WO2015113794A2 - Erdungsschalter für bahnstromanlagen und verfahren zum erden eines teils einer bahnstromanlage mittels eines erdungsschalters - Google Patents

Erdungsschalter für bahnstromanlagen und verfahren zum erden eines teils einer bahnstromanlage mittels eines erdungsschalters Download PDF

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switch
earthing
circuit
short
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Philippe Leray
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • H01H33/12—Auxiliary contacts on to which the arc is transferred from the main contacts
    • H01H33/121—Load break switches
    • H01H33/125—Load break switches comprising a separate circuit breaker

Definitions

  • Earthing switches are special switching devices that in the simplest case connect an electrical line to ground and thus establish a safe state.
  • earthing switches are mainly used in halls and factories and automated grounding systems for tunnel rescue.
  • An automated grounding system is known, for example, from the SBB CFF FFS Specifications Manual of 18 April 2012 on page 5.
  • Earthing switch 8WL6144-1A for AC 25 kV traction current systems of Siemens AG, known from “ProductInformation / Version 1.2.0 / No. A6Z00029955871 "from 2013 on page 3, is a grounding switch for railway power plants having a first main contact and a movable second main contact, the movable second main contact being movable away from the first main contact to establish an air gap
  • the earthing switch 8WL6144-1A is a grounding switch whose design is only then closed and thus produces a grounded state if the catenary was previously switched off, secured against being switched on again and tested for absence of voltage These measures prevent the earthing switch from switching to a short circuit - which would damage or destroy it.
  • Earthing switches which are used for AC and DC traction power supply and are to be connected to a live line, must, in contrast to the known earthing switch 8WL6144-1A, be short-circuited. These switches are characterized today primarily by the fact that the switching blade enters the contact at a high speed and thus in connection with the preheating an inlet into the contact at a low instantaneous value of
  • Examples are z. B. switches of the series FES 3-20-1 B Fa. Driescher.
  • the rapid entry or the rapid closing of the main contacts results in the known effect of the current increase, because the closing process must remain in the time range of the lower portion of the current rise, so as not to be hindered by the current forces at the inlet of the switch blade.
  • the switches mentioned are compared to the switch series
  • a earthing switch for traction current systems having a first main contact and a movable second main contact, the movable second main contact being movable away from the first main contact for producing an air gap, characterized in that the main contacts comprise a pre-ignition arrangement. which is suitable for a short-circuit closing of the earthing switch.
  • Closing movement / switch-on movement ensures that the pre-ignition arrangement triggers the short-circuit as a "victim element".
  • the Vorzündanowski can easily be repaired depending on the wear, which offers cost advantages in terms of operation and maintenance of the earthing switch.
  • the earthing switch is comparatively simple in design, uses the same platform concept for existing disconnectors and earthing switches and is inexpensive to manufacture. During operation, the earthing switch is particularly low maintenance because it is not damaged or destroyed in the event of a short circuit (in emergency situations).
  • the earthing switch according to the invention is suitable for applications in both DC and AC operation.
  • the pre-ignition arrangement is arranged above the main contacts. This is advantageous because a protection of the main contacts is ensured because the main contacts are not in the range of thermal buoyancy occurring
  • Arc column lie. This ensures via the minimum principle of the arc, that its bases always on the appropriate, provided for this purpose tips Vorzundanaku.
  • the preheating arrangement has a pre-ignition device for each main contact.
  • the Vorzünd raised only occurs at the pre-ignition devices provided for this purpose.
  • the pre-ignition devices are designed as pre-ignition horns. This is advantageous because pre-ignition horns are designed and designed only for short circuit switching. This pre-ignition horns are well designed for the loads acting and especially suitable for use with earthing switches.
  • the pre-ignition horns are mounted essentially in horizontal alignment and assigned to the respective main contact. This is an advantage because arcing in this way occurs only in the area of the pre-ignition horns.
  • the pre-ignition devices are designed as arcing horns.
  • arcing horns when used with circuit breakers, schaltstrombelastiana have long been known and tested.
  • the use of arcing horns is particularly useful if a short-circuit withstand voltage is required for load-break switches. A high breaking current capacity can not be afforded by the pre-ignition horns in comparison, so that this embodiment is particularly suitable for earthing switches with a particularly high short-circuit resistance.
  • the arc horns are mounted substantially in vertical alignment and associated with the respective main contact. This is an advantage because arcs are created exclusively in the area of the arcing horns.
  • the earthing switch is suitable for making a short-circuit closing several times.
  • a grounding switch according to the invention can withstand single or multiple switching on of a short circuit, which is an advantage over known earthing switches, which are usually damaged by short-circuit closing.
  • the grounding switch according to the invention is therefore particularly low maintenance and short-circuit protection.
  • the turn-on speed of the earthing switch is selected such that a short circuit with arcing at the Vorzündan eleven by means of a power switch assigned to the earthing switch in the traction current switch can be seen and switched off before the
  • circuit breakers present in a traction current network can detect a short circuit, as it exists at the pre-ignition arrangement when an arc occurs. The circuit breakers would then break the short circuit accordingly, so that when
  • Circuit breakers as well as special high-speed switches, are generally capable of maintaining a tripping and power-off time of typically less than 100 ms. A current load of the main contacts of the earthing switch would therefore only occur in the event of a switching failure of the power circuit breakers. If a switching failure of a circuit breaker occurs, a backup protection is activated. In the substations, this usually causes the circuit breaker to trip on the input side. Although their switching times are only 20 ms, the total current flow time can be extended by further processing or transfer times. These errors are to be set for an already unlikely event of a KurzBankeinsciens by the earthing switch with an extremely low probability and play little role in everyday life. In the DC voltage range are shutdown times for high
  • the turn-off time of a power circuit-breaker depends not only on the current amplitude but also on the direction of current flow, the current increase and the measured loop impedance. These additional measurement processing algorithms will be but effective only for lower amplitudes. Otherwise, the short circuit with high amplitudes would cause greater damage.
