WO2000022641A1 - Mittelspannungsschalter - Google Patents

Abstract

Ein schnellarbeitender, mechanischer Schalter ist mit einem Wirbelstromauslöser (5) zur Bewegung eines Kontaktträgers (2) in einer Löschkammer (3) vorgesehen, wobei wenigstens ein Schaltelement aus einem auf dem Kontaktträger (2) befindlichen Kontaktbereich und einem zugehörigen Kontaktstift gebildet wird. Erfindungsgemäss sind mehrere Kontaktringe (27-29) mit den zugehörigen Kontaktstiften (11-16) elektrisch in Reihe geschaltet, wobei die Wände des Kontaktträgers (2) und/oder der Löschkammer (3) aus einem solchen Material bestehen, das unter dem Einfluss eines Schaltlichtbogens zwischen den Kontaktstiften (11-16) und den jeweiligen Kontaktbereichen (27-29) verdampft und so ein geeignetes Löschgas bildet.

Description

Beschreibung

MittelspannungsSchalter

Die Erfindung bezieht sich auf einen schnellen strombegrenzenden Mittelspannungsschalter mit einer Einrichtung zum Erfassen eines Kurzschlußstromes und einem elektrodynamischen Wirbelstromauslöser, dessen Antriebsring im Feld einer Spule angeordnet ist und der zur Bewegung eines Kontakttragers innerhalb einer Löschkammer vorgesehen ist, wobei der Kontaktträger mit Kontaktbereichen versehen ist und wobei jedem Kontaktbereich zwei Kontaktstifte zugeordnet sind.

Strombegrenzende Schalter müssen bekanntlich im Kurzschlußfall eine sehr frühe Kontakttrennung und einen schnellen Bogenspannungsaufbau herbeiführen. Dazu werden schnelle Auslösesysteme, elektrodynamische Öffnungskräfte und schnelles Bogenlaufen ausgenutzt. Schnelle Magnetauslöser sind als Tauch-, Klapp- und Hubankersysteme bekannt, bei denen mit einer Magnetspule das notwendige Magnetfeld im Luftspalt erzeugt wird. Diese Methode ist auf kleinere Schalternennströme bis etwa 100 A beschränkt, da die Verlustleistung der Spule sonst zu groß wird und die Schnelligkeit der Auslösung entsprechend abnimmt.

Strombegrenzende Schalter für höhere Nennströme nutzen häufig elektrodynamische Kontaktöffnungskräfte zur schnellen Abschaltung aus. Zur Vergrößerung des antreibenden Magnetfeldes wird das Kontaktsystem mit engen Stromschleifen versehen oder es werden Eisenanordnungen zur Feldverstärkung eingesetzt. Die elektrodynamischen Kräfte nehmen überproportional oder sogar quadratisch mit dem Strom zu. Derartige Schalter arbeiten deshalb bei großen Durchlaßströmen verhältnismäßig schnell. Elektrodynamische Schnellauslöser sind in der Lage, die Schaltkontakte innerhalb der ersten Halbschwingung eines Kurzschlußstromes aufzutrennen. In einer bekannten Ausführungsform eines derartigen Schnellauslösers wird vom Magnetfeld einer Spule, die vom Wechselstrom oder von einem Strom mit hoher Anstiegsgeschwindigkeit durchflössen ist, in einem mit ihr magnetisch gekoppelten Antriebsring Strom in entgegengesetzter Richtung induziert. Durch die abstoßende Wirkung der beiden Ströme erhält ein mit dem Antriebsring kraftschlüssig verbundenes Kontaktglied eine hohe Beschleunigung. Durch das Kontaktglied gelangt das be- wegliche Schaltstück schnell in die volle Ausgangsstellung. Mit solchen Auslösern können Schaltzeiten von der Impulseinleitung bis zur Schaltstücktrennung in der Größenordnung von etwa 0,5 ms erreicht werden. Durch diese kurzen Eigenzeiten werden ansteigende Kurzschlußströme entsprechend begrenzt.

