WO2020207647A1 - Schalteinrichtung für eine elektrische vorrichtung sowie elektrische anlage - Google Patents

Schalteinrichtung für eine elektrische vorrichtung sowie elektrische anlage Download PDF

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WO2020207647A1
WO2020207647A1 PCT/EP2020/054059 EP2020054059W WO2020207647A1 WO 2020207647 A1 WO2020207647 A1 WO 2020207647A1 EP 2020054059 W EP2020054059 W EP 2020054059W WO 2020207647 A1 WO2020207647 A1 WO 2020207647A1
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WO
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contact
contact element
switching device
movement
field control
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PCT/EP2020/054059
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Christian Schacherer
Thomas RETTENMAIER
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
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    • H01H1/36—Contacts characterised by the manner in which co-operating contacts engage by sliding
    • H01H1/38—Plug-and-socket contacts
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    • H01H33/66—Vacuum switches
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    • H01H33/66261—Specific screen details, e.g. mounting, materials, multiple screens or specific electrical field considerations
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    • H01H33/66—Vacuum switches
    • H01H33/662—Housings or protective screens
    • H01H33/66261—Specific screen details, e.g. mounting, materials, multiple screens or specific electrical field considerations
    • H01H2033/66269—Details relating to the materials used for screens in vacuum switches

Definitions

  • Switching device for an electrical device and electrical system
  • the invention relates to a switching device for an electric device according to the preamble of claim 1.
  • the invention also relates to an electrical plant.
  • EP 2 474 086 B1 discloses a device for protecting an electrical system from overvoltage events, the electrical system being designed to be exposed to voltages.
  • the device comprises several overvoltage protection elements and detection means in order to detect overvoltage events in the electrical system.
  • the object of the present invention is to create a switching device and an electrical system so that a particularly short switching time and particularly low wear of the switching device can be achieved.
  • a first aspect of the invention relates to a switching device for an electrical device.
  • the switching device is, for example, a switch, in particular a power switch.
  • the switching device can be a high-voltage switch, an earthing switch and / or a high-voltage arrester.
  • the switching device comprises at least one vacuum interrupter, which is also referred to simply as a tube or vacuum tube.
  • a vacuum In the vacuum interrupter or inside the vacuum interrupter there is preferential wise a vacuum. This is to be understood in particular as the fact that there is a first pressure in the vacuum interrupter which is less than a second pressure prevailing in the vicinity of the vacuum interrupter.
  • the vacuum interrupter is, for example, a container in which there is a pressure which is lower than outside the container. In particular, the pressure in the vacuum interrupter is lower than 300 millibars.
  • a first contact element and a second contact element are arranged in the vacuum interrupter or in the interior of the vacuum interrupter.
  • the second contact element can be moved along a direction of movement between at least one separation position and at least one contact position relative to the vacuum interrupter and preferably also relative to the first contact element, in particular translationally.
  • This can in particular be understood to mean that the second contact element can be moved from the disconnected position into the contact position and can be moved towards the first contact element.
  • the first contact element is a so-called fixed contact which, for example, is immovable relative to the vacuum interrupter, in particular at least along the direction of movement.
  • the second contact element is, for example, a so-called moving contact, which is movable relative to the vacuum interrupter and preferably also relative to the fixed contacts along the direction of movement, in particular translationally.
  • the contact elements in the vacuum interrupter or within the vacuum interrupter are galvanically separated from one another, so that in the disconnected position an electrical line between the contact elements is avoided or prevented.
  • the contact elements in the vacuum interrupter or within the vacuum interrupter are electrically conductively connected or coupled to one another, in particular such that the contact elements in the contact position touch one another, in particular directly.
  • electrical energy or electrical current can be transmitted from the first contact element to the second contact element or vice versa.
  • no electrical current or no electrical energy can be transmitted between the contact elements.
  • a time or period of time required for the movement of the second contact element from the disconnected position into the contact position is also referred to as the switching time of the switching device.
  • one of the contact elements in particular the first contact element, has at least one spring contact, which in the contact position at least part of a, in particular outer peripheral or inner peripheral, lateral surface of the other Contact element, in particular of the second Maisele element, resiliently contacted along a diagonal or preferably perpendicular to the direction of movement direction, that is, in particular directly, touched.
  • the spring contact makes resilient contact with at least part of the lateral surface in the contact position
  • the spring contact which is elastically deformable, especially in the disconnected position and preferably also in the contact position, is elastic in the contact position is deformed and thus tensioned and elastically deformed or in the elastically deformed state of the Federkon tact along the direction of the lateral surface, in particular directly, touches.
  • the spring contact is thus, for example, an elastically deformable and electrically conductive or spring element formed from an electrically conductive material.
  • the spring contact is at least partially, in particular completely, tensioned ent, for example, in the disconnected position. In particular, the spring contact is less tensioned in the separation position than in the contact position.
  • the spring contact takes an initial state or an initial position.
  • the contact elements are preferably completely spaced from one another and thus separated from one another, so that the contact elements do not touch one another in the separated position.
  • the spring contact is thus completely spaced apart from the other contact element in the disconnected position, so that the spring contact in the disconnected position does not touch the other contact element and thus the lateral surface.
  • the spring contact In the contact position, the spring contact is elastically deformed compared to the disconnected position in that the spring contact touches the lateral surface in the contact position, so that the spring contact is more elastically deformed in the contact position compared to the disconnected position.
  • the spring contact assumes a deformation state or a deformation position in which or which the spring contact is elastically deformed compared to the initial state or the initial position, in particular to a greater extent.
  • the spring contact touches the man face in the contact position along the obliquely or preferably perpendicular to the direction of movement and also referred to as the direction of contact direction, so that an undesirable bouncing of the spring contact leading to excessive wear of the Kunststoffele elements can be avoided.
  • the invention is based in particular on the following findings: A large number of applications, especially in high-voltage technology, require fast switching, in particular grounding, live parts, for example when a fault occurs.
  • An interesting and demanding application here is the grounding of high-voltage cables in HVDC systems (HVDC - high-voltage direct current transmission).
  • the aforementioned electrical device is an HVDC system, that is, a system for the transmission of high-voltage direct current.
  • the switching device according to the invention for example wise for grounding an electrical component, for example designed as a high-voltage cable, of an electrical system, in particular an HVDC system, can be used or is used.
  • the switching device can be used to bypass at least parts of high-voltage arresters used in HVDC systems.
  • the switching device is used to bridge at least one or more parts of one or more high-voltage arresters of one or more HVDC systems.
  • a conventional vacuum interrupter in particular a conventional high-voltage vacuum interrupter, for example for bridging or for grounding and thus as an earthing switch.
  • Conventional vacuum interrupters also known as vacuum tubes, have advantages such as a compact design, low maintenance costs and good environmental compatibility.
  • the switching speed is the speed at which the second contact element can be moved from the disconnected position into the contact position. The higher the switching speed, the shorter the switching duration or switching time.
  • Switching duration is thus a time which is required for electrical contacting of the switching elements, that is to say for moving the second switching element from the disconnected position into the contact position.
  • the vacuum interrupter is designed as an earthing switch, for example, a ground connection is established by moving the second switching element from the isolating position into the contact position.
  • the switching duration or switching time is a period of time which is required to establish the earth connection.
  • the switching elements also referred to simply as contacts, are not too far away from each other in the open state, i.e. in the disconnected position, and thus not too far open or not too far apart, for example to achieve the required insulation capability to reach.
  • the contacts are closed at a high closing speed, for example in a range from two to ten meters per second inclusive, in order to cover an isolating distance or a contact stroke within ten milliseconds.
  • the separation distance or the contact stroke is, for example, the distance between the contact elements running in the separation position along the direction of movement.
  • a switching time of ten milliseconds, in which the second of the contact elements covers or performs the isolating distance or the contact stroke is advantageous here.
  • a speed also referred to as the closing speed, with which the second contact element moves from the disconnected position to the contact position is advantageous, the closing speed preferably being in a range from two meters per second up to and including ten meters per second .
  • Moving the second contact element from the disconnected position into the contact position is also referred to as closing the switching device or the vacuum interrupter.
  • Moving the second contact element out of the contact position into the disconnected position is also referred to as opening the switching device or the vacuum interrupter.
  • the contacts in particular at the respective welding points where the contacts were previously welded together, are made torn each other and there are sharp edges and points on the contact surfaces.
  • the electric field can increase, which means a reduction in the insulation capacity when the contacts are open.
  • the insulation capacity can be reduced by the tips until a contact system comprising at least the contacts or formed by the contacts no longer adheres to prescribed or desired values with the contact stroke set, i.e. in the disconnected position.
  • the vacuum tube is therefore defective and must be replaced, for example. Therefore, the contacts must or will be opened wider from the start.
  • the second contact element moves away from the first contact element when the vacuum tube is opened and not exactly into the previously provided disconnected position, but across the disconnected position. moved out into a further separation position.
  • the contacts are spaced further apart than in the first disconnected position.
  • this leads to a higher closing time or in order to keep the desired closing time at least essentially constant, a higher closing speed is required with correspondingly strong contact bouncing, as a result of which the contacts weld even more tightly together, so that sharper edges and points are created.
  • tulip pin contacts are known, such as those used in gas-insulated switchgear (GSI).
  • GSI gas-insulated switchgear
  • 8DN8 8DQ1 or 8VN1.
  • the contact system of this solution is very different from the contact system in conventional vacuum interrupters, since conventional tulip closing contacts are only designed to close and then carry a grounding current.
  • a tulip-pin contact or a contact system designed as a tulip-pin contact system a pin moves into a corresponding spring contact in a tulip.
  • a contact pressure force would be generated by the spring contact in the tulip.
  • the contact pressure force is perpendicular to the direction of movement.
  • the spring contact in the contact position makes at least part of the lateral surface along the direction inclined or perpendicular to the direction of movement, can in particular be understood as meaning that the spring contact is elastic in the contact position is deformed, in the contact position a spring force, in particular in the spring contact, acts.
  • the spring force leads, for example when the second contact element is moved out of the contact position into the disconnected position, to the spring contact in its initial position or in its initial state, in particular elastically, springs back.
  • the spring force acting as a contact force holds the spring contact in contact or in, in particular more directly, support and thus in contact with the lateral surface.
  • the contact force acts in the contact position along the oblique or preferably perpendicular to the direction of movement, the contact force preferably pointing or acting in the direction of the part of the man face.
  • grounding switches are present in gas-insulated switchgear systems. These earthing switches are for example as a so-called fast earth, that is, as
  • High-speed earthing switch designed and part of a switchgear.
  • the earthing switches are located in a gas space which is completely or only partially filled with at least one or more fluorine gases or so-called clean air, that is to say at least essentially pure air.
  • Conventional tulip pin contacts typically have switching times of around 40 milliseconds and are therefore too slow to be used, for example, as circuit breakers for HVDC systems or AC transmission systems (FACTS).
  • FACTS AC transmission systems
  • conventional tulip pin contacts have an excessively large contact spacing of, for example, about 160 millimeters.
