SE517028C2 - Elektrisk brytare, användning och förfarande samt en elektrisk anläggning innefattande en elektrisk brytare - Google Patents

Description

30 517 028 2 =z=s f» Brytkammaren, dvs. det utrymme där den stationära och den rörliga kon- takten bringas ur eller i kontakt med varandra är hermetiskt avtätat mot omgiv- ningen av ett gastätt hus, normalt i form av en stödisolant av porslin, och innehål- ler ett brytmedium, exempelvis SFö-gas. Det avtätade utrymmet innefattar även det rörelseöverföringsorgan som är förbundet med den rörliga kontakten för att manövrera detta varvid även rörelseöverföringsorganet är anordnat i porslinet, så- som beskrivs exempelvis i den ovan nämnda WO 99/60591. Det utrymme som består av brytkammaren och det utrymme i vilket manövreringsorganet är anord- nat benämnes i föreliggande ansökan apparatkammare och det hus som omger denna benämns apparathus.

Manövreringsrörelsen som överförs från den elektriska motorn till rörelse- överföringsorganet inbegriper att ett mekaniskt element som är rörligt, exempelvis en axel måste passera en vägg in mot den avtätade apparatkammaren. Det ställer stora krav på tätning vid axelgenomföringen. Genom att apparatkammaren måste vara helt gastät är det i första hand någon form av hårt omslutande mekanisk kon- takttätning som erfordras. Detta medför påtagliga friktionsförluster. Eftersom ma- növreringsrörelsen vid frånslag av brytaren är av mycket kort varaktighet, i stor- leksordningen 40-60 ms är effektbehovet under manövreringen förhållandevis stort. Ju större effekt som behövs desto större måste den elektriska motorn och den strömriktare som är anordnad mellan motorn och den strömkälla som levere- rar strömmen till motorn dimensioneras. Därmed ökar kostnaden för dessa. För att åstadkomma en prismässigt konkurrenskraftig brytare driven av en elektrisk motor är det emellertid en viktig förutsättning att begränsa kostnaden för dessa kompo- nenter.

Redogörelse för uppfinningen Ändamålet med föreliggande uppfinning är mot denna bakgrund att mins- ka effektförlusterna hos en elmotordriven elektrisk brytare och få större säkerhet mot gasläckage.

Detta ändamål har enligt uppfinningen ernåtts genom att en elektrisk bry- tare av det i patentkravet 1 ingress angivna slaget uppvisar de i kravets känne- tecknande del angivna speciella särdragen.

Tack vare att även den rörliga delen av motorn är anordnad i en avtätad kammare, elimineras det ovan beskrivna problemet med mekanisk tätning kring 15 20 25 30 517 028 fzz- -I 3 den axel som överför motorrörelsen till den rörliga kontakten och risken för läckage elimineras. Tätningen kan därvid göras mycket enklare och med mindre kontaktkraft eftersom läckage ut till den andra kammaren dvs., den kammare i vil- ken motorns rörliga del är anordnad ej når ut till omgivningen. Den enda genomfö- ring som måste vara hermetiskt avtätad är den elledning som levererar ström till motorn. Eftersom denna ej rör sig är den tätningen helt oproblematisk och medför ej någon effektförlust. Den uppfunna brytaren medför således att effektförlusten reduceras eller elimineras och att därmed motor och strömriktare kan göras mind- re.

Enligt en föredragen utföringsform av den uppfinna brytarenstår den kammare som omger den rörliga delen av motorn i öppen kommunikation med brytarens apparatkammare, dvs. tätningen är helt eliminerad. Därmed är den av mekanisk tätning orsakade effektförlusten helt eliminerad.

För eliminering av det beskrivna tätningsproblemet är det i och för sig helt tillräckligt att endast motorns rörliga del är innesluten i det avtätade utrymmet.

Emellertid kan det av praktiska skäl vara lämpligt att bygga in hela motorn i ett så- dant utrymme. Det medför ett enkelt och ändamålsenligt sätt att bygga upp aggre- gatet. Detta utgör därför ytterligare en föredragen utföringsform av den uppfinna brytaren.

