysbueprøves for å garantere sikkerheten til personer som befinner sg foran og omkring anlegget ettersom disse personer vil kunne påføres stor skade dersom trykkavlastning plutselig oppstår ved feil i anlegget. Although the probability of a fault occurring (which will lead to an arc inside the plant) in these closed switches is very small, this probability cannot be considered zero. This means that the systems must be arc-tested to guarantee the safety of people who are in front of and around the system, as these people could be seriously injured if pressure relief suddenly occurs due to a fault in the system.

I tilfellet av en innvendig feil i slike metallkapslede brytere vil lysbuen føre til en temperaturstigning som igjen fører til sterk trykkstigning. For å unngå en ukontrollert ødeleggelse av kapslingen, er disse derfor utstyrt med nevnte trykkavlastning som åpner ved et bestemt trykk og slipper gassen ut på en kontrollert måte. In the event of an internal fault in such metal-encased switches, the electric arc will lead to a rise in temperature which in turn leads to a strong rise in pressure. In order to avoid an uncontrolled destruction of the enclosure, these are therefore equipped with the aforementioned pressure relief which opens at a certain pressure and releases the gas in a controlled manner.

Den foreliggende oppfinnelse tar sikte på å tilveiebringe en forbedret anordning ved automatisk jordslutter som vil kunne fungere pålitelig og hurtig for lysbuefeil med alle verdier av kortslutningsstrømmer mellom eksempelvis 1 og 20 kÅ (50 kA asymmetrisk). The present invention aims to provide an improved device for automatic earthing which will be able to function reliably and quickly for arc faults with all values of short-circuit currents between, for example, 1 and 20 kÅ (50 kA asymmetric).

De vesentligste forbedringer ved foreliggende anordning i forhold til den tidligere kjente anordning (norsk patent nr. 165469) ligger i den måte som trykkdeteksjonen utføres, utløserens oppbygning og måten som jordslutterens armer danner kontakt med strømskinnene. The most significant improvements in the present device compared to the previously known device (Norwegian patent no. 165469) lie in the way in which the pressure detection is carried out, the structure of the release and the way in which the arms of the earthing switch make contact with the current rails.

Den innledningsvis nevnte anordning kjennetegnes ifølge oppfinnelsen ved at utløserensom i og for seg kjent består av en trykkdetektor i form av et stempel som beveger seg i en sylinderdel av et lukket kammer, der kammeret er forsynt med et ventileringshull og er uten trykkforbindelse med den atmosfære som omgir metallkapslingen, og der et utløser-inngrepsorgan, også som i og for seg kjent, er bevegbart ved hjelp av stempelet via en leddmekanisme, at jordslutterens armer utgjøres av knivkontakter som er anordnet på en felles dreie-aksel, at dreieakselen har en påvirkningsarm som er leddfor-bundet med en trykkfjær, og at dreieakselen dessuten har en utløserhake som i en første stilling er i inngrep med nevnte inngrepsorgan og som ved utløserinngrepsorganets bevegelse frigis fra inngrepet for utløsning av jordslutteren og dreiing av jordslutterarmene til jording av strømskinnene via kontaktblokker. The initially mentioned device is characterized according to the invention in that the trigger, which is known in and of itself, consists of a pressure detector in the form of a piston that moves in a cylindrical part of a closed chamber, where the chamber is provided with a ventilation hole and is without pressure connection with the atmosphere that surrounds the metal casing, and where a trigger engagement member, also known in and of itself, is movable by means of the piston via a joint mechanism, that the arms of the earthing switch are made up of knife contacts which are arranged on a common rotary shaft, that the rotary shaft has an impact arm which is articulated with a compression spring, and that the rotary shaft also has a release hook which in a first position engages with said engagement member and which, when the release engagement member moves, is released from engagement for triggering the earthing switch and turning the earthing switch arms to ground the current rails via contact blocks.

Ifølge en ytterligere utførelse av anordningen utgjøres nevnte utløserinngrepsorgan av en utløseraksel som har et halvmåneformet spor som er innrettet til å danne nevnte frigjørbare inngrep med utløserhaken. According to a further embodiment of the device, said trigger engaging means is constituted by a trigger shaft which has a crescent-shaped groove which is arranged to form said releasable engagement with the trigger hook.