  • the invention combines the advantages of conventional vacuum interrupters with the advantages of Conventional tulip pin contacts, with the respective disadvantages avoided or can be kept sufficiently low. Since the contact elements are arranged in the vacuum interrupter, the invention enables the implementation of environmentally friendly and low-maintenance vacuum insulation of the contact elements, especially in the disconnected position. Thus, insulating gases such as fluorine gases can be avoided in the vacuum tube.
  • the contacts can be designed to be particularly lightweight, so that in particular the second contact element can be moved particularly quickly from the disconnected position into the contact position and / or vice versa. In this way, particularly short switching times of the switching device according to the invention can be guaranteed.
  • the use of the spring contact in particular makes it possible to avoid excessive bouncing of the contacts as a result of the closing of the switching device, so that the wear on the switching device can be kept particularly low.
  • the switching device therefore does not have to be repaired, serviced or replaced after the second contact element has been moved from the disconnected position to the contact position, but after such a movement the second contact element can be moved back from the contact position to the disconnected position, whereupon the switching device can be reused or reused.
  • the contact elements of the switching device according to the invention form an, in particular modified, tulip-pin contact system or tulip-pin contacts, with the, in particular modified, tulip-pin contact system according to the invention being inserted into the vacuum tube built-in, that is, is arranged within the vacuum tube.
  • the switching device has a first field control element assigned to the other contact element.
  • the other contact element in the disconnected position is set back away from the one contact element along the direction of movement relative to the first field control element. This means that the other contact element is arranged in the separated position along the direction of movement relative to the one contact element behind the first field control element.
  • the first field control element has a first through opening through which the second contact element can be moved or is moved through when the second contact element is moved from the disconnected position into the contact position. This ensures that switching times are particularly short.
  • the first field control element assigned to the other contact element is formed from a first material.
  • the first field control element is provided with a layer, in particular in an area directly adjoining the first through opening of the first field control element, which is formed from a second and temperature-resistant material that is different from the first material and is consequently temperature-resistant.
  • the contact elements can be arranged particularly close to one another or to one another along the direction of movement in the separated position, so that particularly short switching times can be achieved.
  • the switching device comprises a second field control element assigned to one contact element. The one contact element is set back from the other contact element along the direction of movement with respect to the second field control element, at least in the separated position.
  • the one contact element is arranged behind the second field control element at least in the separated position along the direction of movement relative to the other contact element.
  • the contact elements can be particularly close to one another in the disconnected position along the direction of movement, so that on the one hand the switching time can be kept particularly short.
  • adequate insulation or galvanic separation of the contact elements can be ensured in the separated position.
  • the second field control element assigned to the one contact element has a second through opening through which the second contact element moves when the second contact element moves out of the separation position into the contact position Contact element can be moved through or is moved through.
  • a further embodiment of the invention provides that the second field control element assigned to one contact element is formed from a first material.
  • the first material can be the first material or a third material that is different from the first material.
  • the second field control element is provided with a layer, in particular in a second area directly adjacent to the second through opening of the second field control element, which is formed from a second and temperature-resistant material that is different from the first material and is consequently temperature-resistant.
  • the second ma- material can be the second material or a fourth material different from the second material.
  • the field control elements which are preferably opposite one another along the direction of movement and / or are spaced apart from one another, in particular completely, along the direction of movement are, for example, respective tulips of the tulip-pin contact system of the invention.
  • the distance between the contact elements also referred to as the contact distance and extending in the separated position and in one direction of movement, can be kept particularly small. This means that the switching times can be kept particularly short.
  • the respective field control element is, for example, an element designed for controlling, that is to say for example for guiding or conducting, an electric and / or magnetic field.
  • the respective field control element can be a shield or shield, also referred to as a shield, by means of which, for example, the respective contact element can be shielded or shielded from an electric and / or magnetic field, in particular at least in the disconnected position.
  • a further embodiment of the invention provides that the other contact element has a pin or is designed as a pin which forms the outer surface and thus the part of the outer surface.
  • the contact elements form a modified tulip-pen contact system, which is modified for example compared to conventional tulip-pen contact systems in such a way that the inventive tulip pen -Contact system is not arranged in an insulating gas, but in the vacuum interrupter.
  • the contact elements form a vacuum tulip contact system through which on the one hand a particularly short switching time of the switching device can be achieved and, on the other hand, excessive wear of the switching device can be avoided.
  • Another embodiment is characterized in that at least one particle trap is arranged on a bottom of the vacuum interrupter.
  • the particle trap By means of the particle trap, electrically charged particles can be caught and stored, whereby a particularly advantageous function of the switching device can be ensured.
  • the switching device has a spring drive by means of which the second contact element moves from the disconnected position into the contact position relative to the vacuum tube and preferably also relative to the one contact element along the movement direction of movement, in particular ballistically, is movable.
  • a damping device is provided in a further embodiment of the invention, by means of which a movement of the second contact element can be damped into the contact position.
  • one of the contact elements is designed as a grounding contact for, in particular electrical, grounding of the device.
  • the pin also referred to as a contact pin, is preferably formed from tungsten or from a tungsten alloy.
  • the switching device comprises a magnetic device for providing a magnetic field whose magnetic flux density, usually designated B, runs along the direction of movement or parallel to the direction of movement or perpendicular to the direction of movement. This means that wear can be kept particularly low.
  • a second aspect of the invention relates to a system, in particular an electrical system, which is designed, for example, as an HVDC transmission system or as an AC transmission system (FACTS) or as a high-voltage AC transmission system.
  • the system comprises at least one electrical device and at least one fiction, contemporary switching device according to the first aspect of the inven tion, for example by moving the second Kontak telements from the disconnected position to the contact position we at least a first electrical contact of the device via the contact elements with at least a second electrical contact can be electrically connected and thereby, for example, is to be grounded.
  • Advantages and advantageous embodiments of the first aspect of the invention are considered advantages and advantageous View embodiments of the second aspect of the invention and vice versa.
  • FIG. 1 shows a schematic and sectional side view of a switching device according to the invention, the contact elements of the switching device being in a disconnected position;
  • FIG. 2 shows a schematic and sectional side view of the switching device, the Mixele elements being in a contact position.
  • FIG. 1 shows a schematic and sectioned side view of a switching device 10, designed for an electrical device, for example as an earthing switch, in particular as a rapid earthing switch, and / or as a high-voltage switch or high-voltage arrester.
  • the switching device 10 can be used in a system, in particular in an electrical system, for which the electrical device is also used.
  • the switching device 10 has a vacuum interrupter 12, in the interior 14 of which there is a vacuum, that is to say a vacuum is specifically set is.
  • the fact that there is a vacuum in the vacuum interrupter 12 or in the interior 14 of the vacuum interrupter 12 can in particular be understood to mean that there is a pressure in the interior 14 which is less than
  • the pressure prevailing inside 14 is lower than a pressure prevailing in the vicinity 16 of the vacuum interrupter 12.
  • the vacuum interrupter 12 is also referred to simply as a tube or vacuum tube.
  • a first, in particular electrical, shielding 18 is arranged, which is also referred to as the first shield.
  • the first shield 18 is designed, for example, as a so-called vapor shield.
  • a first contact element 20 is arranged in the vacuum interrupter 12, that is to say in the interior 14 of the vacuum interrupter 12.
  • a second contact element 22 is arranged in the vacuum interrupter 12, which along a direction of movement illustrated in FIG. 1 by a double arrow 24 between at least one isolating position T shown in FIG. 1 and at least one contact position K shown in FIG. 2 relative to the vacuum interrupter 12 and in particular is movable relative to the contact element 20, in particular in a translatory manner.
  • the contact element 20 is preferably a so-called fixed contact since, for example, when the contact element 22 is moved from the disconnected position T to the contact position K, the contact element 20 does not move relative to the vacuum interrupter 12 at least along the direction of movement. In particular, it is conceivable that the contact element 20 is immovable relative to the vacuum interrupter 12 at least along the direction of movement.
  • the contact elements 20 and 22 are galvanically separated from one another.
  • the contact elements 20 and 22 are electrically isolated from one another in the disconnected position T, so that in the disconnected position T there is no electrical current from one of the contact elements 20 and 22 can be transferred to the respective other contact element 22 or 20.
  • the contact elements 20 and 22 are connected to one another in an electrically conductive manner, in particular such that the contact elements 20 and 22 in the contact position K touch one another, in particular directly.
  • the con tact elements 20 and 22 are preferably completely spaced from one another.
  • the contact element 20 has at least one spring contact 26. From FIG. 1 it can be seen that in the embodiment shown in the FIG. Example, the contact element 20 has the spring contact 26 as the first spring contact and a second spring contact 28.
  • the spring contacts 26 and 28 are arranged opposite one another and in particular spaced apart from one another along a spacing direction running obliquely or in the present case perpendicular to the direction of movement and illustrated in FIG. 1 by a double arrow 30.
  • the respective Federkon tact 26 or 28 is a spring element which is elastically deformable at least in the disconnected position T.
  • the respective spring contact 26 or 28 is formed from an electrically conductive or electrically conductive material.
  • the respective spring contact 26 or 28 can be formed from a metallic material.
  • the respective spring contact 26 or 28 in the contact position K contacts a respective part TI or T2 of an outer peripheral surface 32 of the contact element 22 along an inclined or, in the present case, perpendicular to the direction of movement and in this case by the double arrow 30 illustrated direction resilient.
  • the spring force is a contact force or acts as a contact force which keeps the respective Federkon tact 26 or 28 in direct support and thus in direct contact or in direct contact with the respective part TI or T2.
  • the spring contacts 26 and 28 are elastically deformed in the contact position K and are subsequently held in direct support contact with the parts TI and T2 by means of the contact force.
  • the spring contacts 26 and 28 in the contact position K touch the parts TI and T2 directly.
  • the respective contact force or spring force acts along the direction coinciding with the direction of spacing.
  • the contact element 22 is designed as a pin 34 or the contact element 22 comprises a pin 34, the pin 34 also being referred to as a contact pin.
  • the pin 34 is at least in one of the outer circumferential lateral surface 32 and thus the parts TI and T2 forming sub-area cylindrical on the outside circumferential side, so that the outer circumferential lateral surface 32 and thus the parts TI and T2 have the shape of a straight circular cylinder on the outer circumference.
  • the direction of spacing coincides with the radial direction of the pin 34, so that the direction along which the contact force runs, in the present case coincides with the radia len direction of the pin 34.
  • the contact force acts in the radial direction of the pin 34 inwards. This means that the spring contacts 26 and 28 in the contact position K resiliently contact the pin 34 in the radial direction of the pin 34 and thus touch it directly.
  • the spring contacts 26 and 28 are elastically deformed outwards in the radial direction of the pin 34, for example.
  • the Fe derchante 26 and 28 are held elastically deformed by means of the pin 34 located in the contact position K. If, for example, the pin 34 is then moved from the contact position K into the disconnected position T and thus moved away from the contact element 20, in particular in a translatory manner, the spring force causes the respective spring contact 26 or 28 to spring back into the respective starting position and thus for example springs in the radial direction of the pin 34 inward.
  • a first field control element 36 is assigned to the contact element 22 or the pin 34, the contact element 22 or the pin 34 being set back away from the contact element 20 in the disconnected position T along the direction of movement relative to the field control element 36.
  • the contact element 22 or the pin 34 is arranged in the separated position T along the direction of movement relative to the contact element 20 behind the field control element 36.