Aus der DE 15 90 296 C2 ist ferner bekannt, daß ein Lichtbogen mit hoher Stromstärke in einem engen Spalt gelöscht werden kann. Der Lichtbogen wird entweder durch Kontakttrennung im Spalt erzeugt oder durch elektrodynamische Kräfte in den Spalt hineingezwängt. Die Lichtbogensäule nimmt dann im flachen Spalt einen bandförmigen Querschnitt an und kommt dadurch großflächig mit den Spaltwänden in Berührung, die üblicherweise aus Isolierstoff bestehen. Im Spalt entsteht durch den Lichtbogen eine Druckerhöhung, die eine entspre- chende Erhöhung der Lichtbogenfeldstärke zur Folge hat. Es können beispielsweise in eine Löschkammer hineinragende, einander radial gegenüberstehende federnde Kontaktstücke verwendet werden, die bei geschlossenem Schalter miteinander in elektrisch leitender Verbindung stehen und die während der Ausschaltvorganges durch Zwischenschieben eines aus Isolierstoff bestehenden Schiebers getrennt werden. Die rohrförmige Löschkammer hat eine Längsbohrung, die dem Querschnitt des Schiebers angepaßt ist. Ein in den Schieber eingelegtes Metallstück verbindet die Kontakte in der Einschaltstellung. Beim Ausschaltvorgang wird der Schieber zwischen die geöffneten Kontakte geschoben. Es wurde bereits erkannt, daß der strombegrenzende Mechanismus mechanischer Schalter erst ab einer vorbestimmten Stromstärke des Kurzschlußstromes und einem dementsprechenden Zeitverzug einsetzt. Der Einsatz elektronischer Mittel, beispielsweise zur Erfassung von Über- oder Kurzschlußströmen oder zur Selektivitätssteuerung, kann bei derartigen Schaltgeräten das Strombegrenzungsvermögen nicht wesentlich verbessern, weil der Schaltvorgang hier vom Verlauf der Kurzschlußstromkräfte abhängt.

Aus der EP 0 450 104 AI ist schließlich ein Schnellschalter speziell zur Anwendung bei Niederspannungsanlagen bekannt, der einen Kontaktträger mit zylindrischer Oberfläche, die in der Bewegungsrichtung abwechselnd mit Kontaktringen und Isolierstoffringen versehen ist, enthält. Jedem Kontaktring sind zwei Kontaktstifte zugeordnet, die beispielsweise in einer hohlzylindrischen Löschkammer radial einander gegenüberstehen. Beim Ausschalten wird der Kontaktträger durch den Wirbelstromauslöser in axialer Richtung bewegt und die beiden am Umfang des Kontaktgliedes einander gegenüber entstehenden Lichtbogen werden in den Luftspalt gezogen und gelöscht. Dieses Schaltprinzip wurde im Niederspannungsbereich bis ca. 1000 V erprobt, wobei sich hier die Verbindung des schnellen Wirbelstromauslösers mit der Lichtbogenlöschung bewährt.

Davon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, einen Schnellschalter zur Anwendung im Mittelspannungsbereich zu schaffen.

Die Aufgabe ist bei einem Schalter der eingangs genannten Art erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Der erfindungsgemäße Schalter hat einen einfachen Aufbau und ermöglicht speziell durch die materialmäßige Ausgestaltung auch im Mittelspannungsbereich in sehr kurzer Zeit die Löschung von Strömen mit großer Stromstärke.

Bei der Erfindung wird der zwischen dem Kontaktträger und der Innenwand der Löschkammer gebildete Spalt auch bei sehr hohen Stromstärken 5 mm nicht wesentlich überschreiten und vorzugsweise höchstens 0,5 mm, insbesondere höchstens 0,2 mm, betragen.

Die mit der Erfindung erreichte nichttriviale Erweiterung des Anwendungsbereiches des Schalters von Niederspannung auf Mittelspannung wird nicht allein durch die Hintereinanderschaltung der Schaltstrecken erreicht, sondern vorteilhafterweise durch geeignete Füllstoffe in den isolierenden Materialien an den Oberflächen von Kontaktträger und Löschkammer, die durch elektrische Beanspruchung zur Abgabe eines geeigneten Löschgases, insbesondere mit großen Mengen an Stickstoff und Wasserstoff, aktiviert werden. Spezielle Löschgase mit hohem Ionisierungspotential machen den erfindungsgemäßen Schalter auch zum schnellen Abschalten im Mittelspannungsbereich geeignet.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Figurenbeschreibung anhand der Zeichnung in Verbin- düng mit den Patentansprüchen. Es zeigen jeweils in Schnittdarstellung

Figur 1 einen schnellarbeitenden, mechanischen Schalter für den Mittelspannungsbereich im geschlossenen Zustand und

Figur 2 den Schalter aus Figur 1 im offenen Zustand.