  • the aim of the impedance measurements is the safe short-circuit detection in the entire associated switching group, also for lower short-circuit currents and the distinctiveness of high operating currents.
  • These impedance stages generally entail between 20 and 30 ms delay time, so that the short-circuit current flow duration up to max. 100 ms (20 ms to 60 ms + 30 ms).
  • the earthing switch is therefore designed in this embodiment that its closing speed is relatively slow so that a corresponding arc is already safely shut down by a circuit breaker before the main contacts close. Closing of the main contacts is preferably achieved after about 200 to 250 ms. It is therefore essential for this embodiment, the combination of the properties of the earthing switch according to the invention with the properties of common circuit breakers.
  • Another advantage is that when replacing the Abbrandmaschine no readjustment of the entire Vorzündanowski must be done, which saves time and costs in maintenance. Furthermore, the technical availability of the catenary system is increased.
  • the burn-off elements have an internal thread and can be attached to the pre-ignition arrangement in the manner of a screw connection.
  • a screw connection is advantageous in that on the one hand a long-term secure locking of the Abbrandele- ment is ensured on the Vorzündanowski extract by the screw and on the other hand, the Abbrandelement can be easily replaced.
  • the length of the burn-off elements is dimensioned according to an expected short-circuit turn-on frequency of the grounding switch. This is an advantage because depending on customer or project requirements with respect to the switching frequency of Vorzündanowski note a Abbrandelement suitable length can be selected to comply, for example, a predetermined maintenance interval even with heavy use of Abbrandemia without additional maintenance.
  • the burn-off elements comprise as material a dispersion-hardened copper material. This is an advantage because it can optimize the switching off of operating currents.
  • the Abbrandelemnte from dispersion-strengthened copper material have compared to pure copper on a higher temperature and thus arc resistance, resulting in a longer usability of the Vorzündanix without maintenance costs. Another advantage is that the Abbrandieri of dispersion strengthened copper material compared to known tips made of tungsten are also priced significantly cheaper in purchasing.
  • This material is powder metallurgically by reaction times;
  • CEP DISCOP high-performance copper materials from Compound Extrusion Products GmbH in Freiberg are known (application brochure 09/09).
  • the use of this refractory material is advantageous because it reduces the frequency of maintenance of the consumable elements.
  • dispersion-strengthened copper material is furthermore advantageous in that it is characterized by high wear resistance and high temperature resistance.
  • Copper materials are dispersion-hardened copper materials, which in particular have a substantially reduced hardness at 20 ° C. after cooling only when the dispersion-strengthened copper material was previously heated to above 800 ° C. for 1 hour.
  • Such a dispersion-hardened copper material with a particularly high heat resistance is known, for example, from the alloys CEP DISCOP C3 / 11 and C3 / 80 from Compound Extrusion Products GmbH in Freiburg (application brochure 09/09).
  • the dispersion-hardened copper material is suitable for machining. This is an advantage because such dispersion strengthened copper materials are excellent are machinable and can be formed by short and uniform chip formation. Known tungsten copper materials, by comparison, can not be machined due to their hardness. The machinability of the dispersion-strengthened copper materials allows, for example, in the production process, the formation of a cavity and possibly an internal thread in order to attach the Abbrandelement later detachable can. Furthermore, the subject of the present invention is a method for grounding a part of a traction current system by means of a grounding switch according to one of the preceding claims, comprising the steps:
  • the short circuit is switched off by existing in the traction current circuit breaker, so that the main contacts of the earthing switch are de-energized before their contact.
  • FIG. 2 shows an example of a traction current system with power and grounding switches.
  • FIG. 1 shows a grounding switch 1 for traction current systems with a first main contact 3 and a movable second main contact 4.
  • the main contact 3 is at a Rod 9 spaced from a base plate 8 of the earthing switch 1.
  • a pre-ignition horn 5 is arranged which points in a substantially horizontal orientation towards the second main contact 4.
  • the movable second main contact 4 is arranged on a second rod 11 with an insulator element 7 and can be moved away from the first main contact 3 to produce an air gap by tilting it over a tilting joint 10. The tilting movement is carried out via a drive, not shown, which acts on a lever 11 to the second rod 11.
  • a Vorzündhorn 5 is arranged, which points in a substantially horizontal orientation to the first main contact 3 out.
  • the two pre-ignition horns 5, 6 together form the pre-ignition arrangement 5, 6 of the grounding switch 1.
  • Air gap between the main contacts 3,4 and the Vorzünd- horns 5,6 is formed.
  • the earthing switch 1 is turned off in this state.
  • An existing arc typically causes an associated circuit breaker (not shown) to detect the short circuit and quickly shut down.
  • an existing arc between the pre-ignition horns 5, 6 is already extinguished before the grounding switch 1 reaches the closed state of the main contacts 3, 4 shown in FIG. 1c.
  • An induced by the arc wear is So only in the area of the pre-ignition horns 5.6 to be expected, so that after a multiple stress by Kurz practitionereinscigenen the earthing switch 1, only the Vorzünd stealner must be replaced, which can be comparatively cost-effective and quickly performed.
  • FIG. 2 shows a traction current system 20 with a first contact line 21, which is associated with a first track, and a second contact line 22, which is assigned to a second track.
  • the railway line is thus passable on both sides.
  • the two catenary lines 20,21 are each fed in sections by a substation 34, each having power or quick switch 36 for feeding a supply section of a catenary. Between performance or
  • One of the substations 35 has a data processing center 15 and is set up to exchange measurement data on the state of the electric traction current network and of the feed sections with the other substations 4 via communication lines 33.
  • All substations 34, 35 are connected via communication lines 33 to a communications network 32 which is connected to a higher-level control center, such as a Supervisory Control and Data Acquisition (SCADA) system 31.