  • the field control element 36 is arranged closer to the contact element 20 along the direction of movement than the contact element 22 or than the pin 34.
  • the field control element 36 has a first through opening 38 through which the pin 34 or the contact element 22 is moved through it along the direction of movement, in particular in a translatory manner, when the contact element 22 or the pin 34 is out of the separated position T in the contact position K is moved.
  • the contact element 22 or the pin 34 can be moved along the direction of movement relative to the field control element 36, in particular in a translatory manner.
  • a bellows 40 is arranged in the interior 14 of the vacuum interrupter 12, which is connected, for example, on the one hand, in particular at one end, to the vacuum interrupter 12 and on the other hand or at the other end to the contact element 22 and thus can be moved along with the contact element 22 in the direction of movement relative to the vacuum interrupter 12 is.
  • the contact element 22 is sealed off from the vacuum interrupter 12 by means of the bellows 40.
  • the field control element 36 is, for example, a second shield, also referred to as a second shield, with the folding bellows 40 and the contact element 22 or the pin 34 in the radial direction of the pin 34 outwards or towards the vacuum interrupter 12 at least partially and preferably in the disconnected position T. are shielded.
  • the field control element 36 functions as a bellows screen.
  • the switching device 10 has a first insulator 42, in particular provided on the vacuum interrupter 12, by means of which, for example, the bellows 40, the field control element 36 and the contact element 22 are covered outwards in the radial direction of the pin 34 at least in the disconnected position T.
  • the insulator 42 is, for example, an electrical insulator and can be formed from ceramic.
  • the switching device 10 has a second isolator 44, which is provided on the vacuum interrupter 12, for example. In this case, for example, the contact element 20 is at least partially covered or overlapped by the insulating gate 44 along a direction running perpendicular to the direction of movement towards the outside.
  • the insulator 44 is, for example, an electrical insulator and can be formed from a ceramic.
  • a second field control element 46 assigned to the contact element 20 is provided, the field control elements 36 and 46 being arranged in the interior 14 and thus within the vacuum interrupter 12.
  • the spring contacts 26 and 28 are at least partially, in particular at least predominantly or completely dig, overlapped or covered in the radial direction of the pin 34 outwardly by the second field control element 46.
  • the spring contacts 26 and 28 and thus the contact element 20 as a whole is set back away from the contact element 22 at least in the disconnected position T along the direction of movement relative to the second field control element 46, so that the contact element 20 and thus the spring contacts 26 and 28 in the disconnected position T along the direction of movement are arranged relative to the contact element 22 behind the field control element 46.
  • the second field control element 46 also has a second through opening 48 through which the pin 34 is moved along the direction of movement when the pin 34 is moved from the separation position T into the contact position K.
  • the field control element 46 is formed, for example, from a first material and in an area B directly adjoining the through opening 48 see with a layer 50 which is formed from a temperature-resistant second material different from the first material.
  • a particle trap 54 shown particularly schematically in FIG. 1, to be arranged on a base 52 of the vacuum interrupter 12.
  • the switching device 10 has a spring drive 56, shown particularly schematically in FIG. 1, by means of which the second contact element 22 and thus the pin 34 move from the disconnected position T into the contact position K relative to the vacuum interrupter 12, relative to the contact element ment 20 and relative to the field control elements 36 and 46, in particular ballistically movable.
  • a damper device 58 shown particularly cally in FIG. 1 can be provided, by means of which a movement of the contact element 22 into the contact position K can be damped.
  • the pin 34 is formed from a tungsten alloy.
  • the switching device 10 has a magnetic device 60, shown particularly schematically in FIG. 1, by means of which a magnetic field can be or is provided, the magnetic flux density of which can run along the direction of movement or perpendicular to the direction of movement.
  • the field control elements 36 and 46 and the spring contacts 26 and 28 are designed in the manner of tulips.
  • the tulips and the pin 34 thus form a modified tulip-pin contact system which, compared to conventional solutions, is modified in that it is not in an insulating gas, but rather in the interior 14 of the vacuum interrupter 12.
  • the field control elements 36 and 46 are used in the switching device 10 as tulips for E-field control, that is to say for controlling an electric field, used or used.
  • the control of the electrical field is to be understood as meaning, for example, that the electrical field is guided or conducted by means of the field control elements 36 and 46.
  • the pin 34 referred to as a contact pin, which is preferably formed from a tungsten alloy, is in the disconnected position T behind the field control element 36.
  • the disconnected position T corresponds to an open state of the switching device 10, since in the disconnected position T the
  • Switching device 10 is open and thus no electrical Current can flow between the contact elements 20 and 22.
  • the contact position K corresponds to a closed state of the switching device 10, since the switching device 10 is closed in the contact position K and an electric current can flow between the contact elements 20 and 22.
  • Behind the second field control element 46 is the contact element 20, designed as a fixed contact and thereby as a tulip, with the spring contacts 26 and 28, into which the contact pin moves into the contact position K when it moves.
  • the pin 34 When the pin 34 moves into the tulip formed by the spring contacts 26 and 28, the pin 34 can oscillate, the pin 34 oscillating, for example, by a distance As (FIG. 2).
  • the Federkontak te 26 and 28 allow an oscillating movement of the pin 34 after retraction with an amplitude of As.
  • This Schwingbewe supply would lead to similar, conventional concepts with ordinary union vacuum switch contacts to a contact bounce, in which the contact elements 20 and 22 and thus the respective contact surfaces of the contact elements 20 and 22 would rise and so arcs would arise that would damage the contact surfaces.
  • the present switching device 10 allows such oscillation without an excessive load on the contact elements 20 and 22 due to reignition of an arc.
  • the switching device 10 enables environmentally friendly insulation of the contact elements 20 and 22. In addition, a particularly short switching time can be achieved, and excessive wear of the switching device 10 can be avoided.
  • the field control elements 36 and 46 By arranging the field control elements 36 and 46 on both sides, the contact distance between the contact elements 20 and 22 in the separation position T can be kept particularly small.
  • the pin 34 emerges from the field control element 36, that is, when the pin 34 penetrates the through opening 38 on its way into the contact position K, an arc can be ignited early, in particular between the contact elements 20 and 22, which causes the electrical Contact time significantly reduced.
  • the field control element 46 is provided with the layer 50 at least in the region B.
  • the layer 50 is a contact layer which is particularly resistant to the arc.
  • the contact force acts perpendicular to the direction of movement, for example, as a contact pressure force, allows the moving contact to oscillate, but without igniting further arcs and thus without causing excessive wear on the contact elements 20 and 22.
  • This in turn enables the use of an inexpensive spring drive or a magnetic drive, in particular in conjunction with a clamping bushing.
  • a magnetic drive is provided, by means of which the contact element 22 can be moved from the disconnected position T into the contact position K.

Landscapes

  • High-Tension Arc-Extinguishing Switches Without Spraying Means (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schalteinrichtung (10) für eine elektrische Vorrichtung, mit wenigstens einer Vakuumschaltröhre (12), in welcher ein erstes Kontaktelement (20) und ein zweites Kontaktelement (22) angeordnet sind, welches entlang einer Bewegungsrichtung (24) zwischen wenigstens einer Trennstellung (T), in welcher die Kontaktelemente (20, 22) galvanisch voneinander getrennt sind, und wenigstens einer Kontaktstellung (K), in welcher die Kontaktelemente (20, 22) elektrisch leitend miteinander verbunden sind, relativ zu der Vakuumschaltröhre (12) bewegbar ist, wobei eines der Kontaktelemente (20, 22) wenigstens einen Federkontakt (26, 28) aufweist, welcher in der Kontaktstellung (K) zumindest einen Teil (T1) einer Mantelfläche (32) des anderen Kontaktelements (22) entlang einer schräg oder senkrecht zur Bewegungsrichtung (24) verlaufenden Richtung (30) federnd kontaktiert.

Description

Beschreibung
Schalteinrichtung für eine elektrische Vorrichtung sowie elektrische Anlage
Die Erfindung betrifft eine Schalteinrichtung für eine elekt rische Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine elektrische Anla ge .
Die EP 2 474 086 Bl offenbart eine Vorrichtung zum Schutz ei nes elektrischen Systems vor Überspannungsereignissen, wobei das elektrische System dafür ausgelegt ist, Spannungen ausge setzt zu werden. Die Vorrichtung umfasst mehrere Überspan- nungsschutzelemente und Detektionsmittel, um Überspannungser eignisse im elektrischen System zu erkennen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Schaltein richtung und eine elektrische Anlage zu schaffen, sodass eine besonders geringe Schaltzeit und ein besonders geringer Ver schleiß der Schalteinrichtung realisiert werden können.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Schalteinrich tung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch eine elektrische Anlage mit den Merkmalen des Patentanspruchs 15 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiter bildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen ange geben .
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft eine Schalteinrich tung für eine elektrische Vorrichtung. Die Schalteinrichtung ist beispielsweise ein Schalter, insbesondere ein Leistungs schalter. Insbesondere kann die Schalteinrichtung ein Hoch spannungsschalter, ein Erdungsschalter und/oder ein Hochspan- nungsableiter sein. Die Schalteinrichtung umfasst wenigstens eine Vakuumschaltröhre, welche auch einfach als Röhre oder Vakuumröhre bezeichnet wird. In der Vakuumschaltröhre bezie hungsweise im Inneren der Vakuumschaltröhre herrscht Vorzugs- weise ein Vakuum. Hierunter ist insbesondere zu verstehen, dass in der Vakuumschaltröhre ein erster Druck herrscht, wel cher geringer als ein in einer Umgebung der Vakuumschaltröhre herrschender zweiter Druck ist. Mit anderen Worten ist die Vakuumschaltröhre beispielsweise ein Behälter, in welchem ein Druck herrscht, welcher geringer als außerhalb des Behälters ist. Insbesondere ist der in der Vakuumschaltröhre herrschen de Druck niedriger als 300 Millibar.
In der Vakuumschaltröhre beziehungsweise im Inneren der Vaku- umschaltröhre sind ein erstes Kontaktelement und ein zweites Kontaktelement angeordnet. Das zweite Kontaktelement ist ent lang einer Bewegungsrichtung zwischen wenigstens einer Trenn stellung und wenigstens einer Kontaktstellung relativ zu der Vakuumschaltröhre und vorzugsweise auch relativ zu dem ersten Kontaktelement, insbesondere translatorisch, bewegbar. Hier unter kann insbesondere verstanden werden, dass das zweite Kontaktelement aus der Trennstellung in die Kontaktstellung bewegbar und dabei auf das erste Kontaktelement zubewegbar ist. Somit ist beispielsweise das erste Kontaktelement ein sogenannter Festkontakt, welcher beispielsweise relativ zu der Vakuumschaltröhre, insbesondere zumindest entlang der Be wegungsrichtung, unbeweglich ist. Das zweite Kontaktelement ist dabei beispielsweise ein sogenannter Bewegtkontakt, wel cher relativ zu der Vakuumschaltröhre und vorzugsweise auch relativ zu den Festkontakten entlang der Bewegungsrichtung, insbesondere translatorisch, bewegbar ist.