For å unngå relativt store elektrodynamiske krefter som kan påvirke kontaktarmene før de kommer i kontakt med strømskin-nene, er det fordelaktig å la ytterenden av hver kontaktblokk være svakt avfaset og laget av elektrisk isolerende materiale, slik at armene i armsettet presses fra hveranddre et kort øyeblikk før de kommer i direkte kontakt med den metalliske del av kontaktblokken. In order to avoid relatively large electrodynamic forces that can affect the contact arms before they come into contact with the busbars, it is advantageous to leave the outer end of each contact block slightly chamfered and made of electrically insulating material, so that the arms in the arm set are pressed from each other a short moments before they come into direct contact with the metallic part of the contact block.

Disse og ytterligere kjennetegnende trekk ved oppfinnelsen vil fremgå av patentkravene samt av den etterfølgende be-skrivelse under henvisning til de vedlagte tegninger. These and further distinguishing features of the invention will be apparent from the patent claims as well as from the subsequent description with reference to the attached drawings.

På tegningene er vist en for oppfinnelsen ikke begrensende, men foretrukket utførelsesform. The drawings show a non-limiting but preferred embodiment of the invention.

Fig. 1 og 2 viser den automatiske jordslutterens plassering i Fig. 1 and 2 show the location of the automatic earthing switch i

bryterkapslingen. the switch housing.

Fig. 3 viser forstørret utsnitt av fig. 1 med jordslutteren Fig. 3 shows an enlarged section of fig. 1 with the earthing switch

i utkoblet stilling. in the disconnected position.

Fig. 4 viser jordslutteren i fig. 3 i utløst stilling. Fig. 4 shows the earthing switch in fig. 3 in triggered position.

Fig. 5 illustrerer prinsippet for differensialtrykkmåler anvendt i anordningen ifølge foreliggende oppfinnelse . Fig. 1 viser en bryterkapsling, der den automatiske jordslut-terdelen er angitt med henvisningen IV som hentyder på det som er vist i fig. 4, men også i fig. 3. Fig. 5 illustrates the principle of the differential pressure gauge used in the device according to the present invention. Fig. 1 shows a switch enclosure, where the automatic earthing part is indicated with the reference IV which alludes to what is shown in fig. 4, but also in fig. 3.

Av fig. 1 og 2 fremgår det at jordslutteren kobler direkte mot gjennomføringene til kabel avgangene 16. Fig. 3 viser jordslutteren i utkoblet stilling. Koblingsaksen 1 står forspent ved hjelp av for eksempel to fjærer 2 som er montert i hver ende av kapslingen. Denne akselen 1 har fastmontert en utløserhake 3 som ligger med anlegg på et halvmåneformet spor 4' på en utløseraksel 4. Ved trykkøkning i tanken vil et stempel 5 på trykkdetektoren 12 bevege seg mot høyre i fig. 3 og utløserakselen dreies i retning med urviseren, sett i fig. 3 via en leddforbindelse 6. Utløser-haken glir derved over kanten på det halvmåneformede sporet 4', hvorved fjærkreftene fra fjærene 2 frigjøres, og jordslutteren kobler inn, slik som vist i fig. 4. From fig. 1 and 2 it appears that the earthing switch connects directly to the bushings of the cable outlets 16. Fig. 3 shows the earthing switch in the disconnected position. The coupling axis 1 is pre-tensioned by means of, for example, two springs 2 which are mounted at each end of the housing. This shaft 1 has a fixed trigger hook 3 which rests against a crescent-shaped groove 4' on a trigger shaft 4. When pressure increases in the tank, a piston 5 on the pressure detector 12 will move to the right in fig. 3 and the release shaft is turned in a clockwise direction, as seen in fig. 3 via a joint connection 6. The release hook thereby slides over the edge of the crescent-shaped groove 4', whereby the spring forces from the springs 2 are released, and the earthing switch engages, as shown in fig. 4.

Fig. 4 viser således jordslutteren i utløst stilling. Koblingsakselens 1 rotasjonsbevegelse stopper mot en an-leggsvinkel 13. Knivkontaktene 8 er dermed riktig posisjo-nert på kontaktblokken 9. Kontaktblokken 9 har imidlertid en nese eller innføringsdel 9' som i sitt ytterste parti 9" er avfaset for derved når knivkontaktene 8 beveger seg hurtig mot kontaktblokken 9 et kort øyeblikk å la knivkontktene bli presset fra hverandre for deretter å komme til elektrisk ledende anlegg mot den metalliske del av kontaktblokken 9. Fig. 4 thus shows the earthing switch in the tripped position. The rotational movement of the coupling shaft 1 stops towards an application angle 13. The knife contacts 8 are thus correctly positioned on the contact block 9. The contact block 9, however, has a nose or insertion part 9' which in its outermost part 9" is chamfered so that when the knife contacts 8 move quickly against the contact block 9 for a short moment to allow the knife contacts to be pressed apart and then come to electrically conducting contact against the metallic part of the contact block 9.