Enligt en föredragen utföringsform av uppfinningen är det första huset av isolerande material och enligt ännu en ytterligare föredragen utföringsform av upp- finningen är även det hus som omger motorn av isolerande material. Speciellt för- delaktigt är därvid att apparathuset och det andra huset, dvs. det huset i vilket motorn är anordnad är integrerade med varandra så att ett gemensamt aggregat- hus bildas. Praktiskt innebär det att de båda kontakterna, rörelseöverföringsorga- net och motorn, samtliga kan vara anordnade i stödisolantens porslin.

Ehuru olika slag av de elektriska motorer kan komma ifråga inom uppfin- ningens ram torde en roterande elektrisk motor i de flesta fall utgöra det mest än- damålsenliga alternativet. Detta utgör därför ytterligare en föredragen utförings- form av den uppfunna brytaren. Vid detta utförande innefattar rörelseöverförings- organet rörelseomvandlingsorgan som omvandlar rotorns rotationsrörelse till translationsrörelse hos den rörliga kontakten.

Enligt ytterligare en föredragen utföringsform av den uppfunna brytaren innefattar den ett flertal, företrädesvis tre brytpoler, där vardera brytpols rörelse- 15 20 25 30 517 028 4 fi:a :e överföringsorgan är mekaniskt förbundet med den rörliga delen hos en för samtli- ga brytpoler gemensam motor. Den andra kammaren, dvs. den i vilken motorn är anordnad står därvid i kommunikation med vardera brytpols apparatkammare.

Detta är en ändamålsenlig tillämpning av uppfinningsidén då det är fråga om fler- polsbrytning. Hela aggregatet med samtliga poler och deras rörelseöverföringsor- gan och motorn är således inrymd i ett gemensamt avtätat utrymme.

Brytaren enligt uppfinningen är speciellt lämpad för brytning av högspän- ningsström. En brytare anordnad för sådan applikation utför därför en föredragen utföringsform av uppfinningen. Brytarens fördelar är speciellt intressanta för spän- ningar i nivåerna 72 till 420kV.

Ovan angivna föredragna utföringsformer av den uppfunna brytaren anges i de av kravet 1 beroende patentkraven.

En elektrisk anläggning enligt uppfinningens andra aspekt, användningar av den uppfunna brytaren enligt uppfinningens tredje aspekt, ett förfarande för att bryta en elektrisk ström enligt uppfinningens fjärde aspekt och ett förfarande för framställning av en elektrisk brytare enligt uppfinningens femte aspekt anges i patentkraven 10,11-12,13 respektive 14.

Den sålunda uppfunna elektriska anläggningen, den uppfunna använd- ningen och de uppfunna förfarandena medför fördelar av motsvarande slag som redogjorts för ovan avseende den uppfunna elektriska brytaren.

Uppfinningen förklaras närmare genom efterföljande detaljerad beskriv- ning av föredragna utföringsexempel av densamma under hänvisning till medföl- jande ritningsfigurer.

Kort beskrivning av figurerna Figur 1 illustrerar schematiskt en elektrisk brytare.

Figur 2 är ett längdsnitt genom manövreringsorgan och motor till en bytare enligt en första utföringsform av uppfinningen.

Figur 3 är ett längdsnitt genom manövreringsorgan och motor till en brytare enligt en andra utföringsform av uppfinningen.

Figur 4 är ett längdsnitt genom manövreringsorgan och motor till en brytare enligt en tredje utföringsform av uppfinningen.

Figur 5 illustrerar en utföringsform av uppfinningen tillämpad vid en trepolig brytare. 15 20 25 30 517 028 aaaa =: 5 Figur 6 är ett diagram över en del av ett ställverk enligt uppfinningen, Beskrivning av föredragna utföringsexempel Fig. 1 illustrerar schematiskt principen hos en elektrisk brytare. Den består av en brytkammare 1 och ett manövreringsorgan 2 innefattande en manövrerings- stång 3. I brytkammaren är en stationär kontakt 4 och en rörlig kontakt 5 anordna- de. Vardera av kontakterna är elektriskt ansluten till en respektive ledning. Under normaltillstånd anligger kontakterna 4, 5 mot varandra och ström leds från den ena ledningen till den andra genom brytaren. Då strömmen av någon anledning ska brytas, tex på grund av fel uppkomna kortslutningsströmmar dras den mobila kontakten 5 med hög hastighet bort från kontakt med den stationära kontakten 4.