  • SCADA Supervisory Control and Data Acquisition
  • the power or quick switches 36 must detect a short circuit on the basis of their own assigned protection and switch off the voltage. An entrainment circuit of one or more earthing switches 39 to one or more power circuit breakers 36 is not existent and necessary. Switches for which the short-circuit switching function is required must be designed differently. Characteristic of this switch is a kind of snap-action or quick-switching function to achieve a rapid contact movement. Constructive solutions are shown above switch type FES 3-20-1 B of the company Driescher. If a circuit breaker without such design requirements is used for requirements after short-circuit closing, the contact is usually thermally overloaded and destroyed.
  • the earthing switch 39 offers a comparatively simply constructed solution which is inexpensive to manufacture and requires little maintenance.

Landscapes

  • Gas-Insulated Switchgears (AREA)
  • Arc-Extinguishing Devices That Are Switches (AREA)
  • Driving Mechanisms And Operating Circuits Of Arc-Extinguishing High-Tension Switches (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Erdungsschalter (1) für Bahn- stromanlagen (2) mit einem ersten Hauptkontakt (3) und einem bewegbaren zweiten Hauptkontakt (4), wobei der bewegbare zweite Hauptkontakt (4) zur Herstellung einer Luftstrecke von dem ersten Hauptkontakt (3) weg bewegbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptkontakte (3,4) eine Vorzündanordnung (5,6) aufweisen, die für eine Kurzschlusseinschaltung des Erdungsschalters (1) geeignet ist. Weiterhin ist ein Verfahren zum Erden eines Teils einer Bahnstromanlage mittels eines erfindungsgemäßen Erdungsschalters Gegenstand der Erfindung.

Description

Beschreibung
Erdungsschalter für Bahnstromanlagen und Verfahren zum Erden eines Teils einer Bahnstromanlage mittels eines Erdungsschal- ters
Erdungsschalter sind spezielle Schaltgeräte, die im einfachsten Fall eine elektrische Leitung mit Erde verbinden und damit einen sicheren Zustand herstellen. In Fahrleitungsnetzen werden Erdungsschalter hauptsächlich in Hallen und Werken und automatisierten Erdungsanlagen für Tunnelrettung eingesetzt. Ein System zur automatisierten Erdung ist beispielsweise aus dem „Lastenheft Automatische Erdungseinrichtung (AEE) " der SBB CFF FFS vom 18.04.2012 auf Seite 5 bekannt. Ein weiteres System zur automatisierten Erdung ist mit Sicat AES aus dem Zeitschriftenartikel „Fahrleitungserdung - automatisiert mit Sicat AES", erschienen in „Elektrische Bahnen Sonderdruck S3/2013", bekannt. Es ist aus der Produktbeschreibung des Freiluft-Lasttrennschalters der FLaV 25-2000-16-1B und 2B Serie, auf Seite 9 der „Betriebs-, Montage- und Wartungsanleitung für Driescher Freiluft Schaltgeräte für Bahnanlagen" mit der Bestellnummer 3-811201068.05-04 von Elektrotechnische Werke Fritz Driescher & Söhne GmbH, 85366 Moosburg, bekannt, bei Lasttrennschaltern so genannte Vorzündhörner einzusetzen, um die Kurzschluss- Einschaltfestigkeit zu verbessern. Aus Abb. 11 auf S. 12 der gleichen Produktbeschreibung geht hervor, dass die Vorzündhörner mit einer besonders temperaturstabilen Spitze ausge- stattet sind. Solche temperaturbeständigen Spitzen weisen einen besonders geringen Verschleiß im Betrieb auf und verringern somit Wartungs- und Instandsetzungskosten. Die temperur- stabilen Spitzen sind im Stand der Technik allgemein bekannt und werden häufig aus Wolframlegierungen hergestellt und auf die aus Kupfer gefertigten Vorzündhörner geschweißt.
Der Erdungsschalter 8WL6144-1A für AC 25 kV Bahnstromsysteme der Siemens AG, bekannt aus „ ProduktInformation / Version 1.2.0 / Nr. A6Z00029955871" von 2013 auf Seite 3, ist ein Erdungsschalter für Bahnstromanlagen mit einem ersten Hauptkontakt und einem bewegbaren zweiten Hauptkontakt, wobei der bewegbare zweite Hauptkontakt zur Herstellung einer Luftstrecke von dem ersten Hauptkontakt weg bewegbar ist. Die Erdungsschalter selbst unterscheidet man nach Norm hinsichtlich ihrer Kurzschlusseinschaltkategorie . Der genannte Erdungsschalter 8WL6144-1A ist dabei ein Erdungsschalter, der von der Auslegung her nur dann geschlossen wird und somit einen geer- deten Zustand hergestellt, wenn zuvor die Fahrleitung abgeschaltet, gegen Wiedereinschalten gesichert und auf Spannungsfreiheit geprüft wurde. Durch diese Maßnahmen wird vermieden, dass der Erdungsschalter auf einen Kurzschluss schaltet - wodurch er beschädigt oder zerstört werden würde.
Es ist weiterhin aus der gleichen Produktinformation der Trennschalter der Baureihe SICAT 8WL6144 der Siemens AG bekannt, bei dem aus Kupfer hergestellte Lichtbogenhörner vorgesehen sind. Im relativ aufwändigen Magna-Flash-Schweißver- fahren werden Abbrandelemente aus einer Wolframkupferlegie- rung angeschweißt. Die stumpf auf die Lichtbogenhörner angeschweißten Abbrandelemente müssen bei Erodierung des Materials im Zuge einer Wartung ersetzt werden. Dabei werden die gesamten Lichtbogenhörner getauscht und neu ausgerichtet, da- mit die vorgesehene Schaltlichtbogenlöschung sichergestellt ist .