In der Trennstellung sind die Kontaktelemente in der Vakuum schaltröhre beziehungsweise innerhalb der Vakuumschaltröhre galvanisch voneinander getrennt, sodass in der Trennstellung eine elektrische Leitung zwischen den Kontaktelementen ver mieden beziehungsweise unterbunden ist. In der Kontaktstel lung sind die Kontaktelemente in der Vakuumschaltröhre bezie hungsweise innerhalb der Vakuumschaltröhre elektrisch leitend miteinander verbunden beziehungsweise miteinander gekoppelt, insbesondere derart, dass sich die Kontaktelemente in der Kontaktstellung gegenseitig, insbesondere direkt, berühren. Somit kann beispielsweise in der Kontaktstellung elektrische Energie beziehungsweise elektrischer Strom von dem ersten Kontaktelement auf das zweite Kontaktelement oder umgekehrt übertragen werden. In der Trennstellung jedoch kann kein elektrischer Strom beziehungsweise keine elektrische Energie zwischen den Kontaktelementen übertragen werden. Eine für die Bewegung des zweiten Kontaktelements aus der Trennstellung in die Kontaktstellung erforderliche Zeit oder Zeitspanne wird auch als Schaltzeit der Schalteinrichtung bezeichnet.
Um nun eine besonders geringe Schaltzeit der Schalteinrich tung realisieren sowie einen übermäßigen Verschleiß der
Schalteinrichtung, insbesondere der Kontaktelemente, vermei den zu können, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass eines der Kontaktelemente, insbesondere das erste Kontaktelement, wenigstens einen Federkontakt aufweist, welcher in der Kon taktstellung zumindest einen Teil einer, insbesondere außen umfangsseitigen oder innenumfangsseitigen, Mantelfläche des anderen Kontaktelements, insbesondere des zweiten Kontaktele ments, entlang einer schräg oder vorzugsweise senkrecht zur Bewegungsrichtung verlaufenden Richtung federnd kontaktiert, das heißt, insbesondere direkt, berührt. Unter dem Merkmal, dass der Federkontakt in der Kontaktstellung zumindest den Teil der Mantelfläche federnd kontaktiert, ist insbesondere zu verstehen, dass der Federkontakt, welcher, insbesondere in der Trennstellung und vorzugsweise auch in der Kontaktstel lung, elastisch verformbar ist, in der Kontaktstellung elas tisch verformt und somit gespannt ist und elastisch verformt beziehungsweise in elastisch verformtem Zustand des Federkon takts entlang der Richtung die Mantelfläche, insbesondere di rekt, berührt. Der Federkontakt ist somit beispielsweise ein elastisch verformbares und elektrisch leitendes beziehungs weise aus einem elektrisch leitenden Material gebildetes Fe derelement. Der Federkontakt ist beispielsweise in der Trenn stellung zumindest teilweise, insbesondere vollständig, ent spannt. Insbesondere ist der Federkontakt in der Trennstel lung weniger gespannt als in der Kontaktstellung . Der Feder kontakt nimmt beispielsweise in der Trennstellung einen Aus- gangszustand oder eine Ausgangsstellung ein. In der Trenn stellung sind die Kontaktelemente vorzugsweise vollständig voneinander beabstandet und somit voneinander getrennt, so- dass sich die Kontaktelemente in der Trennstellung nicht ge genseitig berühren. Somit ist insbesondere der Federkontakt in der Trennstellung vollständig von dem anderen Kontaktele ment beabstandet, sodass der Federkontakt in der Trennstel lung das andere Kontaktelement und somit die Mantelfläche nicht berührt.
In der Kontaktstellung ist der Federkontakt gegenüber der Trennstellung dadurch, dass der Federkontakt in der Kontakt stellung die Mantelfläche berührt, elastisch verformt, sodass der Federkontakt in der Kontaktstellung gegenüber der Trenn stellung stärker elastisch verformt ist. Somit nimmt der Fe derkontakt in der Kontaktstellung einen Verformungszustand oder eine Verformungsstellung ein, in welchem beziehungsweise welcher der Federkontakt gegenüber dem Ausgangszustand bezie hungsweise der Ausgangsstellung, insbesondere stärker, elas tisch verformt ist. Dabei berührt der Federkontakt die Man telfläche in der Kontaktstellung entlang der schräg oder vor zugsweise senkrecht zur Bewegungsrichtung verlaufenden und auch als Berührrichtung bezeichneten Richtung, sodass ein un erwünschtes, zu einem übermäßigen Verschleiß der Kontaktele mente führendes Prellen des Federkontakts vermieden werden kann .
Der Erfindung liegen insbesondere die folgenden Erkenntnisse zugrunde: Eine Vielzahl an Anwendungen, insbesondere in der Hochspannungstechnik, benötigen eine schnelle Schaltung, ins besondere Erdung, unter Spannung stehender Teile, zum Bei spiel beim Auftreten eines Fehlers. Eine hierbei interessante und anspruchsvolle Anwendung ist die Erdung von Hochspan nungskabeln in HGÜ-Anlagen (HGÜ - Hochspannungs-Gleichstrom übertragung) . Somit ist beispielsweise die zuvor genannte elektrische Vorrichtung eine HGÜ-Anlage, das heißt eine Anla ge zur Übertragung von Hochspannungs-Gleichstrom. Dies bedeu tet, dass die erfindungsgemäße Schalteinrichtung beispiels- weise zur Erdung eines beispielsweise als Hochspannungskabel ausgebildeten elektrischen Bauelements einer elektrischen An lage, insbesondere einer HGÜ-Anlage, verwendbar ist bezie hungsweise verwendet wird. Alternativ oder zusätzlich kann die Schalteinrichtung genutzt werden, um zumindest Teile von in HGÜ-Anlagen verwendeten Hochspannungsableitern zu überbrü cken. Mit anderen Worten ist es denkbar, dass die Schaltein richtung dazu verwendet wird, um wenigstens einen oder mehre re Teile eines oder mehrerer Hochspannungsableiter einer oder mehrerer HGÜ-Anlagen zu überbrücken.
Grundsätzlich ist es denkbar, eine herkömmliche Vakuumschalt röhre, insbesondere eine herkömmliche Hochspannungsvakuum schaltröhre, beispielsweise zur Überbrückung oder zur Erdung und somit als einen Erdungsschalter zu verwenden. Herkömmli che, auch als Vakuumröhren bezeichnete Vakuumschaltröhren weisen Vorteile wie eine kompakte Bauweise, geringe Wartungs aufwände und eine gute Umweltverträglichkeit auf.
Ein entscheidender Parameter für die Verwendung als Schnell schalter, insbesondere als Schnellerdungsschalter, ist die Schaltgeschwindigkeit beziehungsweise die auch als Schaltdau er bezeichnete Schaltzeit. Die Schaltgeschwindigkeit ist die Geschwindigkeit, mit welcher das zweite Kontaktelement aus der Trennstellung in die Kontaktstellung bewegt werden kann. Je höher somit die Schaltgeschwindigkeit ist, desto geringer ist die Schaltdauer beziehungsweise die Schaltzeit. Die
Schaltdauer ist somit eine Zeit, welche zur elektrischen Kon taktierung der Schaltelemente, das heißt zum Bewegen des zweiten Schaltelements aus der Trennstellung in die Kontakt stellung erforderlich ist. Ist die Vakuumschaltröhre bei spielsweise als ein Erdungsschalter ausgebildet, so wird durch das Bewegen des zweiten Schaltelements aus der Trenn stellung in die Kontaktstellung eine Erdverbindung herge stellt. Dann ist beispielsweise die Schaltdauer beziehungs weise Schaltzeit eine Zeitspanne, welche zur Herstellung der Erdverbindung erforderlich ist. Dabei ist es zum einen von Vorteil, wenn die einfach auch als Kontakte bezeichneten Schaltelemente in geöffnetem Zustand, das heißt in der Trennstellung, nicht zu weit voneinander entfernt und somit nicht zu weit geöffnet beziehungsweise nicht zu weit getrennt sind, um beispielsweise eine geforder te Isolationsfähigkeit zu erreichen. Zum anderen ist es vor teilhaft, wenn die Kontakte mit einer hohen Schließgeschwin digkeit beispielsweise in einem Bereich von einschließlich zwei bis einschließlich zehn Metern pro Sekunde geschlossen werden, um eine Trennstrecke beziehungsweise einen Kontakthub innerhalb von zehn Millisekunden zurückzulegen. Die Trenn strecke beziehungsweise der Kontakthub ist beispielsweise ein in der Trennstellung entlang der Bewegungsrichtung verlaufen der Abstand zwischen den Kontaktelementen. Somit bewegt bei spielsweise das zweite Kontaktelement bei dessen Bewegung aus der Trennstellung in die Kontaktstellung den Kontakthub und somit die Trennstrecke zurück. Dabei ist eine Schaltzeit von zehn Millisekunden, in welcher das zweite der Kontaktelemente die Trennstrecke beziehungsweise den Kontakthub zurücklegt beziehungsweise ausführt, vorteilhaft. Hierzu ist beispiels weise eine auch als Schließgeschwindigkeit bezeichnete Ge schwindigkeit, mit welcher sich das zweite Kontaktelement aus der Trennstellung in die Kontaktstellung bewegt, vorteilhaft, wobei die Schließgeschwindigkeit vorzugsweise in einem Be reich von einschließlich zwei Metern pro Sekunde bis ein schließlich zehn Metern pro Sekunde liegt.
Das Bewegen des zweiten Kontaktelements aus der Trennstellung in die Kontaktstellung wird auch als Schließen der Schaltein richtung beziehungsweise der Vakuumschaltröhre bezeichnet.
Das Bewegen des zweiten Kontaktelements aus der Kontaktstel lung in die Trennstellung wird auch als Öffnen der Schaltein richtung beziehungsweise der Vakuumschaltröhre bezeichnet.
Beim Schließen von herkömmlichen Hochspannungsvakuumröhren unter Spannung kann es einige Millimeter vor dem gegenseiti gen Berühren der Kontakte zu einem Zünden eines Lichtbogens und einem hohen Stromfluss, insbesondere innerhalb der Vaku- umschaltröhre, kommen. Je nach Höhe des Stromflusses und je nach Dauer bis zur endgültigen Berührung der Kontakte beginnt der Lichtbogen, jeweilige Kontaktoberflächen der Kontaktele mente an- beziehungsweise aufzuschmelzen, wobei sich bei spielsweise die Kontaktelemente in der Kontaktstellung über die Kontaktoberflächen gegenseitig, insbesondere direkt, be rühren. Anschließend prallen die an- beziehungsweise aufge schmolzenen und einfach auch als Kontaktflächen bezeichneten Kontaktoberflächen aufeinander und verschweißen gegebenen falls miteinander. Das An- beziehungsweise Aufschmelzen der Kontaktflächen wird verstärkt, wenn es zu einem Prellen der Kontakte kommt. Dieses Prellen kommt besonders bei hohen Schließgeschwindigkeiten bei herkömmlichen Vakuumschaltröhren vor, welche Federantriebe zum Bewegen des jeweiligen zweiten Kontaktelements aufweisen.