Därvid uppstår initialt en ljusbåge mellan kontakterna som släcks kort efter att kontakterna tjärmat sig från varandra. Då strömmen sedan åter skall slutas så skjuts den rörliga kontakten 5 till anliggning mot den stationära 4 igen. lnitiering av brytning liksom slutning kan ske manuellt eller automatiskt. Till- och frånslag av brytaren åstadkommes via manövreringsstången 3 som är förbunden med den rörliga kontakten och med motorn 6. Denna principiella uppbyggnad av en brytare är gemensam för olika typer av sådana, och den kan naturligtvis se ut på många olika sätt. l figuren är en stor mängd detaljer utelämnade, vilka normalt finns i en brytare. Detta för att tydliggöra själva arbetsprincipen.

Brytkammaren 1 är hermetiskt avtätad mot omgivningen genom ett kam- maren omslutande hus. Uppfinningen visas tillämpad vid en SFS-brytare och bryt- kammaren 1 är således fylld med SFS gas.

Fig. 2 åskådliggör ett första exempel på manövreringsorgan 2 till en elek- trisk brytare med en principiell uppbyggnad av ett liknande slag som beskrivits i anslutning till fig. 1. Manövreringsorganet 2 innefattar en elektrisk motor 6 omgiven av en kåpa 7. Motorn är lämpligtvis en trefas permanentmagnetisk växelströms- motor. Kåpans ena ände är fäst vid en monteringsplatta 8 som på lämpligt sätt bärs upp av ett stativ, exempelvis med fästbultar genom hålen 9 i plattan 8. På plattans från motorn vända sida sträcker sig en ihålig pelare 9 av isolationsmateri- al, exempelvis porslin eller plastmaterial uppåt i figuren. lsolationspelaren 9 är på utsidan försedd med flänsar 10 för att åstadkomma en förlängd krypsträcka. Inne i lsolationspelaren är manövreringsstången 3 anordnad. l isolationspelarens icke vi- sade övre ände är även brytkammaren inrymd och dess rörliga kontakt är stelt för- 20 25 30 517 028 6 u a . | n .o bunden med manövreringsstången 3. Manövreringsstången 3, isolationspelaren 9 och motorn 6 är alla koaxiell med varandra. lsolationspelaren 9 omsluter ett ut- rymme 31 som omger det rörelseöverföringsorgan 3,17 som överför rörelse från motorn 6 till den rörliga kontakten 5 och som innefattar även den egentliga bryt- kammaren 1. SFS - gas är således närvarande i hela detta utrymme 31, i förelig- gande ansökan benämnt apparatkammare.

En omvandlingsmekanism är anordnad för omvandling av rotationsrörelse hos motorns rotor 13 till translationsrörelse hos manövreringsstången 3 för att bryta eller sluta brytaren i enlighet med vad som beskrivits i anslutning till fig. 1.

Omvandlingsmekanismen kommer att beskrivas närmare i det följande. l motorhuset 11 är motorns rotor 13 lagrad medelst ett lager 14, 15 vid vardera ände av rotorn. Motorns stator 12 är fäst vid motorhuset 11 och motorhu- set är fäst vid fästplattan 8. Rotorn 13 uppvisar en centrisk axiell borrning 30 som sträcker sig över större delen av rotorns längd. Fästplattan 8 har en med motor- axeln koaxiell öppning i vilken en mutter 16 är lagrad för rotation i ett dubbelver- kande vinkelkontaktkullager 18. Lagrets 18 ytterring 19 är fäst vid fästplattan 8 ge- nom icke visade bultar anordnade i borrningar 20 genom en fläns på ytterringen.

Lagrets 18 innerring 21 är vridfast förbunden med muttern 16. lnnerringen 21 är även vridfast förbunden med rotorn 13.

Genom muttern sträcker sig en skruv 17, dvs. en stång försedd med skruvgänga. Mutterns 16 och skruvens 17 gängor är i ingrepp med varandra. En relativ rotation dem emellan medför således att skruven förskjuts axiellt relativt muttern. Skruven 17 är vid sin från motorn vända ände, dvs den i figuren övre än- den förbunden med brytarens manövreringsstång 3. Detta genom att skruvens öv- re ände sträcker sig in i en borrning 23 i manövreringsstångens 3 nedre ände 24.