Erdungsschalter, die für AC und DC-Bahnstromversorgung angewendet werden und auf eine unter Spannung stehende Fahrlei - tung zugeschaltet werden sollen, müssen im Gegensatz zum bekannten Erdungsschalter 8WL6144-1A Einschaltkurzschlussfest sein. Diese Schalter zeichnen sich heute primär dadurch aus, dass das Schaltmesser mit einer hohen Geschwindigkeit in den Kontakt einläuft und somit in Verbindung mit dem Vorzünden ein Einlauf in den Kontakt bei geringem Momentanwert des
Stromes erfolgt. Beispiele dafür sind z. B. Schalter der Serie FES 3-20-1 B der Fa. Driescher. Der schnelle Einlauf bzw. das schnelle Schließen der Hauptkontakte ergibt sich dem bekannten Effekt des Stromanstiegs, weil der Schließvorgang im Zeitbereich des unteren Bereichs des Stromanstiegs bleiben muss, um nicht über die Stromkräfte am Einlauf des Schaltmessers behindert zu werden. Die genannten Schalter sind jedoch im Vergleich zur Schalterserie
8WL6144-1 der Siemens AG durch die höheren Anforderungen vergleichsweise robuster gebaut und somit teurer. Obwohl heute die Spannungsprüfung gemäß den fünf Sicherheitsregeln nach EN 50110 zum Standard vor dem Einlegen des Erdungsschalters zählt, werden dennoch Erdungsschalter der höheren Kategorie mit Kurzschlusseinschaltvermögen gefordert (z.B. AEE der Schweizer Bundesbahn) . Das wird damit begründet, dass in Fällen einer Notabschaltung keine Zeit für eine Spannungsprüfung wäre und binnen weniger Sekunden ein sicherer Zustand hergestellt werden muss. Andere Gründe könnten Fehlbedienungen sein .
Dabei wird vergessen, dass ein Erdungsschalter zwar den Kurz- schluss auslöst und ihn anschließend auch trägt, aber dieser Erdungsschalter nur dann dieser Belastung standhält, wenn der speisende Leistungsschalter über dessen Kurzschlusserkennung die Spannung und damit den Kurzschlussstrom im Unterwerk oder den Unterwerken abschaltet.
Ausgehend vom bekannten Erdungsschalter für Bahnstromanlagen des Typs 8WL6144-1A stellt sich für die Erfindung die Aufgabe, einen für eine mehrmalige Kurzschlusseinschaltung geeigneten Erdungsschalter bereit zu stellen, der sich kostengüns- tig herstellen lässt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Erdungsschalter für Bahnstromanlagen mit einem ersten Hauptkontakt und einem bewegbaren zweiten Hauptkontakt, wobei der be- wegbare zweite Hauptkontakt zur Herstellung einer Luftstrecke von dem ersten Hauptkontakt weg bewegbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptkontakte eine Vorzündanordnung auf- weisen, die für eine Kurzschlusseinschaltung des Erdungsschalters geeignet ist.
Es ist ein Vorteil des erfindungsgemäßen Erdungsschalters, dass die Funktionalität des Erdungsschalters im Vergleich zu herkömmlichen Erdungsschaltern erweitert wird, weil die Kurz- schlusseinschaltfestigkeit des erfindungsgemäßen Erdungsschalters erheblich gesteigert ist. Dies wird erreicht, weil der Kurzschluss nicht über die Hauptkontakte gezündet wird, was die Lebensdauer der Hauptkontakte verlängert und gleichzeitig eine relative Unversehrtheit und damit verbunden eine relative Wartungsarmut der Hauptkontakte sicherstellt. Die Stromübernahme über die Vorzündanordnung während der
Schließbewegung/Einschaltbewegung stellt sicher, dass die Vorzündanordnung als "Opferelement" den Kurzschluss auslöst. Die Vorzündanordnung kann abhängig vom Verschleiß einfach wieder instandgesetzt werden, was im Hinblick auf Betrieb und Wartung des Erdungsschalters Kostenvorteile bietet. Dabei ist der Erdungsschalter vergleichsweise einfach konstruiert, setzt auf dem gleichen Plattformkonzept bestehender Trenn- und Erdungsschalter auf und ist preisgünstig herzustellen. Im Betrieb ist der Erdungsschalter, weil er bei einer Kurzschlusseinschaltung (in Notsituationen) nicht beschä- digt oder zerstört wird, besonders wartungsarm.
Der erfindungsgemäße Erdungsschalter ist für Anwendungen sowohl im Gleichspannungs- als auch im Wechselspannungsbetrieb geeignet .
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Erdungsschalters ist die Vorzündanordnung oberhalb der Hauptkontakte angeordnet. Dies ist vorteilhaft, weil eine Schonung der Hauptkontakte gewährleistet ist, da die Hauptkontakte nicht im Bereich des thermischen Auftriebs der auftretenden
Lichtbogensäule liegen. Damit ist über das Minimalprinzip des Lichtbogens sichergestellt, dass sich dessen Fußpunkte immer auf den entsprechenden, dafür vorgesehenen Spitzen der Vorzundanordnung befinden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungs- gemäßen Erdungsschalters weist die Vorzündanordnung für jeden Hauptkontakt eine Vorzündeinrichtung auf .
Die Vorzündeinrichtungen berühren sich dabei nicht, sondern sind derart konstruktiv ausgelegt, dass ein Zünden durch Überschreiten einer kritischen Feldstärke sicher erfolgt und zur Ausbildung eins Lichtbogens führt. Der Abstand zwischen den Vorzündeinrichtungen wird in Abhängigkeit vom Spannungs- system und der Nennspannung gewählt. Diese Ausgestaltung der Vorzündanordnung ist vorteilhaft, weil entsprechender Ver- schleiß durch Lichtbogenbildung im Bereich beider Hauptkontakte jeweils nur an den dafür vorgesehenen Vorzündeinrichtungen auftritt.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform des erfindungs- gemäßen Erdungsschalters sind die die Vorzündeinrichtungen als Vorzündhörner ausgebildet. Dies ist vorteilhaft, weil Vorzündhörner nur für das Kurzschlusseinschalten konzipiert und ausgelegt werden. Damit sind Vorzündhörner für die einwirkenden Belastungen bestens ausgestaltet und besonders für die Anwendung an Erdungsschaltern geeignet.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der vorgenannten Ausführungsform sind die Vorzündhörner im Wesentlichen in horizontaler Ausrichtung angebracht und dem jeweiligen Hauptkon- takt zugeordnet. Dies ist ein Vorteil, weil auf diese Weise entstehende Lichtbögen ausschließlich im Bereich der Vorzündhörner entstehen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungs- gemäßen Erdungsschalters sind die Vorzündeinrichtungen als Lichtbogenhörner ausgebildet.