Wird anschließend die jeweilige herkömmliche Vakuumschaltröh re geöffnet, indem die Kontakte auseinanderbewegt werden be ziehungsweise indem das zweite Kontaktelement aus der Kon taktstellung in die Trennstellung bewegt wird, werden die Kontakte, insbesondere an jeweiligen Schweißstellen, an wel chen die Kontakte zuvor miteinander verschweißt wurden, aus einander gerissen und es entstehen scharfe Kanten und Spitzen auf den Kontaktoberflächen. An diesen scharfen Kanten und Spitzen kann es zu Überhöhungen des elektrischen Feldes kom men, was einer Reduzierung der Isolationsfähigkeit bei geöff neten Kontakten gleich kommt. Die Isolationsfähigkeit kann durch die Spitzen so weit reduziert werden, bis ein zumindest die Kontakte umfassendes beziehungsweise durch die Kontakte gebildetes Kontaktsystem vorgeschriebene beziehungsweise ge wünschte Werte bei eingestelltem Kontakthub, das heißt in der Trennstellung, nicht mehr einhält. Die Vakuumröhre ist damit defekt und muss beispielsweise ausgetauscht werden. Deshalb müssen oder werden die Kontakte von vorne herein weiter ge öffnet. Dies bedeutet beispielsweise, dass das zweite Kontak telement beim Öffnen der Vakuumröhre von dem ersten Kontakte lement wegbewegt und dabei nicht etwa genau in die zuvor vor gesehene Trennstellung, sondern über die Trennstellung hin- ausbewegt in eine weitere Trennstellung bewegt wird. In der weiteren Trennstellung sind die Kontakte weiter voneinander beabstandet als in der ersten Trennstellung. Dies führt je doch wiederum zu einer höheren Schließzeit beziehungsweise um die gewünschte Schließzeit zumindest im Wesentlichen konstant zu halten, ist eine höhere Schließgeschwindigkeit erforder lich mit entsprechend starkem Kontaktprellen, in deren Folge die Kontakte noch stärker miteinander verschweißen, sodass verstärkt scharfe Kanten und Spitzen entstehen.
Des Weiteren sind sogenannte Tulpen-Stift-Kontakte bekannt, wie sie beispielsweise in gasisolierten Schaltanlagen (GSI) verwendet werden. Hier existieren Produkte von Siemens wie zum Beispiel 8DN8, 8DQ1 oder 8VN1. Das Kontaktsystem dieser Lösung unterscheidet sich stark von dem Kontaktsystem in her kömmlichen Vakuumschaltröhren, da herkömmliche Tulpen- Schließkontakte nur auf das Schließen und das anschließende Tragen eines Erdungsstroms ausgelegt sind. Bei einem solchen Tulpen-Stift-Kontakt beziehungsweise bei einem als Tulpen- Stift-Kontaktsystem ausgebildeten Kontaktsystem fährt hierfür ein Stift in einen korrespondierenden Federkontakt in einer Tulpe ein. Eine spezielle Kontaktdruckfeder in Bewegungsrich tung ist nicht vorhanden. Eine Kontaktanpresskraft würde durch den Federkontakt in der Tulpe erzeugt. Somit steht hier im Gegensatz zu Vakuumschaltkontakten beziehungsweise zu Kon taktsystemen in Vakuumschaltröhren die Kontaktanpresskraft senkrecht zur Bewegungsrichtung.
Somit kann unter dem Merkmal, dass bei dem ersten Aspekt der Erfindung der Federkontakt in der Kontaktstellung zumindest den Teil der Mantelfläche entlang der schräg oder senkrecht zur Bewegungsrichtung verlaufenden Richtung federnd kontak tiert, insbesondere verstanden werden, dass dadurch, dass der Federkontakt in der Kontaktstellung elastisch verformt ist, in der Kontaktstellung eine Federkraft, insbesondere in dem Federkontakt, wirkt. Die Federkraft führt, beispielsweise dann, wenn das zweite Kontaktelement aus der Kontaktstellung in die Trennstellung bewegt wird, dazu, dass der Federkontakt in seine Ausgangsstellung beziehungsweise in seinen Ausgangs zustand, insbesondere elastisch, zurückfedert. In der Trenn stellung hält jedoch die als Kontaktkraft fungierende Feder kraft den Federkontakt in Berührung beziehungsweise in, ins besondere direkter, Stützanlage und somit in Kontakt mit der Mantelfläche. Dabei wirkt die Kontaktkraft (Federkraft) in der Kontaktstellung entlang der schräg oder vorzugsweise senkrecht zur Bewegungsrichtung verlaufenden Richtung, wobei die Kontaktkraft vorzugsweise in Richtung des Teils der Man telfläche weist beziehungsweise wirkt.
Bei herkömmlichen Tulpen-Stift-Kontakten jedoch ist ein Öff nen unter Spannung mit einhergehendem Stromfluss nicht oder nur im begrenzten Maße möglich. Da jedoch beispielsweise die Stifte bei Tulpen-Stift-Kontaktsystemen im Vergleich zu Vaku- umschaltkontakten vergleichsweise leichte Bauelemente sind, eignen sie sich daher sehr gut für schnellschaltende Anwen dungen .
Weitere, der Erfindung zugrundeliegende Erkenntnisse sind, dass beispielsweise in gasisolierten Schaltanlagen Erdungs schalter vorhanden sind. Diese Erdungsschalter sind bei spielsweise als sogenannte Schnellerder, das heißt als
Schnellerdungsschalter, ausgebildet und Teil einer Schaltan lage. Die Erdungsschalter befinden sich dabei in einem Gas raum, welcher vollständig oder nur teilweise mit wenigstens einem oder mehreren Fluorgasen oder sogenannter Clean Air, das heißt zumindest im Wesentlichen reiner Luft, gefüllt ist. Herkömmliche Tulpen-Stift-Kontakte weisen jedoch typischer weise Schaltzeiten von zirka 40 Millisekunden aus und sind somit zu langsam, um beispielsweise als Schutzschalter für HGÜ-Anlagen oder Wechselstromübertragungssysteme (FACTS) ver wendet zu werden. Außerdem weisen herkömmliche Tulpen-Stift- Kontakte einen übermäßig großen Kontaktabstand von beispiels weise zirka 160 Millimetern auf.
Vor diesem Hintergrund vereint die Erfindung die Vorteile von herkömmlichen Vakuum-Schaltröhren mit den Vorteilen von her- kömmlichen Tulpen-Stift-Kontakten, wobei die jeweiligen Nach teile vermieden beziehungsweise hinreichend gering gehalten werden können. Da die Kontaktelemente in der Vakuumschaltröh re angeordnet sind, ermöglicht die Erfindung die Realisierung einer umweltfreundlichen und wartungsarmen Vakuumisolierung der Kontaktelemente, insbesondere in der Trennstellung. Somit können Isoliergase wie beispielsweise Fluorgase in der Vaku umröhre vermieden werden. Außerdem können die Kontakte beson ders gewichtsgünstig ausgestaltet werden, sodass insbesondere das zweite Kontaktelement besonders schnell aus der Trenn stellung in die Kontaktstellung und/oder umgekehrt bewegt werden kann. Dadurch können besonders geringe Schaltzeiten der erfindungsgemäßen Schalteinrichtung gewährleistet werden. Des Weiteren ermöglicht es insbesondere die Verwendung des Federkontakts, dass ein übermäßiges Prellen der Kontakte in folge des Schließens der Schalteinrichtung vermieden werden kann, sodass der Verschleiß der Schalteinrichtung besonders gering gehalten werden kann. Insbesondere ist es möglich, das zweite Kontaktelement - nachdem es aus der Trennstellung in die Kontaktstellung bewegt wurde - wieder aus der Kontakt stellung in die Trennstellung zurückzubewegen, wobei dann die erfindungsgemäße Schalteinrichtung immer noch eine hinrei chende und gewünschte isolierende beziehungsweise galvanische Trennung der Kontaktelemente voneinander gewährleistet. Die Schalteinrichtung muss somit nicht repariert, gewartet oder ausgetauscht werden, nachdem das zweite Kontaktelement aus der Trennstellung in die Kontaktstellung bewegt wurde, son dern nach einer solchen Bewegung kann das zweite Kontaktele ment wieder aus der Kontaktstellung in die Trennstellung be wegt werden, woraufhin die Schalteinrichtung wieder- bezie hungsweise weiterverwendet werden kann.
Somit ist es denkbar, dass die Kontaktelemente der erfin dungsgemäßen Schalteinrichtung ein, insbesondere modifizier tes, Tulpen-Stift-Kontaktsystem beziehungsweise Tulpen-Stift- Kontakte bilden, wobei das, insbesondere modifizierte, Tul pen-Stift-Kontaktsystem erfindungsgemäß in die Vakuumröhre eingebaut, das heißt innerhalb der Vakuumröhre angeordnet ist .
Um besonders geringe Schaltzeiten und eine hinreichende Iso lierung beziehungsweise galvanische Trennung gewährleisten zu können, ist es bei einer Ausführungsform der Erfindung vorge sehen, dass die Schalteinrichtung ein dem anderen Kontaktele ment zugeordnetes, erstes Feldsteuerelement aufweist. Dabei ist das andere Kontaktelement in der Trennstellung entlang der Bewegungsrichtung gegenüber dem ersten Feldsteuerelement von dem einen Kontaktelement weg zurückversetzt. Dies bedeu tet, dass das andere Kontaktelement in der Trennstellung ent lang der Bewegungsrichtung relativ zu dem einen Kontaktele ment hinter dem ersten Feldsteuerelement angeordnet ist.
Dabei hat es sich als besonders vorteilhaft gezeigt, wenn das erste Feldsteuerelement eine erste Durchgangsöffnung auf weist, durch welche bei einer beziehungsweise bei der Bewe gung des zweiten Kontaktelements aus der Trennstellung in die Kontaktstellung das zweite Kontaktelement hindurchbewegbar ist beziehungsweise hindurchbewegt wird. Dadurch können be sonders geringe Schaltzeiten gewährleistet werden.
Eine weitere Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass das dem anderen Kontaktelement zugeordnete erste Feldsteue relement aus einem ersten Werkstoff gebildet ist. Das erste Feldsteuerelement ist dabei, insbesondere in einem sich di rekt an die erste Durchgangsöffnung des ersten Feldsteuerele ments anschließenden Bereich, mit einer Schicht versehen, welche aus einem von dem ersten Werkstoff unterschiedlichen zweiten und temperaturwiderstandsfähigen Werkstoff gebildet und demzufolge temperaturwiderstandsfähig ist. Hierdurch kön nen beispielsweise die Kontaktelemente entlang der Bewegungs richtung in der Trennstellung besonders nahe beieinander be ziehungsweise aneinander angeordnet sein, sodass besonders geringe Schaltzeiten realisiert werden können. Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfin dung umfasst die Schalteinrichtung ein dem einen Kontaktele ment zugeordnetes, zweites Feldsteuerelement. Dabei ist das eine Kontaktelement zumindest in der Trennstellung entlang der Bewegungsrichtung gegenüber dem zweiten Feldsteuerelement von dem anderen Kontaktelement zurückversetzt. Dies bedeutet, dass das eine Kontaktelement zumindest in der Trennstellung entlang der Bewegungsrichtung relativ zu dem anderen Kontak telement hinter dem zweiten Feldsteuerelement angeordnet ist. Dadurch können die Kontaktelemente in der Trennstellung ent lang der Bewegungsrichtung besonders nahe aneinander angeord net sein, sodass einerseits die Schaltzeit besonders gering gehalten werden kann. Andererseits kann eine hinreichende Isolierung beziehungsweise galvanische Trennung der Kontakte lemente in der Trennstellung gewährleistet werden.