Förbindningen är säkrad genom ett diametralt anordnat stift 25 som sträcker sig genom skruvens och manövreringsstångens ändar.

Från täckplattan 8 sträcker sig en skruven 17 omgivande styrhylsa 26.

Styrhylsan är försedd med diametralt mitt emot varandra belägna axiellt förlöpan- de styrspår 27. Stiftet 25 sträcker sig ut genom vardera styrspår 27 och är vid var- dera ände försedd med en låsbricka 28. Styrspåret 27 har en vidd som överens- stämmer med stiftets 25 diameter. Därmed är skruven 17 vridfast förbunden med styrhylsan 26. Styrhylsan 26 i sin tur är förhindrad att vrida sig genom att den är fäst vid fästskivan 8 med icke visade bultar genom borrningarna 29. Styrhylsan 26 10 20 25 30 517 028 7 har en innerdiameter som är avpassad så att manövreringsstången 3 med litet spel kan skjutas in i denna.

Då sålunda muttern 16 genom sin lagring är fixerad axiellt och skruven 17 genom det närmast ovan beskrivna arrangemanget är fixerad mot vridning så kommer en rotationsrörelse hos muttern att medföra att skruven tvingas att för- skjutas axiellt.

Fig. 2 visar brytarens manövreringsdel då brytaren är i sitt normala läge då den är sluten.

Då brytaren skall aktiveras för att bryta strömmen startas motorn 6 så att dess rotor 13 försätts i rotation i medurs riktning sett uppifrån i figuren. Detta tvingar skruven att förskjutas nedåt varigenom den rörliga kontakten 5 (se fig. 1) dras bort från kontakt med den fasta kontakten. Den centriska borrningen 30 har en längd som ger utrymme för skruven att förskjutas erforderlig sträcka för fullbor- dad brytning. Under brytningsförloppet kommer den nedre delen av manövrerings- stången 3 att glida nedåt inne i styrhylsan 26.

När brytningen är fullbordad stoppas motorn och i detta läge är skruvens 17 nedre ände belägen nära borrningens 30 botten. Stiftet 26 är då beläget vid nederändan av styrspåren 27. Då brytaren sedan skall återställas startas motorn med rotation åt motsatt håll, varvid skruven 17 och därmed manövreringsstången förskjuts uppåt tills den mobila kontakten 5 åter kommer i kontakt med de stationä- ra kontakten, varvid anordningens delar åter intar det i fig. 2 visade läget.

Brytningsförloppet måste ske mycket snabbt. Det är därför nödvändigt att ha en hög rotationshastighet på motorn eftersom skruvens stigning inte får göras för stor. Vidare uppkommer därmed stora accelerations- och deaccelerationskraf- ter. Det är således angeläget att de komponenter som utsätts för tröghetskrafterna har så liten massa som möjligt. Manövreringsstången 3 är därför utförd ihålig.

Skruven har ett flertal gängingångar. Det medger en stor stigning hos gängorna utan att dessa överbelastas. Med en stigning, s = 3 mm/varv erhålls så- ledes en translationsrörelse hos brytaren på 3 mm för varje motorvarv. Med 8 in- gångar och motsvarande större stigning blir translationsrörelsen 24 mm/varv och med 12 ingångar 36 mm/varv. Med en slaglängd för brytningsrörelsen på 120 mm erfordras därmed 3,33 varv hos motorn för brytningsrörelsen vid 12 gängingångar.

Den kåpa 7 som omger motorn 6 utgör ett andra gastätt hus så att en and- ra gastät kammare 32 bildas, vilken omger motorn 6. Ledningen 33 som matar 20 25 30 517 028 8 n ø | u n .- ström till motorn vid manövrering är gastätt genomförd genom kåpan 7. Genom att även kammaren 32 som omger motorn är gastät erfordras ej någon tätning i an- slutning till rörelseöverföringsorganets genomföring genom fästplattan 8. Effekt- förluster på grund av tätningsfriktion är därmed eliminerade.