Dies ist ein Vorteil, weil Lichtbogenhörner aus der Verwendung bei Trennschaltern, die gleichzeitig eine hohe Aus- schaltstrombelastbarkeit aufweisen sollen, lange bekannt und erprobt sind. Die Verwendung von Lichtbogenhörnern ist insbesondere dann sinnvoll, wenn für Lasttrennschalter auch eine Kurzschlusseinschaltfestigkeit gefordert wird. Eine hohe Aus- schaltstrombelastbarkeit können im Vergleich die Vorzündhör- ner nicht leisten, so dass diese Ausführungsform besonders für Erdungsschalter mit besonders hoher Kurzschlussfestigkeit geeignet ist. In einer anderen bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Erdungsschalters sind die Lichtbogenhorner im Wesentlichen in vertikaler Ausrichtung angebracht und dem jeweiligen Hauptkontakt zugeordnet. Dies ist ein Vorteil, weil dadurch Lichtbögen ausschließlich im Bereich der Lichtbogenhör- ner entstehen. Diese Lichtbögen werden durch den thermischen Auftrieb nach oben entlang der Lichtbogenhorner getrieben und gelangen schließlich zu den Enden der Lichtbogenhorner, die für den Verschleiß vorgesehen sind. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Erdungsschalters ist der Erdungsschalter geeignet, mehrfach eine Kurzschlusseinschaltung vorzunehmen. Ein erfindungsgemäßer Erdungsschalter verträgt einmaliges oder mehrmaliges Einschalten eines Kurzschlusses, was ein Vorteil gegen- über bekannten Erdungsschaltern ist, die durch eine Kurzschlusseinschaltung i.d.R. beschädigt werden. Der erfindungsgemäße Erdungsschalter ist daher besonders wartungsarm und kurzschlusssicher . In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Erdungsschalters ist die Einschaltgeschwindigkeit des Erdungsschalters derart gewählt, dass ein Kurzschluss mit Lichtbogenbildung an der Vorzündanordnung mittels eines im Bahnstromnetz dem Erdungsschalter zugeordneten Leistungs- Schalters erkennbar und abschaltbar ist, bevor sich die
Hauptkontakte des Erdungsschalters berühren. Anstatt eines Leistungsschalters kann auch ein so genannter Schnellschalter verwendet werden. Erzielt wird dieser Effekt dadurch, dass in einem Bahnstromnetz vorhandene Leistungsschalter einen Kurzschluss - wie er bei Entstehung eines Lichtbogens an der Vorzündanordnung vor- liegt - erkennen können. Die Leistungsschalter würden dann den Kurzschluss entsprechend unterbrechen, so dass beim
Schließen der Hauptkontakte bereits der Lichtbogen gelöscht und die Hauptkontakte stromfrei sind. Leistungsschalter und auch spezielle Schnellschalter sind im Allgemeinen in der La- ge, eine Schutzauslöse- und Stromabschaltzeit von typischerweise weniger als 100 ms einzuhalten. Eine Strombelastung der Hauptkontakte des Erdungsschalters würde folglich nur im Falle eines Schaltversagens der speisenden Leistungsschalter auftreten. Tritt ein Schaltversagen eines Leistungsschalters ein, so greift ein Reserveschutz. Das führt in den Unterwerken in der Regel zu einem Auslösen des Leistungsschalters auf der Eingangsseite. Dessen Schalteigenzeiten betragen zwar nur 20 ms, jedoch können sich durch weitere Verarbeitungs- bzw. Mitnahmezeiten die Gesamtstromflussdauer verlängern. Diese Fehler sind für ein an sich bereits unwahrscheinliches Ereignis einer Kurzschlusseinschaltung durch die Erdungsschalter mit einer äußerst geringen Wahrscheinlichkeit anzusetzen und spielen im Alltagsbetrieb kaum eine Rolle. Im Gleichspannungsbereich liegen Abschaltzeiten für hohe
Kurzschlussströme von zum Beispiel mehr als 20 kA im Bereich von 20 bis 30 ms. Häufig werden sogar Ströme binnen weniger als 20 ms abgeschaltet. Auch im Wechselspannungsbereich spricht man heute bei einer Schnellabschaltung für hohe Kurzschlussströme über Abschaltzeiten im Bereich von 20 bis 60 ms bei einer mittleren Ausschaltdauer von 40 ms. Die Abschaltzeit eines speisenden Leistungsschalters hängt neben der Stromamplitude selbst auch von der Stromflussrichtung, Stromanstieg und der gemessenen Schleifenimpedanz ab. Diese zusätzlichen Messwertverarbeitungsalgorithmen werden jedoch nur für geringere Amplituden wirksam. Anderenfalls würde der Kurzschluss mit hohen Amplituden größere Schäden anrichten. Ziel der Impedanzmessungen ist die sichere Kurz- schlussdetektion in der gesamten zugehörigen Schaltgruppe auch für geringere Kurzschlussströme und Unterscheidbarkeit von hohen Betriebsströmen. Diese Impedanzstufen bringen in der Regel zw. 20 und 30 ms Verzögerungszeit mit sich, so dass die Kurzschlussstromflussdauer bis max. 100 ms betragen kann (20 ms bis 60 ms + 30 ms) .