Um die Schaltzeit besonders gering halten zu können, ist es in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass das dem einen Kontaktelement zugeordnete, zweite Feldsteuerele ment eine zweite Durchgangsöffnung aufweist, durch welche bei einer Bewegung des zweiten Kontaktelements aus der Trennstel lung in die Kontaktstellung das zweite Kontaktelement hin durchbewegbar ist beziehungsweise hindurchbewegt wird.
Um dabei den Verschleiß besonders gering halten und die Kon taktelemente in der Trennstellung entlang der Bewegungsrich tung besonders nahe aneinander anordnen zu können, ist es in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass das dem einen Kontaktelement zugeordnete zweite Feldsteuerelement aus einem ersten Material gebildet ist. Das erste Material kann der erste Werkstoff oder ein von dem ersten Werkstoff unter schiedlicher dritter Werkstoff sein. Das zweite Feldsteue relement ist dabei, insbesondere in einem sich direkt an die zweite Durchgangsöffnung des zweiten Feldsteuerelements an schließenden zweiten Bereich, mit einer Schicht versehen, welche aus einem von dem ersten Material unterschiedlichen zweiten und temperaturwiderstandsfähigen Material gebildet und demzufolge temperaturwiderstandsfähig ist. Das zweite Ma- terial kann der zweite Werkstoff oder ein von dem zweiten Werkstoff unterschiedlicher vierter Werkstoff sein. Hierdurch können die Kontaktelemente besonders nahe aneinander angeord net werden, und ein übermäßiger Verschleiß kann vermieden werden .
Die vorzugsweise entlang der Bewegungsrichtung einander ge genüberliegenden und/oder entlang der Bewegungsrichtung von einander, insbesondere vollständig, beabstandeten Feldsteue relemente sind beispielsweise jeweilige Tulpen des Tulpen- Stift-Kontaktsystems der Erfindung. Durch die Verwendung der zweiten Tulpe kann der auch als Kontaktabstand bezeichnete und in der Trennstellung und einer Bewegungsrichtung verlau fende Abstand zwischen den Kontaktelementen besonders gering gehalten werden. Dadurch können die Schaltzeiten besonders gering gehalten werden.
Das jeweilige Feldsteuerelement ist beispielsweise ein zum Steuern, das heißt beispielsweise zum Führen beziehungsweise Leiten, eines elektrischen und/oder magnetischen Felds ausge bildetes Element. Insbesondere kann das jeweilige Feldsteue relement eine auch als Schirm bezeichnete Schirmung oder Ab schirmung sein, mittels welcher beispielsweise das jeweilige Kontaktelement insbesondere zumindest in der Trennstellung gegen ein elektrisches und/oder magnetisches Feld abschirmbar oder abgeschirmt ist.
Um den Verschleiß der Schalteinrichtung besonders gering zu halten, ist es in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorge sehen, dass in der Kontaktstellung eine entlang der Bewe gungsrichtung verlaufende, gegenseitige Kontaktierung bezie hungsweise Berührung der Kontaktelemente unterbleibt. Zwar berühren sich dabei die Kontaktelemente dadurch gegenseitig, dass der Federkontakt an dem Teil der Mantelfläche anliegt, jedoch verläuft dieser Kontakt schräg oder senkrecht zur Be wegungsrichtung. Ein entlang der beziehungsweise parallel zu der Bewegungsrichtung verlaufender Kontakt zwischen den Kon taktelementen unterbleibt vorzugsweise in der Kontaktstel- lung, wodurch der Verschleiß besonders gering gehalten werden kann .
Um eine besonders hohe Schaltgeschwindigkeit und somit eine besonders geringe Schaltzeit realisieren zu können, ist es in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass das an dere Kontaktelement einen Stift aufweist beziehungsweise als ein Stift ausgebildet ist, welcher die Mantelfläche und somit den Teil der Mantelfläche bildet.
Da beispielsweise das jeweilige Feldsteuerelement eine jewei lige Tulpe bildet und das andere Kontaktelement einen Stift aufweist, bilden die Kontaktelemente ein modifiziertes Tul- pen-Stift-Kontaktsystem, welches beispielsweise gegenüber herkömmlichen Tulpen-Stift-Kontaktsystemen derart modifiziert ist, dass das erfindungsgemäße Tulpen-Stift-Kontaktsystem nicht etwa in einem Isoliergas, sondern in der Vakuumschalt röhre angeordnet ist. Somit bilden die Kontaktelemente erfin dungsgemäß ein Vakuumtulpenkontaktsystem, durch welches ei nerseits eine besonders geringe Schaltzeit der Schalteinrich tung realisiert und andererseits ein übermäßiger Verschleiß der Schalteinrichtung vermieden werden kann.
Eine weitere Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass an einem Boden der Vakuumschaltröhre wenigstens eine Teil chenfalle angeordnet ist. Mittels der Teilchenfalle können elektrisch geladene Teilchen gefangen und gespeichert werden, wodurch eine besonders vorteilhafte Funktion der Schaltein richtung gewährleistet werden kann.
Um besonders geringe Schaltzeiten zu realisieren, ist es in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die Schalteinrichtung einen Federantrieb aufweist, mittels wel chem das zweite Kontaktelement aus der Trennstellung in die Kontaktstellung relativ zu der Vakuumröhre und vorzugsweise auch relativ zu dem einen Kontaktelement entlang der Bewe gungsrichtung, insbesondere ballistisch, bewegbar ist. Um dabei den Verschleiß besonders gering halten zu können, ist in weiterer Ausgestaltung der Erfindung eine Dämpferein richtung vorgesehen, mittels welcher eine Bewegung des zwei ten Kontaktelements in die Kontaktstellung gedämpft werden kann .
Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfin dung ist eines der Kontaktelemente als ein Erdungskontakt zur, insbesondere elektrischen, Erdung der Vorrichtung ausge bildet .
Vorzugsweise ist der auch als Kontaktstift bezeichnete Stift aus Wolfram beziehungsweise aus einer Wolframlegierung gebil det .
Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfin dung umfasst die Schalteinrichtung eine Magneteinrichtung zum Bereitstellen eines Magnetfelds, dessen üblicherweise mit B bezeichnete magnetische Flussdichte entlang der Bewegungs richtung beziehungsweise parallel zur Bewegungsrichtung oder senkrecht zur Bewegungsrichtung verläuft. Dadurch kann der Verschleiß besonders gering gehalten werden.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft eine, insbesondere elektrische, Anlage, welche beispielsweise als eine HGÜ- Anlage oder als eine Wechselstromübertragungsanlage (FACTS) beziehungsweise als eine Hochspannungswechselstromsübertra gungsanlage ausgebildet ist. Die Anlage umfasst wenigstens eine elektrische Vorrichtung und wenigstens eine erfindungs gemäße Schalteinrichtung gemäß dem ersten Aspekt der Erfin dung, wobei beispielsweise durch Bewegen des zweiten Kontak telements aus der Trennstellung in die Kontaktstellung we nigstens ein erster elektrischer Kontakt der Vorrichtung über die Kontaktelemente mit wenigstens einem zweiten elektrischen Kontakt elektrisch verbindbar und dadurch beispielsweise zu erden ist. Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des ers ten Aspekts der Erfindung sind als Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des zweiten Aspekts der Erfindung anzusehen und umgekehrt.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung er geben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzug ten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vor stehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmals kombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschrei bung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der je weils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombi nationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Die Zeichnung zeigt in:
FIG 1 eine schematische und geschnittene Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Schalteinrichtung, wobei sich Kontaktelemente der Schalteinrichtung in einer Trennstellung befinden; und
FIG 2 eine schematische und geschnittene Seitenansicht der Schalteinrichtung, wobei sich die Kontaktele mente in einer Kontaktstellung befinden.
In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
FIG 1 zeigt in einer schematischen und geschnittenen Seiten ansicht eine beispielsweise als Erdungsschalter, insbesondere als Schnellerdungsschalter, und/oder als Hochspannungsschal ter oder Hochspannungsableiter ausgebildete Schalteinrichtung 10 für eine elektrische Vorrichtung. Beispielsweise kann die Schalteinrichtung 10 in einer Anlage, insbesondere in einer elektrischen Anlage, verwendet werden, für welche auch die elektrische Vorrichtung verwendet wird. Die Schalteinrichtung 10 weist eine Vakuumschaltröhre 12 auf, in deren Inneren 14 ein Vakuum herrscht, das heißt ein Vakuum gezielt eingestellt ist. Darunter, dass in der Vakuumschaltröhre 12 beziehungs weise im Inneren 14 der Vakuumschaltröhre 12 ein Vakuum herrscht, kann insbesondere verstanden werden, dass in dem Inneren 14 ein Druck herrscht, welcher geringer als
300 Millibar ist. Insbesondere ist der im Inneren 14 herr schende Druck geringer als ein in der Umgebung 16 der Vakuum schaltröhre 12 herrschender Druck. Die Vakuumschaltröhre 12 wird einfach auch als Röhre oder Vakuumröhre bezeichnet. In der Vakuumschaltröhre 12 und somit in deren Inneren 14 ist beispielsweise eine erste, insbesondere elektrische, Abschir mung 18 angeordnet, welche auch als erster Schirm bezeichnet wird. Die erste Abschirmung 18 ist beispielsweise als ein so genannter Dampfschirm ausgebildet.
In der Vakuumschaltröhre 12, das heißt im Inneren 14 der Va- kuumschaltröhre 12, ist ein erstes Kontaktelement 20 angeord net. Außerdem ist in der Vakuumschaltröhre 12 ein zweites Kontaktelement 22 angeordnet, welches entlang einer in FIG 1 durch einen Doppelpfeil 24 veranschaulichten Bewegungsrich tung zwischen wenigstens einer in FIG 1 gezeigten Trennstel lung T und wenigstens einer in FIG 2 gezeigten Kontaktstel lung K relativ zu der Vakuumschaltröhre 12 und insbesondere relativ zu dem Kontaktelement 20, insbesondere translato risch, bewegbar ist. Dabei ist das Kontaktelement 20 vorzugs weise ein sogenannter Festkontakt, da beispielsweise dann, wenn das Kontaktelement 22 aus der Trennstellung T in die Kontaktstellung K bewegt wird, eine relativ zu der Vakuum schaltröhre 12 erfolgende Bewegung des Kontaktelements 20 zu mindest entlang der Bewegungsrichtung unterbleibt. Insbeson dere ist es denkbar, dass das Kontaktelement 20 zumindest entlang der Bewegungsrichtung relativ zu der Vakuumschaltröh re 12 unbeweglich ist.