Det i figuren visade rörelseöverföringsorganet är endast avsett som ex- empel. Sålunda kan skruv-mutter-arrangemanget vara tvärtom, dvs., skruven kan vara förbunden med motorn och muttern med manövreringsstången 3 till den rörli- ga kontakten 5. Detta medför fördelen att det tröghetsmoment som ska accelere- ras av motorn blir mindre än i det illustrerade utföringsexemplet. Många andra me- kanismer för omvandling av motorns rotationsrörelse till translationsrörelse hos den rörliga kontakten är naturligtvis tänkbara inom uppfinningens ram. Vidare kan uppfinningen tillämpas då motorn är en linjärmotor, varvid ej någon omvandling av rörelsen erfordras.

Motorns strömförsörjningsledning 33 är via en strömriktare förbunden med en (icke visad) strömkälla såsom kondensatorer, batterier eller ett Kraftnät eller en kombination av dessa. Dessa komponenter utgör emellertid ej någon central as- pekt i föreliggande ansökan varför de ej visas i figurerna eller beskrivs närmare. l tig. 3 visas en andra utföringsform av den uppfunna brytaren. Utförandet i fig. 3 skiljer sig från det i fig. 2 endast genom att kåpan 7 som omsluter motorn er- satts med en inkapsling endast av motorns rotor 13, men är i övrigt av samma ut- förande. Själva motorhuset 11 är i denna utföringsform hermetiskt tätt förbunden med fästplattan 8 medelst en anslutningskrans 34. Vid motsatta änden av motorn 6 är ett lock 35 tätat fäst vid motorhuset 11. Rotorn 13 kommer därmed att vara tätat innesluten i en kammare bildad av fästplattan 8, anslutningskransen 34, mo- torhuset 11 och locket 35. Någon avtätning ut mot apparatkammaren 31 finns ej i överensstämmelse med vad som beskrivits i anslutning till den i fig. 2 visade utfö- ringsformen. Ledningen 33 som försörjer motorn med ström är förbunden med en (icke visad) strömkälla.

I tig. 4 visas en tredje utföringsform av uppfinningen. Vid detta utförande har elmotorn flyttats upp in i is.o|ationspelaren 9. lsolationspelaren utgör således ett aggregathus som omsluter det utrymme 31 i vilket är inrymt i hela det aggre- gat som utgörs av kontakterna, manövreringsorganet och motorn. För att bibehålla erforderlig isolationssträcka måste lsolationspelaren 9 förlängas med en sträcka 20 25 30 5 1 7 0 2 8 - íjåíf; - 12511; 9 motsvarande motorns längd för att upprätthålla det erforderliga isolationsavstån- det. l flg. 5 illustreras uppfinningen tillämpad vid en trepolsbrytare där det tre brytpolerna 101 är avsedda att vara kopplade till var sin fas i ett trefas transmis- sions- eller distributionsnät. Varje brytpol 101 är fylld med ett brytmedium i form av SF6- gas och innefattar en stödisolator 102 som bär upp en brytkammarisolant 103. I varje brytkammarisolant 103 finns det en stationär kontakt 104 och en rörlig kontakt 106. Den fasta kontakten 104 är via en första anslutningsfläns 105 anslu- ten till det elektriska nätet. Den rörliga kontakten 106 är via en glidkontakt 109 och en andra anslutningsfläns 107 också ansluten till det elektriska nätet. Brytpolerna 101 är monterade på en ihålig balk 108 så att brytmediet fritt kan strömma mellan balken 108 och vardera brytpol 101. Vid balkens 108 respektive ände är ett första ändstycke 110 respektive ett andra ändstycke 111 anordnat i täta förband.

Balken 108 med ändstycken 110,111 och de tre polerna 101 utgör därmed en för alla brytpoler gemensam inneslutning vilken omsluter en med brytmedium fylld volym 112.