Bei einem Schnellschalter mit einer Schaltkammer 1 und einer Löschkammer 3 gemäß den Figuren 1 und 2 ist ein Kontaktträger 2 in der Längsrichtung der Löschkammer 3 axial beweglich angeordnet. Die Bewegungsrichtung des Kontaktträgers 2 ist durch einen Richtungspfeil 4 angedeutet.

Der Kontaktträger 2 ist mit dem Antriebsring 6 eines Wirbel- Stromauslösers 5 form- und kraftschlüssig verbunden, dessen Magnetspule mit 7 bezeichnet ist. Der Wirbelstromauslöser 5 ist in einem erweiterten Teil der Löschkammer 3 angeordnet, die am anderen Ende mit einer Öffnung 8 versehen ist.

In der Längsrichtung des Kontaktträgers 2 sind in der Kammer- wand 10 jeweils paarweise Kontaktstifte 11/14, 12/15 und 13/ 16 derart hintereinander angeordnet, daß ihre Enden in der Ruhestellung des Kontaktträgers 2, der aus einem zylindrischen Isolierstoffkörper besteht, jeweils auf um den Kontaktträger 2 umlaufenden Kontaktringen 27 bis 29 ruhen, die je- weils durch eine Isolierstoffzwischenlage voneinander getrennt sind. Die Kontaktstifte 11 bis 16 stehen unter einem Anpreßdruck, was in der Figur durch nicht im einzelnen dargestellte Federn bewirkt wird.

Die Spule 7 des Wirbelstromauslösers 5 ist mit dem stromführenden Leiter über eine Fehlererkennungseinheit 30 und einen Schalter 31 verbunden. Die Fehlererkennungseinheit 30 überwacht laufend den Stromanstieg des Betriebsstromes und regt beim Überschreiten eines einstellbaren Stromanstiegs oder beim Überschreiten eines einstellbaren Ansprechwertes, beispielsweise dem 2- bis 5-fachen Nennstrom, durch einen impulsförmigen Auslösestrom die Spule 7 an. Durch den Auslösestrom werden im Antriebsring Wirbelströme mit zum Auslösestrom entgegengesetzter Richtung erzeugt. Die abstoßenden Kräfte bewegen den Kontaktträger 2 stoßartig in Richtung des Pfeiles 4.

Die elektrisch leitenden Kontaktringe 27 bis 29 sind derart angeordnet, daß mit der Bewegung des Kontaktträgers 2 Trenn- strecken zwischen den unteren Enden der Kontaktstifte 11/14, 12/15 und 13/16 und den Kontaktbereichen des Kontaktträgers 2 geöffnet werden. Der entstehende Lichtbogen an diesen Trennstellen wird mit der Bewegung der Kontaktbrücke in einen engen Spalt 20 zwischen dem Kontaktträger 2 und der Kammer- wand 10 hineingezogen. Durch die Begrenzung des Bogenvolumens erhält man eine entsprechend erhöhte Lichtbogenspannung und der Strom wird nach kurzer Zeit gelöscht, sofern geeignete Materialien für den Kontaktträger 2 bzw. der Oberfläche und die Schaltkammer 1 bzw. die der Löschkammer 3 zugewandten Bereiche gewählt wird.

Die Schaltkammer 1 und der Kontaktträger 2 bestehen aus elektrisch isolierendem Material, beispielsweise Hartgewebe. Zumindest an der innerwandigen Oberfläche zur Löschkammer 3 und der äußeren Oberfläche des Kontaktträges 2 sind beide aus thermoplastischen oder duroplastischen Materialien mit geeig- neten Zusätzen gebildet. Bei Verwendung von thermoplastischem Material wird ein Zusatz von Füllstoffen mit hohem Ionisierungspotential gewählt. Bei Verwendung von duroplastischen Materialien kommen entweder aliphatische EPIC-Formstoffe (Epoxi-Isocyanurate) oder cycloaliphatische Epoxid/Säure- anhydrid-Systeme mit jeweils geeigneten Füllstoffen in Frage. Auch Mischungen sind möglich.