Aus dieser einfachen Überschlagsrechnung ergibt sich vorgenannte Abschätzung von weniger als 100 ms Abschaltzeit eines Leistungsschalters . Der Erdungsschalter ist in dieser Ausführungsform daher darauf ausgelegt, dass seine Schließgeschwindigkeit vergleichsweise so langsam ist, dass ein entsprechender Lichtbogen bereits sicher durch einen Leistungsschalter abgeschaltet ist, bevor sich die Hauptkontakte schließen. Ein Schließen der Hauptkontakte wird bevorzugt nach etwa 200 bis 250 ms erreicht. Wesentlich ist für diese Ausführungsform folglich die Kombination der Eigenschaften des erfindungsgemäßen Erdungs- schalters mit den Eigenschaften gängiger Leistungsschalter. Somit ist beim erfindungsgemäßen Erdungsschalter durch eine einfache konstruktive Lösung gegenüber bisherigen Erdungsschaltern eine einfachere und kostengünstigere Lösung für Anwendungen eines Erdungsschalters mit Kurzschlusseinschaltung ermöglicht. Ein weiterer Vorteil dieser Konstruktion ist es, vom Antrieb her vergleichsweise einfach aufgebaut zu sein, weil insbesondere keine Sprungschaltfunktion des Erdungsschalters auf Basis von Federspeicherantrieben benötigt wird, um den Schließvorgang der Hauptkontakte zu beschleunigen und somit die Belastung durch einen auftretenden Lichtbogen zu verringern. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Erdungsschalters weist die die Vorzündanordnung lösbar anbringbare Abbrandelemente auf . Dies ist ein Vorteil, weil die Abbrandelemente an einer Vorzündanordnung angebracht und leicht ausgetauscht werden können, ohne dass entsprechende Lichtbogenhörner der Vorzündanordnung ausgetauscht werden müssen. Hierdurch sinken sowohl in der Fertigung der Abbrandelemente als auch in der Wartung der Vorzündanordnung Kosten, da nun nur die Abbrandelemente ausgetauscht werden müssen.
Ein weiterer Vorteil ist es, dass beim Austausch der Abbrandelemente keine Neujustierung der kompletten Vorzündanordnung erfolgen muss, was Zeit und Kosten in der Wartung einspart. Des Weiteren wird die technische Verfügbarkeit des Fahrleitungssystems erhöht.
In einer bevorzugten Weiterbildung der vorgenannten Ausfüh- rungsform weisen die Abbrandelemente ein Innengewinde auf und können nach Art einer Schraubverbindung an der Vorzündanordnung angebracht werden können. Eine solche Schraubverbindung ist dadurch vorteilhaft, dass durch die Verschraubung einerseits eine langfristig sichere Arretierung des Abbrandele- ments an der Vorzündanordnung gewährleistet wird und andererseits das Abbrandelement leicht ausgetauscht werden kann.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform des erfindungs- gemäßen Erdungsschalters ist die Länge der Abbrandelemente entsprechend einer erwarteten Kurzschlusseinschalthäufigkeit des Erdungsschalters bemessen. Dies ist ein Vorteil, weil so abhängig von Kunden- oder Projektanforderungen in Bezug auf die Schalthäufigkeit der Vorzündanordnung ein Abbrandelement geeigneter Länge gewählt werden kann, um beispielsweise ein vorgegebenes Wartungsintervall auch bei starker Beanspruchung der Abbrandelemente ohne zusätzliche Wartung einzuhalten. In einer anderen bevorzugten Ausführungsform des erfindungs- gemäßen Erdungsschalters umfassen die Abbrandelemente als Material einen dispersionsverfestigten Kupferwerkstoff. Dies ist ein Vorteil, weil so das Ausschalten von Betriebsströmen optimiert werden kann. Die Abbrandelemnte aus dispersionsver- festigten Kupferwerkstoff weisen gegenüber reinem Kupfer eine höhere Temperatur- und damit Lichtbogenbeständigkeit auf, was zu einer längeren Nutzbarkeit der der Vorzündanordnung ohne Wartungsaufwendungen führt. Ein weiterer Vorteil ist es, das die Abbrandelemente aus dispersionsverfestigten Kupferwerkstoff im Vergleich zu bekannten Spitzen aus Wolfram außerdem preislich deutlich günstiger im Einkauf sind.
Die Herstellung dieses Materials erfolgt pulvermetallurgisch durch Reaktionsmalen; bekannt sind beispielsweise CEP DISCOP Hochleistungs-Kupferwerkstoffe der Compound Extrusion Products GmbH in Freiberg (Anwendungsbroschüre 09/09) . Die Verwendung dieses hitzebeständigen Materials ist vorteilhaft, weil es die Wartungshäufigkeit für die Abbrandelemente ver- ringert .
Die Verwendung von dispersionsverfestigtem Kupferwerkstoff ist weiterhin dadurch vorteilhaft, dass sich dieser durch eine hohe Verschleißfestigkeit und eine hohe Temperaturbestän- digkeit auszeichnet. Beispiele für einen hitzebeständigen
Kupferwerkstoff sind dispersionsverfestigte Kupferwerkstoffe, die insbesondere eine wesentlich verringerte Härte bei 20°C nach Abkühlung nur dann aufweisen, wenn der dispersionsver- festigte Kupferwerkstoff zuvor 1 Stunde auf über 800°C er- hitzt wurde. Ein solcher dispersionsverfestigter Kupferwerkstoff mit einer besonders hohen Hitzebeständigkeit ist beispielsweise von den Legierungen CEP DISCOP C3/11 und C3/80 der Compound Extrusion Products GmbH in Freiburg bekannt (Anwendungsbroschüre 09/09) .
Dabei ist der dispersionsverfestigte Kupferwerkstoff für eine spanende Bearbeitung geeignet. Dies ist ein Vorteil, weil solche dispersionsverfestigten Kupferwerkstoffe hervorragend bearbeitbar sind und mit kurzer und gleichmäßiger Spanbildung spanend ausgeformt werden können. Bekannte Wolframkupfermate- rialien können im Vergleich dazu aufgrund ihrer Härte nicht spanend bearbeitet werden. Die spanende Bearbeitbarkeit der dispersionsverfestigten Kupferwerkstoffe gestattet beispielsweise im Herstellungsprozess das Ausbilden eines Hohlraumes und ggf. eines Innengewindes, um das Abbrandelement später lösbar anbringen zu können. Ferner ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Erden eines Teils einer Bahnstromanlage mittels eines Erdungsschalters nach einem der vorangehenden Ansprüche, umfassend die Schritte:
- bei an dem Teil der Bahnstromanlage anliegender Spannung wird beim Schließen des Erdungsschalters ein einen Kurz- schluss über die Vorzündanordnung bildender Lichtbogen gezündet und
- der Kurzschluss wird durch in der Bahnstromanlage vorhandene Leistungsschalter abgeschaltet, so dass die Hauptkontakte des Erdungsschalters vor ihrer Berührung stromfrei sind.