De rörliga kontakterna 106 är via ett mekaniskt system mekaniskt anslutna till en motor 113 som är anordnad på balkens 108 kortsida. Motorn 113 driver alla tre brytpolerna 101 och påverkar en axel 114 med en vridande kraft. Det mekanis- ka systemet innefattar förutom axeln 114, för varje brytpol en koppling 115 och en manöverstång 116. Inuti balken 108 löper axeln 114 I balkens 108 längdriktning och är där roterbart lagrad i lagerbockar 117. I varje brytpol 101, är manöver- stången 116 i sin övre ände anordnad vid den rörliga kontakten 106. I sin nedre ända är stången 116 anordnad vid kopplingen 115 som överför en rotationsrörelse hos axeln 114 till en translationsrörelse hos stången 116. Huvuddelen av det me- kaniska systemet är alltså placerat inuti inneslutningen och är därmed skyddat mot yttre påverkan, dels mekaniskt (slag o.d.) och dels kemiskt (korrosion).

Motorn 113 är anordnad i ett utrymme 119 som med ett hus 120 är gastätt avtätat mot omgivningen. Axeln 114 som är förbunden med motorns 113 rotor sträcker sig utan tätning mellan balkens inre utrymme 112 och det utrymme 119 i vilken motorn 113 är anordnad. Utrymmena 112 och 119 kommunicerar således med varandra.

I flg. 6 visas en elektrisk anläggning där en del av ett elektriskt ställverk in- går. En inkommande ledning 200, är via en transformator 206 och en första bryta- 5 1 7 0 2 3 šïïí - šffš - IÅÉÉ šÉfš 10 re 201 förbunden med en samlingsskena 202. Från denna utgår förbrukarledning- ar 203 ti|| respektive last 204 via en respektive brytare 205. Vardera av brytarna 201 och 205 är utformad i enlighet med brytaren i föreliggande uppfinning

Claims (10)

20 25 30 517 028 II NYA PATENTKRAV

1. Elektrisk brytare företrädesvis för mellan- och högspänning och innefattande minst en rörlig kontakt (5;106) och ett med den rörliga kontakten (5;106) mekaniskt förbundet rörelseöverföringsorgan (16, 17 ;114,116) vilken kontakt och vilket rörelseöverföringsorgan är anordnade i en gastät kammare (31; 112) omgiven av ett gastätt hus (9;102) och vilken brytare vidare innefattar en elektrisk motor( 6;113 ) som är förbunden med rörelseöverföringsorganet, (16,17 ;114,116 ) kännetecknad av att den elektriska motorn i sin helhet är innesluten i nämnda gastäta hus.

2. Elektriska brytare enligt patentkrav-S, kännetecknad av att huset (9;102) åtminstone till en del är av isolerande material.

3. Elektrisk brytare enligt något av patentkraven 1 - 2, kännetecknad av att motorn (6;113) är en roterande elektrisk motor med en rotor (13) förbunden med rörelseöverföringsorganet (16,17;114,1 16) och av att rörelseöverföringsorganet innefattar rörelseomvandlingsorgan (16,17;115) omvandlande rotationsrörelse hos rotorn 13 till translationsrörelse hos den rörliga kontakten (5;106).

4. Elektrisk brytare enligt något av patentkraven 1 - 3, kännetecknad av att brytaren innefattar ett flertal brytpoler (101), företrädesvis tre brytpoler (101), att vardera brytpols rörelseöverföringsorgan (114, 116) är mekaniskt förbundet med en för samtliga brytpoler gemensam motor (113).

5. Elektrisk brytare enligt något av patentkraven 1 - 4, kännetecknad av att brytaren är anordnad för brytning av elektrisk ström i högspänningsområdet, företrädesvis i området 72 till 420 kV.

6. Elektrisk anläggning (200-205) innefattande minst en elektrisk brytare (201, 205), kännetecknad av att åtminstone någon av de elektriska brytarna (201, 205) är av det slag som anges i något av patentkraven 1 - 5. 517 023 °° ' 'en .- se ooososo--t /2

7. Användning av en elektrisk brytare enligt något av patentkraven 1 - 5 för att bryta elektrisk ström i ett transmissionsnät.

8. Användning av en elektrisk brytare enligt något av patentkraven 1 - 5 för att bryta elektrisk ström i ett distributionsnät.

9. Förfarande för brytning av elektrisk ström, kännetecknat av att strömmen bryts medelst en brytare enligt något av patentkraven 1 - 5.

10. Förfarande för framställning av en elektrisk brytare enligt något av patentkraven 1-5, kännetecknat av att motoms anordnas inne i nämnda gastäta hus.