Die Füllstoffe zur Gewährleistung des geeigneten Ionisie- rungspotentials können einerseits anorganische Verbindungen sein, bei denen mindestens ein Element enthalten ist, dessen 1. Ionisierungspotential größer als das von Silber ist. Solche Verbindungen sind Oxide, Boride, Borate, Silikate und Ammoniumkomplexe von Ag, Ta, Cu, Re, W, B, Pd, Te, Zn, Se. Möglich sind auch AI (OH) ,, Mg(OH) und MoS_. Andererseits kön- nen als Füllstoffe organische Verbindungen, die Stickstoff und Wasserstoff enthalten, verwendet werden. Solche Verbindungen sind insbesondere Melamin und Derivate, Hexamethylen- tetramin, Guanidin-Derivate, Polyacetate, Polytetrafluor- ethylen und perfluorierte Alkane. Die Füllstoffe können Mischungen der einzelne Bestandteile sein, wobei zumindest die organischen Verbindungen vorhanden sind.

Bei geeigneten, aus den Beispielen ausgewählten Füllstoffen werden unter elektrischer Beanspruchung große Mengen Stick- stoff oder Was-serstoff frei. Dadurch entsteht vorteilhafterweise ein geeignetes Löschgas für den im Spalt 20 zwischen Kontaktträger 2 und Löschkammerwand sich ausbildenden Lichtbogen.

In den Figuren 1 und 2 hat ein Schnellschalter speziell sechs Kontaktstifte 11 bis 16 , von denen jeweils zwei paarweise in der Wand der hohlzylindrischen Löschkammer 3 radial einander gegenüberstehen. Der zylindrische Kontaktträger 2 mit einem Durchmesser von beispielsweise D = 15 mm ist an seinem Umfang mit Kontaktringen 27 bis 29 versehen, deren Abstand so ge- wählt ist, daß sie in der Ruhelage des Kontaktträgers 2 eine elektrisch leitende Verbindung zwischen den einander gegenüberstehenden Kontaktstiften 11 und 14, 12 und 15 sowie 13 und 16 bilden.

Jeweils abwechselnd sind zwei radial in gleiche Richtung weisende Kontaktstifte durch Kupferschienen 21 bis 24 miteinander verbunden. Im einzelnen bestehen zwischen den beiden Kontaktstiften 12 und 13 sowie 14 und 15 galvanische Verbindungen bestehen, womit die einzelnen jeweils durch Kon- taktstift und Kontaktring gebildeten Schaltelemente elektrisch hintereinandergeschaltet sind, so daß Spannungen im Mittelspannungsbereich von 6 bis 24 kV bewältigt werden können. Bei der Anordnung gemäß den Figuren 1 und 2 ist die Schaltspannung beispielsweise 6000 V. Proportional der Anzahl der Schaltelemente können höhere Spannungen geschaltet werden.

Mit der Bewegung des Kontaktträgers 2 entsteht zwischen den Kontaktringen 27 bis 29 und den anliegenden Enden der Kon- taktstifte 11 bis 16 jeweils eine Trennstelle, an der ein

Lichtbogen gezogen wird. Mit zunehmendem Abstand zwischen den Kontaktringen 27 bis 29 und den Kontaktstiften 11 bis 16 werden die Lichtbögen in den Spalt 20 mit einer Breite von beispielsweise 5 = 0,2 mm hineingezogen und gelöscht.

Mit der beschriebenen Ausführungsform eines Mittelspannungsschalters für eine Schaltspannung von beispielsweise U_s = 6 kV und einen Nennstrom I_N = 200 A kann bei einem prospek- tiven Kurzschlußstrom von bis zu I,, = 100 kA der Durchlaßstrom I auf einen Scheitelwert von etwa 10 kA begrenzt werden. Entsprechendes gilt für höhere Spannungen.

Als Ausführungsbeispiel wurde vorstehend eine Anordnung mit zylindrischem Kontaktträger und hohlzylindrischer Löschkammer und jeweils paarweise, einander radial gegenüberstehenden Kontaktstiften beschrieben. Es sind aber auch Anordnungen mit kantiger Löschkammer und darin geführtem quaderförmiger Kontaktträger möglich, wobei in diesem Fall die Kontaktbereiche sich beispielsweise auf den Flächen des quaderförmigen Kontakttragers befinden. Dabei sind Kontaktbereiche und die Kontaktstifte in geeigneter Weise einander zugeordnet.