På fig. 3 er vist en medbringer 10 som har til funksjon å trekke stempelet 5 ut til riktig posisjon ved oppspenning av jordslutteren til utkoblet stilling etter at den ordinære funksjonstesten (for nye anlegg) er utført ved fabrikken. Det vil umiddelbart sees fra fig. 4 at medbringeren 10 ved dreiing fra den stilling som er vist i fig. 4 til den som er vist i fig. 3 vil klare å trekke stempelet ut til den riktige posisjon. Denne oppspenning av jordslutteren skjer via dreiing av akselen 1 og et akselutstikk 1' (se fig. 2). In fig. 3 shows a driver 10 whose function is to pull the piston 5 out to the correct position when the earthing switch is energized to the disconnected position after the ordinary function test (for new plants) has been carried out at the factory. It will immediately be seen from fig. 4 that the carrier 10 when turned from the position shown in fig. 4 to that shown in fig. 3 will be able to pull the piston out to the correct position. This tensioning of the earthing switch takes place via rotation of the shaft 1 and a shaft projection 1' (see fig. 2).

Hele utrustningen er montert på en kassett 11 som igjen er montert i kapslingen 7. Således vil denne løsning i utgangs-punktet kunne tilpasses og monteres inn i flere typer av kapslingsanlegg. The entire equipment is mounted on a cassette 11 which is in turn mounted in the enclosure 7. Thus, this solution will initially be able to be adapted and fitted into several types of enclosure systems.

Selve trykksensoren 12 fungerer prinsippielt sett som en differensialtrykkmåler. Den består av et tilnærmet lukket kammer 17 og et bevegelig stempel 5. Kammeret har et lite ventileringshull 14. Ved temperaturvariasjoner i tanken under drift, med påfølgende langsomme trykkendringer i tanken, vil dermed trykket Pg innstille seg lik trykket P^ i tanken. The pressure sensor 12 itself functions in principle as a differential pressure gauge. It consists of an almost closed chamber 17 and a movable piston 5. The chamber has a small ventilation hole 14. In the event of temperature variations in the tank during operation, with subsequent slow pressure changes in the tank, the pressure Pg will therefore set itself equal to the pressure P^ in the tank.

Trykkfølerens kammervolum er relativt stort i forhold til den volumreduksjon som stempelvandringen utgjør. Dette er vesentlig for å oppnå kortest mulig reaksjonstid på føleren. Et økt stempelareal vil gi større kraft F^, se fig. 5, på stempelet 5 rettet inn mot kammeret, men samtidig også gi en større motkraft F,jv etter en viss stempel vandr ing, ettersom et økt stempelareal vil gi økt kompressjonstrykk Pg i kammeret. The pressure sensor's chamber volume is relatively large in relation to the volume reduction caused by the piston travel. This is essential to achieve the shortest possible reaction time on the sensor. An increased piston area will give greater force F^, see fig. 5, on the piston 5 directed towards the chamber, but at the same time also give a greater counterforce F,jv after a certain piston travel, as an increased piston area will give increased compression pressure Pg in the chamber.

Den nye automatiske jordslutteren har en vesentlig fordel fremfor den løsning som er beskrevet i det norske patent nr. 165469. Innkoblingstiden er kort også ved lav kortslutnings-strøm med påfølgende lav trykkstigning i tanken. Dette oppnås ved å optimalisere arealstørrelsen på stempelover-flaten. The new automatic earthing switch has a significant advantage over the solution described in the Norwegian patent no. 165469. The switch-on time is short even with a low short-circuit current with a subsequent low pressure rise in the tank. This is achieved by optimizing the area size of the piston surface.

der Pi = trykk i følerens kammer før stempelbeveglse where Pi = pressure in the sensor's chamber before piston movement

$ 2 = trykk i følerens kammer etter stempelbevegelse V-l(A) = volum av følerens kammer uttrykt ved "A" før $ 2 = pressure in the sensor chamber after piston movement V-l(A) = volume of the sensor chamber expressed by "A" before

stempelbevegelse piston movement

VgCA) = volum av følerens kammer uttrykt ved "A" etter stempelbevegelse VgCA) = volume of the sensor's chamber expressed at "A" after piston movement

A = stempelareal A = piston area

Generelt gjelder F = P • A. In general, F = P • A holds.