Es ergeben sich für das erfindungsgemäße Verfahren sinngemäß die gleichen Vorteile wie eingangs für den erfindungsgemäßen Erdungsschalter beschrieben.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren schematisch dargestellt, dabei zeigt
Figur 1 eine erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemä- ßen Erdungsschalters zu verschiedenen Zeitpunkten des Einschaltvorgangs und
Figur 2 ein Beispiel für eine Bahnstromanlage mit Leis- tungs- und Erdungsschaltern.
In der Figur 1 ist ein Erdungsschalter 1 für Bahnstromanlagen mit einem ersten Hauptkontakt 3 und einem bewegbaren zweiten Hauptkontakt 4 dargestellt. Der Hauptkontakt 3 ist an einer Stange 9 von einer Grundplatte 8 des Erdungsschalters 1 beabstandet. Oberhalb des ersten Hauptkontakts 3 ist ein Vor- zündhorn 5 angeordnet, das in einer im Wesentlichen horizontalen Ausrichtung zum zweiten Hauptkontakt 4 hin zeigt. Der bewegbare zweite Hauptkontakt 4 ist an einer zweiten Stange 11 mit einem Isolatorelement 7 angeordnet und kann zur Herstellung einer Luftstrecke von dem ersten Hauptkontakt 3 weg bewegt werden, indem er über ein Kippgelenk 10 abgekippt wird. Die Kippbewegung wird dabei über einen nicht gezeigten Antrieb ausgeführt, der an einem Hebel 11 an die zweite Stange 11 angreift. Oberhalb des zweiten Hauptkontakts 4 ist ein Vorzündhorn 5 angeordnet, das in einer im Wesentlichen horizontalen Ausrichtung zum ersten Hauptkontakt 3 hin zeigt . Die beiden Vorzündhörner 5,6 bilden gemeinsam die Vorzündanord- nung 5,6 des Erdungsschalters 1.
In Figur la ist der Erdungsschalter 1 geöffnet, so dass eine
Luftstrecke zwischen den Hauptkontakten 3,4 und den Vorzünd- hörnern 5,6 gebildet ist. Der Erdungsschalter 1 ist in diesem Zustand ausgeschaltet.
In Figur lb ist der Erdungsschalter 1 zu einem Zeitpunkt während des Schließvorgangs dargestellt, so dass die Luftstrecke zwischen den Hauptkontakten 3,4 und den Vorzündhörnern 5,6 bereits deutlich verkürzt ist. Die Hauptkontakte 3,4 sind noch getrennt, aber die Vorzündhörner 5,6 kommen sich bereits so nahe, dass im Kurzschlussfall ein Lichtbogen zwischen ihnen gebildet wird. Der dargestellte Zustand mit Lichtbogenbildung ist typischerweise 100 ms nach dem Beginn des
Schließvorgangs angesiedelt.
Ein bestehender Lichtbogen führt in der Regel dazu, dass ein zugeordneter Leistungsschalter (nicht gezeigt) den Kurz- schluss erkennt und rasch abschaltet. Auf diese Weise wird ein bestehender Lichtbogen zwischen den Vorzündhörnern 5,6 schon gelöscht, bevor der Erdungsschalter 1 den in Figur lc gezeigten geschlossenen Zustand der Hauptkontakte 3,4 erreicht. Ein durch den Lichtbogen ausgelöster Verschleiß ist also nur im Bereich der Vorzündhörner 5,6 zu erwarten, so dass nach einer mehrfachen Beanspruchung durch Kurzschlusseinschaltungen des Erdungsschalters 1 auch nur die Vorzündhörner ausgetauscht werden müssen, was vergleichsweise kos- tengünstig und schnell durchgeführt werden kann.
Die Figur 2 zeigt eine Bahnstromanlage 20 mit einer ersten Fahrleitung 21, die einem ersten Gleis zugeordnet ist, und einer zweiten Fahrleitung 22, die einem zweiten Gleis zuge- ordnet ist. Die Bahnstrecke ist somit beidseitig befahrbar.
Die beiden Fahrleitungen 20,21 werden jeweils Abschnittsweise von einer Unterstation 34 gespeist, die jeweils Leistungsoder Schnellschalter 36 zur Speisung eines Speiseabschnitts einer Fahrleitung aufweisen. Zwischen Leistungs- oder
Schnellschalter 36 und Fahrleitung 21,22 sind jeweils Trennschalter 37 geschaltet; dabei kommen beispielsweise Trennschalter des Typs 8WL8134-4 der Siemens AG zum Einsatz. Die Speiseabschnitte sind durch Trennstellen 41 vorgegeben, wobei Schilder „Arbeitsgrenze" 8 diese Bereiche kennzeichnen. Es sind weiterhin Erdungsschalter 39 gemäß der Figur 1 zur Erdung der Fahrleitungen 20,21 vorgesehen.
Eine der Unterstationen 35 weist eine Datenverarbeitungszentrale 15 auf und ist eingerichtet, Messdaten zum Zustand des elektrischen Bahnstromnetzes und der Speiseabschnitte mit den anderen Unterstationen 4 über Kommunikationsleitungen 33 auszutauschen .
Alle Unterstationen 34,35 sind über Kommunikationsleitungen 33 mit einem Kommunikationsnetzwerk 32 verbunden, das mit einer übergeordneten Leitstelle wie etwa einem Supervisory Control and Data Acquisition (SCADA) System 31 verbunden ist.