Claims

Patentansprüche

1. Schnellarbeitender mechanischer Mittelspannungsschalter mit einer Einrichtung zum Erfassen eines Kurzschlußstromes und einem elektrodynamischen Wirbelstromauslöser, dessen Antriebsring im Feld einer Spule angeordnet ist und der zur Bewegung eines Kontaktträgers innerhalb einer Löschkammer vorgesehen ist, wobei der Kontaktträger mit Kontaktbereichen versehen ist und wobei jedem Kontaktbereich zwei Kontakt- stifte zugeordnet sind, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß mehrere Kontaktbereiche (27-29) mit den zugehörigen Kontaktstiften (11-16) elektrisch in Reihe geschaltet sind, wobei zumindest die Wände des Kontaktträges (2) und/oder der Löschkammer (3) aus einem solchen isolie- rende Material bestehen, das unter dem Einfluß eines Schaltlichtbogens zwischen den Kontaktstiften (11/14, 12/15, 13/16) und den Kontaktbereichen (27-29) verdampft und ein geeignetes Löschgas für den Lichtbogen bildet.

2. Mittelspannungsschalter nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Kontaktträger (2) zumindest an seiner Oberfläche aus einem elektrisch isolierenden, thermoplastischen und/oder duroplastischen Material mit Füllstoffen zur Bildung des Löschgases besteht.

3. Mittelspannungsschalter nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Schaltkammer (1) zumindest an den die Löschkammer (3) umgebenden Bereichen aus einem elektrisch isolierenden, thermoplastischen und/oder duroplastischen Materialien mit Füllstoffen zur Bildung des Löschgases besteht.

4. Mittelspannungsschalter nach Anspruch 2 und/oder Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Füllstoffe ein hohes Ionisierungspotential haben.

5. Mittelspannungsschalter nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Ionisierungspotential durch einen hohen Stickstoffanteil des Füllstoffes erreicht wird.

6. Mittelspannungsschalter nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Ionisierungspotential durch einen hohen Wasserstoffanteil des Füllstoffes erreicht wird.

7. Mittelspannungsschalter nach Anspruch 2 und/oder 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das duroplastische Material ein aliphatischer EPIC-Formstoff ist.

8. Mittelspannungsschalter nach Anspruch 2 und/oder Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das duroplastische Material ein cycloaliphatisches Epoxid/Säure- anhydridsystem bildet.

9. Mittelspannungsschalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die einzelnen Kontaktbereiche (27-29) mit den einzenen Kontaktstiften mechanisch in bezug auf den Kontaktträger (2) und die Löschkammer (3) parallel angeordnet sind.

10. Mittelspannungsschalter nach Anspruch 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Kontaktträger (2) zylindrisch und die Löschkammer (3) hohlzylindrisch ausgebildet sind.

11. Mittelspannungsschalter nach Anspruch 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Kontaktbereich ein auf dem zylindrischen Kontaktträger (2) umlaufender Kontaktring (27-29) ist, auf den die Kontaktstifte (11/14, 12/15, 13/16) jeweils radial einander gegenüberstehen, wobei mehrere Kontaktringe (27-29) parallel umlaufend auf dem zylinder- förmigen Kontaktträger (2) angeordnet sind.

12. Mittelspannungsschalter nach Anspruch 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß zur elektrischen Reihenschaltung einzelner Kontaktringe (27-29) mit den zugehörigen Kontaktstiften (11-16) jeweils abwechselnd zwei radial in gleiche Richtung weisende Kontaktstifte (11/14, 12/15, 13/16) galvanisch miteinander verbunden sind.

13. Mittelspannungsschalter nach Anspruch 11 und Anspruch 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Anzahl der auf dem Kontaktträger (2) befindlichen Kontaktringe (27-29) mit zugehörigen Kontaktstiften (11-16), die jeweils elektrisch in Reihe geschaltete Kontaktelemente bilden, den anwendbaren Mittelspannungsbereich bestimmen.

14. Mittelspannungsschalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Löschkammer (3) eine Fehlererkennungseinheit (30) , die im Kurzschlußfall den Wirbelstromauslöser (5, 6, 7) aktiviert, zugeordnet ist.

15. Mittelspannungsschalter nach Anspruch 14, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Wirbelstromauslöser (5, 6, 7) im Kurzschlußfall über die Entladung von Speicher- kondensatoren (32) aktiviert wird.