In der Trennstellung T sind die Kontaktelemente 20 und 22 galvanisch voneinander getrennt. Mit anderen Worten sind die Kontaktelemente 20 und 22 in der Trennstellung T elektrisch voneinander isoliert, sodass in der Trennstellung T kein elektrischer Strom von einem der Kontaktelemente 20 und 22 auf das jeweils andere Kontaktelement 22 beziehungsweise 20 übertragen werden kann. In der Kontaktstellung K jedoch sind die Kontaktelemente 20 und 22 elektrisch leitend miteinander verbunden, insbesondere derart, dass sich die Kontaktelemente 20 und 22 in der Kontaktstellung K gegenseitig, insbesondere direkt, berühren. In der Trennstellung T jedoch sind die Kon taktelemente 20 und 22 vorzugsweise vollständig voneinander beabstandet .
Um nun einen übermäßigen Verschleiß der Schalteinrichtung 10 zu vermeiden sowie eine besonders geringe Schaltzeit der Schalteinrichtung 10 realisieren zu können, weist das Kontak telement 20 wenigstens einen Federkontakt 26 auf. Aus FIG 1 ist erkennbar, dass bei dem in den FIG gezeigten Ausführungs beispiel das Kontaktelement 20 den Federkontakt 26 als ersten Federkontakt und einen zweiten Federkontakt 28 aufweist. Die Federkontakte 26 und 28 sind dabei entlang einer schräg oder vorliegend senkrecht zur Bewegungsrichtung verlaufenden und in FIG 1 durch einen Doppelpfeil 30 veranschaulichten Beab- standungsrichtung einander gegenüberliegend angeordnet und insbesondere voneinander beabstandet. Der jeweilige Federkon takt 26 beziehungsweise 28 ist ein Federelement, welches zu mindest in der Trennstellung T elastisch verformbar ist. Au ßerdem ist der jeweilige Federkontakt 26 beziehungsweise 28 aus einem elektrisch leitenden beziehungsweise elektrisch leitfähigen Werkstoff gebildet. Insbesondere kann der jewei lige Federkontakt 26 beziehungsweise 28 aus einem metalli schen Werkstoff gebildet sein.
Wie in Zusammenschau mit FIG 2 erkennbar ist, kontaktiert der jeweilige Federkontakt 26 beziehungsweise 28 in der Kontakt stellung K einen jeweiligen Teil TI beziehungsweise T2 einer außenumfangsseitigen Mantelfläche 32 des Kontaktelements 22 entlang einer schräg oder vorliegend senkrecht zur Bewegungs richtung verlaufenden und vorliegend durch den Doppelpfeil 30 veranschaulichten Richtung federnd. Dies bedeutet, dass der jeweilige Federkontakt 26 beziehungsweise 28 in der Trenn stellung T eine Ausgangsstellung einnimmt, wobei beispiels- weise der jeweilige Federkontakt 26 beziehungsweise 28 in der Trennstellung T nicht elastisch verformt ist. Wird nun das Kontaktelement 22 aus der Trennstellung T in die Kontaktstel lung K bewegt, so kommt das Kontaktelement 22 in jeweilige, insbesondere direkte, Stützanlage und somit in jeweiligen, direkten Kontakt mit dem jeweiligen Federkontakt 26 bezie hungsweise 28. Hierdurch werden die Federkontakte 26 und 28 elastisch verformt, wodurch die Federkontakte 26 und 28 aus der jeweiligen Ausgangsstellung in eine jeweilige, in FIG 2 gezeigte Verformungsstellung bewegt werden. In der Verfor mungsstellung ist der jeweilige Federkontakt 26 beziehungs weise 28 gegenüber der Ausgangsstellung elastisch verformt, sodass in dem jeweiligen Federkontakt 26 beziehungsweise 28 eine Federkraft wirkt. Die Federkraft ist eine Kontaktkraft oder wirkt als Kontaktkraft, welche den jeweiligen Federkon takt 26 beziehungsweise 28 in direkte Stützanlage und somit in direkten Kontakt beziehungsweise in direkter Berührung mit dem jeweiligen Teil TI beziehungsweise T2 hält. Dies bedeu tet, dass die Federkontakte 26 und 28 in der Kontaktstellung K elastisch verformt sind und in der Folge mittels der Kon taktkraft in direkter Stützanlage mit den Teilen TI und T2 gehalten werden. Somit berühren die Federkontakte 26 und 28 in der Kontaktstellung K die Teile TI und T2 direkt. Dabei wirkt die jeweilige Kontaktkraft beziehungsweise Federkraft entlang der mit der Beabstandungsrichtung zusammenfallenden Richtung .
Bei dem in den FIG gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Kon taktelement 22 als ein Stift 34 ausgebildet beziehungsweise das Kontaktelement 22 umfasst einen Stift 34, wobei der Stift 34 auch als Kontaktstift bezeichnet wird. Der Stift 34 ist zumindest in einem die außenumfangsseitige Mantelfläche 32 und somit die Teile TI und T2 bildenden Teilbereich außenum fangsseitig zylindrisch ausgebildet, sodass die außenumfangs seitige Mantelfläche 32 und somit die Teile TI und T2 außen umfangsseitig die Form eines geraden Kreiszylinders aufwei sen. Somit fällt die Beabstandungsrichtung mit der radialen Richtung des Stifts 34 zusammen, sodass die Richtung, entlang welcher die Kontaktkraft verläuft, vorliegend mit der radia len Richtung des Stifts 34 zusammenfällt. Dabei wirkt vorlie gend die Kontaktkraft in radialer Richtung des Stifts 34 nach innen. Dies bedeutet, dass die Federkontakte 26 und 28 in der Kontaktstellung K in radialer Richtung des Stifts 34 federnd den Stift 34 kontaktieren und somit direkt berühren.
Bei der Bewegung des Stifts 34 aus der Trennstellung T in die Kontaktstellung K werden die Federkontakte 26 und 28 bei spielsweise in radialer Richtung des Stifts 34 nach außen hin elastisch verformt. In der Kontaktstellung K werden die Fe derkontakte 26 und 28 mittels des sich in der Kontaktstellung K befindenden Stifts 34 elastisch verformt gehalten. Wird dann beispielsweise der Stift 34 aus der Kontaktstellung K in die Trennstellung T bewegt und somit von dem Kontaktelement 20, insbesondere translatorisch, wegbewegt, so führt die Fe derkraft dazu, dass der jeweilige Federkontakt 26 beziehungs weise 28 zurück in die jeweilige Ausgangsstellung federt und somit beispielsweise in radialer Richtung des Stifts 34 nach innen federt.
Dem Kontaktelement 22 beziehungsweise dem Stift 34 ist ein erstes Feldsteuerelement 36 zugeordnet, wobei das Kontaktele ment 22 beziehungsweise der Stift 34 in der Trennstellung T entlang der Bewegungsrichtung gegenüber dem Feldsteuerelement 36 von dem Kontaktelement 20 weg zurückversetzt ist. Dies be deutet, dass das Kontaktelement 22 beziehungsweise der Stift 34 in der Trennstellung T entlang der Bewegungsrichtung rela tiv zu dem Kontaktelement 20 hinter dem Feldsteuerelement 36 angeordnet ist. Wieder mit anderen Worten ausgedrückt ist in der Trennstellung T das Feldsteuerelement 36 entlang der Be wegungsrichtung näher an dem Kontaktelement 20 angeordnet als das Kontaktelement 22 beziehungsweise als der Stift 34. Dabei weist das Feldsteuerelement 36 eine erste Durchgangsöffnung 38 auf, durch welche der Stift 34 beziehungsweise das Kontak telement 22 entlang der Bewegungsrichtung, insbesondere translatorisch, hindurchbewegt wird, wenn das Kontaktelement 22 beziehungsweise der Stift 34 aus der Trennstellung T in die Kontaktstellung K bewegt wird. Somit ist das Kontaktele ment 22 beziehungsweise der Stift 34 entlang der Bewegungs richtung relativ zu dem Feldsteuerelement 36, insbesondere translatorisch, bewegbar.
Im Inneren 14 der Vakuumschaltröhre 12 ist ein Faltenbalg 40 angeordnet, welche beispielsweise einerseits, insbesondere einenends, mit der Vakuumschaltröhre 12 und andererseits be ziehungsweise andernends mit dem Kontaktelement 22 verbunden und somit entlang der Bewegungsrichtung relativ zu der Vaku- umschaltröhre 12 mit dem Kontaktelement 22 mitbewegbar ist. Somit ist beispielsweise das Kontaktelement 22 mittels des Faltenbalgs 40 gegen die Vakuumschaltröhre 12 abgedichtet.
Das Feldsteuerelement 36 ist beispielsweise eine auch als zweiter Schirm bezeichnete zweite Abschirmung, wobei der Fal tenbalg 40 und das Kontaktelement 22 beziehungsweise der Stift 34 in radialer Richtung des Stifts 34 nach außen hin beziehungsweise zu der Vakuumschaltröhre 12 hin zumindest teilweise und vorzugsweise in der Trennstellung T abgeschirmt sind. Somit fungiert beispielsweise das Feldsteuerelement 36 als ein Faltenbalgschirm.
Des Weiteren weist die Schalteinrichtung 10 einen insbesonde re an der Vakuumschaltröhre 12 vorgesehenen ersten Isolator 42 auf, durch welchen beispielsweise der Faltenbalg 40, das Feldsteuerelement 36 und das Kontaktelement 22 zumindest in der Trennstellung T in radialer Richtung des Stifts 34 nach außen hin überdeckt sind. Der Isolator 42 ist beispielsweise ein elektrischer Isolator und kann aus Keramik gebildet sein. Außerdem weist die Schalteinrichtung 10 einen zweiten Isola tor 44 auf, welche beispielsweise an der Vakuumschaltröhre 12 vorgesehen ist. Dabei ist beispielsweise das Kontaktelement 20 entlang einer senkrecht zur Bewegungsrichtung verlaufenden Richtung nach außen hin zumindest teilweise durch den Isola tor 44 überdeckt beziehungsweise überlappt. Der Isolator 44 ist beispielsweise ein elektrischer Isolator und kann aus ei ner Keramik gebildet sein. Darüber hinaus ist ein dem Kontaktelement 20 zugeordnetes zweites Feldsteuerelement 46 vorgesehen, wobei die Feldsteue relemente 36 und 46 in dem Inneren 14 und somit innerhalb der Vakuumschaltröhre 12 angeordnet sind. Dabei sind die Feder kontakte 26 und 28 in radialer Richtung des Stifts 34 nach außen hin durch das zweite Feldsteuerelement 46 zumindest teilweise, insbesondere zumindest überwiegend oder vollstän dig, überlappt oder überdeckt. Die Federkontakte 26 und 28 und somit das Kontaktelement 20 insgesamt ist zumindest in der Trennstellung T entlang der Bewegungsrichtung gegenüber dem zweiten Feldsteuerelement 46 von dem Kontaktelement 22 weg zurückversetzt, sodass das Kontaktelement 20 und somit die Federkontakte 26 und 28 in der Trennstellung T entlang der Bewegungsrichtung relativ zu dem Kontaktelement 22 hinter dem Feldsteuerelement 46 angeordnet sind. Dabei weist auch das zweite Feldsteuerelement 46 eine zweite Durchgangsöffnung 48 auf, durch welche der Stift 34 entlang der Bewegungsrich tung hindurchbewegt wird, wenn der Stift 34 aus der Trenn stellung T in die Kontaktstellung K bewegt wird. Die vorigen und folgenden Ausführungen zum Stift 34 sind ohne weiteres auch auf das Kontaktelement 22 übertragbar und umgekehrt.