Ser man på fig. 5, har man følgende størrelser: Looking at fig. 5, you have the following sizes:

Fj = kraft på grunn av trykkøkning i kapslingen ved Fj = force due to pressure increase in the enclosure at

lysbuefeil arc fault

Fr = kraft til å rotere utløserakselen 4 Fr = force to rotate the release shaft 4

F^y = kraft på grunn av volumendring i lukket differensial-trykkboks 12 F^y = force due to volume change in closed differential pressure box 12

Flekk = kraft på grunn av gasslekkasje inn til differansial-trykkboks gjennom ventileringshullet 14 Spot = force due to gas leakage into the differential pressure box through the ventilation hole 14

*ma = F = m • a vedrørende følerens bevegelige detaljer. ;F1 = Fr <+> (Fdv<+> Flekk <+><F>ma) der Flekk s 0 for lysbuetid ;t < 1 sek. ;*ma 0 ved langsom trykkstigning *ma = F = m • a regarding the sensor's moving parts. ;F1 = Fr <+> (Fdv<+> Spot <+><F>ma) where Spot s 0 for arc time ;t < 1 sec. ;*ma 0 at slow pressure rise

Ved en nødvendig og valgt stempelvandring X: In the case of a necessary and selected piston stroke X:

Optimalt stempelareal A^ for Fj m^ n der F^ min = <F>j Optimal piston area A^ for Fj m^ n where F^ min = <F>j

Ai Ouch

hvor Ai = A løst av ligningen where Ai = A solved by the equation

Lysbueprøver har vist at vår løsning fungerer hensiktsmessig allerede ved kun 1 kA kortslutningsstrøm med en innkoblings-tid på omlag 125 ms. Arc tests have shown that our solution works appropriately already at only 1 kA short-circuit current with a switch-on time of around 125 ms.

Den foreliggende anordning tilveiebringer således en forbedring av den kjente teknikk. Dessuten er heller ikke konstruksjonen følsom overfor rystelser, hvilket skyldes den relativt høye kraft som er nødvendig for å frigjøre jordslutteren. Utløserakselen 4 vil dessuten ligge noe forspent ved hjelp av en fjær 15. The present device thus provides an improvement of the known technique. Moreover, the construction is also not sensitive to vibrations, which is due to the relatively high force required to release the earthing switch. The release shaft 4 will also be slightly biased by means of a spring 15.

Claims

1. Device for an automatic earthing switch for the metal-encased, gas-insulated load switch, which due to an electric arc is activated by a pressure-sensitive release (3, 4, 5, 6), and the earthing switch and the release as a whole are placed inside a gas-tight metal enclosure (7) and by pressure increase caused by an arc triggers the earthing switch which, in the tripped position, simultaneously short-circuits and grounds the three current rails in the enclosure, and where the earthing switch has three pivoting, spring-loaded arm sets (8), characterized by the fact that the tripping device, which is known in and of itself, consists of a pressure detector in the form of a piston (5) moving in a cylindrical part of a closed chamber (17), where the chamber is provided with a ventilation hole (14) and is without pressure connection with the atmosphere surrounding the metal casing, and where a trigger engagement means (4, 4') , also known in and of itself, is movable by means of the piston (5) via a joint mechanism (6), that the arms (8) of the earthing switch are made up of knife contacts which are arranged on a common rotary shaft (1), that the rotary shaft the harness has an impact arm which is articulated with a pressure spring (2), and that the pivot shaft (1) also has a release hook (3) which in a first position engages with said engagement member (4') and which, when the release engagement member's (4) , 4') movement is released from the intervention for releasing the earthing switch and turning the earthing switch arms (8) to ground the busbars via contact blocks (9).

2. Device as stated in claim 1, characterized in that said release engagement means is constituted by a release shaft (4) with a half moon-shaped groove (4') which is arranged to form the releasable engagement with the release catch (3).

3. Device as stated in claim 1, characterized in that the outer end of each contact cover is slightly chamfered and made of an electrically insulating material.