Die Leistungs- oder Schnellschalter 36 müssen auf Basis eines eigenen zugeordneten Schutz einen Kurzschluss erkennen und die Spannung abschalten. Eine Mitnahmeschaltung eines oder mehrerer Erdungsschalter 39 zu einem oder mehreren speisenden Leistungsschaltern 36 ist nicht existent und notwendig. Schalter, für die die Funktion des Kurzschlusseinschaltens gefordert ist, müssen konstruktiv anders ausgelegt werden. Kennzeichen dieser Schalter ist eine Art Sprungschalt- oder Schnellschaltfunktion zum Erreichen einer schnellen Kontaktbewegung. Konstruktive Lösungsansätze zeigt o.g. Schalter Typ FES 3-20-1 B der Fa. Driescher. Wird ein Trennschalter ohne derartige Konstruktionsanforderungen eingesetzt für Anforde- rungen nach Kurzschlusseinschaltung, wird der Kontakt in der Regel thermisch überlastet und zerstört. Das liegt daran, dass der Antrieb des Schalters als Schleichantrieb den beweglichen Schaltkontakt zu langsam bewegt und damit der entstehende Lichtbogen zu lange steht und oftmals zusätzlich durch die wirksamen Stromkräfte am Einlaufen gehindert wird. Über Typprüfungen wird die Funktion der Kurzschlusseinschaltfes- tigkeit in der Regel für das Produkt nachgewiesen. Die Stromflussdauer beträgt in diesen Fällen zwischen 250 ms für
Gleichspannungsbahnstromsysteme und 1000 ms für Wechselstrom- bahnsysteme. Diese Zeiten entsprechen jedoch nicht den realen Praxisbedingungen sondern enthalten Sicherheitszuschläge. Wie bereits dargelegt wird das Zuschalten einer unter Spannung stehenden Fahrleitung durch Verriegelungen vermieden und tritt nur in Notfällen oder Ausnahmesituationen ein. Man kann daraus ableiten, dass die Häufigkeit derartiger Schaltungen sehr gering ist. Eine wiederholte bzw. mehrmalige Funktion von mehr als zwei "Fehlschaltungen" ohne Wartung ist nicht gegeben bzw. notwendig. Der erfindungsmäße Erdungsschalter 39 bietet eine vergleichsweise einfach konstruierte Lösung, die preiswert herzustellen und wartungsarm ist.

Claims

Patentansprüche
1. Erdungsschalter (1) für Bahnstromanlagen mit einem ersten Hauptkontakt (3) und einem bewegbaren zweiten Hauptkontakt (4), wobei der bewegbare zweite Hauptkontakt (4) zur Herstellung einer Luftstrecke von dem ersten Hauptkontakt (3) weg bewegbar ist,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
die Hauptkontakte (3,4) eine Vorzündanordnung (5,6) aufwei- sen, die für eine Kurzschlusseinschaltung des Erdungsschalters geeignet ist.
2. Erdungsschalter (1) 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 Vorzündanordnung (5,6) oberhalb der Hauptkontakte angeordnet ist.
3. Erdungsschalter (1) nach Anspruch 1 oder 2,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
die Vorzündanordnung (5,6) für jeden Hauptkontakt eine Vorzündeinrichtung (5,6) aufweist.
4. Erdungsschalter (1) nach 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 Vorzündeinrichtungen (5,6) als Vorzündhörner (5,6) ausgebildet sind.
5. Erdungsschalter (1) 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
die Vorzündhörner (5,6) im Wesentlichen in horizontaler Ausrichtung angebracht und dem jeweiligen Hauptkontakt (3,4) zugeordnet sind.
6. Erdungsschalter (1) nach 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 Vorzündeinrichtungen (5,6) als Lichtbogenhörner ausgebildet sind.
7. Erdungsschalter (1) nach Anspruch 6,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
die Lichtbogenhörner im Wesentlichen in vertikaler Ausrichtung angebracht und dem jeweiligen Hauptkontakt (3,4) zuge- ordnet sind.
8. Erdungsschalter (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
der Erdungsschalter (1) geeignet ist, mehrfach eine Kurz- schlusseinschaltung vorzunehmen.
9. Erdungsschalter (1) nach Anspruch 8,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
die Einschaltgeschwindigkeit des Erdungsschalters derart gewählt ist, dass ein Kurzschluss mit Lichtbogenbildung an der Vorzündanordnung (5,6) mittels eines im Bahnstromnetz dem Erdungsschalter (1) zugeordneten Leistungsschalters erkennbar und abschaltbar ist, bevor sich die Hauptkontakte (3,4) des Erdungsschalters (1) berühren.
10. Erdungsschalter (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
die Vorzündanordnung (5,6) lösbar anbringbare Abbrandelemente aufweist .
11. Erdungsschalter (1) 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
die Abbrandelemente ein Innengewinde aufweisen und nach Art einer Schraubverbindung an der Vorzündanordnung angebracht werden können.
12. Erdungsschalter (1) nach Anspruch 10 oder 11,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
die Länge der Abbrandelemente entsprechend einer erwarteten Kurzschlusseinschalthäufigkeit bemessen ist.
13. Erdungsschalter (1) nach einem der Ansprüche 10 bis 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
die Abbrandelemente als Material einen dispersionsverfestig- ten Kupferwerkstoff umfassen.
14. Verfahren zum Erden eines Teils einer Bahnstromanlage mittels eines Erdungsschalters (1) nach einem der vorangehen den Ansprüche, umfassend die Schritte:
- bei an dem Teil der Bahnstromanlage anliegender Spannung wird beim Schließen des Erdungsschalters (1) ein einen Kurzschluss über die Vorzündanordnung (5,6) bildender Lichtbogen gezündet und
- der Kurzschluss wird durch in der Bahnstromanlage vorhande ne Leistungsschalter abgeschaltet, so dass die Hauptkontakte (3,4) des Erdungsschalters (1) vor ihrer Berührung stromfrei sind .
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