Das Feldsteuerelement 46 ist beispielsweise aus einem ersten Material gebildet und in einem sich direkt an die Durchgangs öffnung 48 anschließenden Bereich B mit einer Schicht 50 ver sehen, welche aus einem von dem ersten Material unterschied lichen und temperaturwiderstandsfähigen zweiten Material ge bildet ist. Außerdem kann vorgesehen sein, dass an einem Bo den 52 der Vakuumschaltröhre 12 eine in FIG 1 besonders sche matisch dargestellte Teilchenfalle 54 angeordnet ist. Ferner ist es denkbar, dass die Schalteinrichtung 10 einen in FIG 1 besonders schematisch dargestellten Federantrieb 56 aufweist, mittels welchem das zweite Kontaktelement 22 und somit der Stift 34 aus der Trennstellung T in die Kontaktstellung K re lativ zu der Vakuumschaltröhre 12, relativ zu dem Kontaktele ment 20 und relativ zu den Feldsteuerelementen 36 und 46, insbesondere ballistisch, bewegbar ist. Alternativ oder zusätzlich kann eine in FIG 1 besonders sche matisch dargestellte Dämpfereinrichtung 58 vorgesehen sein, mittels welcher eine Bewegung des Kontaktelements 22 in die Kontaktstellung K gedämpft werden kann. Ferner ist es denk bar, dass der Stift 34 aus einer Wolframlegierung gebildet ist. Alternativ oder zusätzlich weist die Schalteinrichtung 10 eine in FIG 1 besonders schematisch dargestellte Mag neteinrichtung 60 auf, mittels welcher ein Magnetfeld bereit stellbar ist oder bereitgestellt wird, dessen magnetische Flussdichte entlang der Bewegungsrichtung oder aber senkrecht zur Bewegungsrichtung verlaufen kann.
Aus FIG 1 und 2 ist erkennbar, dass beispielsweise die Feld steuerelemente 36 und 46 sowie die Federkontakte 26 und 28 nach Art von Tulpen ausgebildet sind. Die Tulpen und der Stift 34 bilden somit ein modifiziertes Tulpen-Stift-Kontakt- system, welches im Vergleich zu herkömmlichen Lösungen dadurch modifiziert ist, dass es nicht etwa in einem Isolier gas, sondern in dem Inneren 14 der Vakuumschaltröhre 12 ange ordnet ist. Im Gegensatz zu herkömmlichen, gasisolierten Er dungsschaltern werden bei der Schalteinrichtung 10 die Feld steuerelemente 36 und 46 als Tulpen zur E-Feldsteuerung, das heißt zur Steuerung eines elektrischen Feldes, verwendet be ziehungsweise eingesetzt. Unter der Steuerung des elektri schen Feldes ist beispielsweise zu verstehen, dass das elekt rische Feld mittels der Feldsteuerelemente 36 und 46 geführt beziehungsweise geleitet wird. Durch die Verwendung der Feld steuerelemente 36 und 46 kann ein auch einfach als Abstand bezeichneter und entlang der Bewegungsrichtung verlaufender Abstand zwischen den Kontaktelementen 20 und 22 in der Trenn stellung T besonders gering gehalten werden.
Der als Kontaktstift bezeichnete Stift 34, welcher vorzugs weise aus einer Wolframlegierung gebildet ist, befindet sich in der Trennstellung T hinter dem Feldsteuerelement 36. Die Trennstellung T korrespondiert mit einem geöffneten Zustand der Schalteinrichtung 10, da in der Trennstellung T die
Schalteinrichtung 10 geöffnet ist und somit kein elektrischer Strom zwischen den Kontaktelementen 20 und 22 fließen kann. Die Kontaktstellung K korrespondiert mit einem geschlossenen Zustand der Schalteinrichtung 10, da die Schalteinrichtung 10 in der Kontaktstellung K geschlossen ist und ein elektrischer Strom zwischen den Kontaktelementen 20 und 22 fließen kann. Hinter dem zweiten Feldsteuerelement 46 befindet sich das als Festkontakt und dabei als Tulpe ausgebildete Kontaktelement 20 mit den Federkontakten 26 und 28, in die der Kontaktstift bei dessen Bewegung in die Kontaktstellung K einfährt.
Beim Einfahren des Stifts 34 in die durch die Federkontakte 26 und 28 gebildete Tulpe kann es zu einem Schwingen des Stifts 34 kommen, wobei der Stift 34 beispielsweise um einen Weg As (FIG 2) schwingt. Mit anderen Worten, die Federkontak te 26 und 28 erlauben eine Schwingbewegung des Stifts 34 nach dem Einfahren mit einer Amplitude von As. Diese Schwingbewe gung würde bei ähnlichen, herkömmlichen Konzepten mit gewöhn lichen Vakuumschaltkontakten zu einem Kontaktprellen führen, bei dem die Kontaktelemente 20 und 22 und somit jeweilige Kontaktflächen der Kontaktelemente 20 und 22 abheben und so Lichtbögen entstehen würden, die die Kontaktflächen beschädi gen würden. Die vorliegende Schalteinrichtung 10 erlaubt ein solches Schwingen, ohne eine übermäßige Belastung für die Kontaktelemente 20 und 22 durch ein Wiederzünden eines Licht bogens. Dies wiederum ermöglicht im Gegensatz zur Verwendung von gewöhnlichen Vakuumschaltkontakten die Verwendung von Fe derantrieben mit einer ballistischen Kontaktbewegung, das heißt mit einer Kontaktbewegung, die durch eine einmalige starke Beschleunigung des Bewegkontakts gekennzeichnet ist mit anschließender Flugphase und Abbremsen durch die auch als Dämpfersystem bezeichnete Dämpfereinrichtung.
Grundsätzlich ist es denkbar, anstelle der Vakuumröhre einen Behälter mit einem Überdruckgasraum einzusetzen, welche bei spielsweise mit einem Isoliergas wie insbesondere Clean Air beziehungsweise reiner Luft gefüllt ist. Bei einer solchen Alternative muss dennoch das Kontaktsystem optimiert werden, um einen möglichst geringen Kontaktabstand zur Realisierung geringer Schaltzeiten zu erreichen. Eine Isolation durch ein Fluorgas wie beispielsweise SF6 ist ebenfalls denkbar, jedoch aus Umweltsicht nicht wünschenswert.
Insgesamt ist es erkennbar, dass die Schalteinrichtung 10 ei ne umweltfreundliche Isolierung der Kontaktelemente 20 und 22 ermöglicht. Außerdem kann eine besonders geringe Schaltzeit realisiert werden, und ein übermäßiger Verschleiß der Schalt einrichtung 10 kann vermieden werden. Durch die beidseitige Anordnung der Feldsteuerelemente 36 und 46 kann der Kontakt abstand zwischen den Kontaktelementen 20 und 22 in der Trenn stellung T besonders gering gehalten werden. Beim Heraustre ten des Stifts 34 aus dem Feldsteuerelement 36, das heißt dann, wenn der Stift 34 auf seinem Weg in die Kontaktstellung K die Durchgangsöffnung 38 durchdringt, kann frühzeitig ein Lichtbogen, insbesondere zwischen den Kontaktelementen 20 und 22, gezündet werden, was die elektrische Kontaktzeit deutlich verkürzt. Um einen übermäßigen Verschleiß beziehungsweise ei ne übermäßige Belastung des Feldsteuerelements 46 auf der Seite des Festkontakts durch den Lichtbogen zu vermeiden, ist das Feldsteuerelement 46 zumindest in dem Bereich B mit der Schicht 50 versehen. Die Schicht 50 ist eine Kontaktschicht, welche gegenüber dem Lichtbogen besonders widerstandsfähig ist .
Dadurch, dass die beispielsweise als Kontaktanpresskraft wir kende Kontaktkraft senkrecht zur Bewegungsrichtung wirkt, wird ein Schwingen des Bewegkontakts ermöglicht beziehungs weise zugelassen, jedoch ohne weitere Lichtbögen zu zünden und somit ohne einen übermäßigen Verschleiß der Kontaktele mente 20 und 22 zu bewirken. Dies ermöglicht wiederum die Verwendung eines kostengünstigen Federantriebs oder eines magnetischen Antriebs, insbesondere in Verbindung mit einer Klemmbuchse. Mit anderen Worten ist es denkbar, dass anstelle des Federantriebs oder zusätzlich zu dem Federantrieb ein magnetischer Antrieb vorgesehen ist, mittels welchem das Kon taktelement 22 aus der Trennstellung T in die Kontaktstellung K bewegbar ist. Bezugs zeichenliste
10 Schalteinrichtung
12 Vakuumschaltröhre
14 Inneres
16 Umgebung
18 Abschirmung
20 Kontaktelernent
22 Kontaktelernent
24 Doppelpfeil
26 Federkontakt
28 Federkontakt
30 Doppelpfeil
32 Mantelfläche
34 Stift
36 Feldsteuerelement
38 Durchgangsöffnung
40 Faltenbalg
42 Isolator
44 Isolator
46 Feldsteuerelement
48 Durchgangsöffnung
50 Schicht
52 Boden
54 Teilchenfalle
56 Federantrieb
58 Dämpfereinrichtung
60 Magneteinrichtung
B Bereich
K KontaktStellung
T Trennstellung
TI Teil
T2 Teil

Claims

Patentansprüche
1. Schalteinrichtung (10) für eine elektrische Vorrichtung, mit wenigstens einer Vakuumschaltröhre (12), in welcher ein erstes Kontaktelement (20) und ein zweites Kontaktelement (22) angeordnet sind, welches entlang einer Bewegungsrichtung (24) zwischen wenigstens einer Trennstellung (T) , in welcher die Kontaktelemente (20, 22) galvanisch voneinander getrennt sind, und wenigstens einer Kontaktstellung (K) , in welcher die Kontaktelemente (20, 22) elektrisch leitend miteinander verbunden sind, relativ zu der Vakuumschaltröhre (12) beweg bar ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
eines der Kontaktelemente (20, 22) wenigstens einen Federkon takt (26, 28) aufweist, welcher in der Kontaktstellung (K) zumindest einen Teil (TI) einer Mantelfläche (32) des anderen Kontaktelements (22) entlang einer schräg oder senkrecht zur Bewegungsrichtung (24) verlaufenden Richtung (30) federnd kontaktiert .
2. Schalteinrichtung (10) nach Anspruch 1,
gekennzeichnet durch
ein dem anderen Kontaktelement (22) zugeordnetes Feldsteue relement (36), wobei das andere Kontaktelement (22) in der Trennstellung (T) entlang der Bewegungsrichtung (24) gegen über dem dem anderen Kontaktelement (22) zugeordneten Feld steuerelement (36) von dem einen Kontaktelement (20) weg zu rückversetzt ist.
3. Schalteinrichtung (10) nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
das dem anderen Kontaktelement (22) zugeordnete Feldsteue relement (36) eine Durchgangsöffnung (38) aufweist, durch welche bei einer Bewegung des zweiten Kontaktelements (22) aus der Trennstellung (T) in die Kontaktstellung (K) das zweite Kontaktelement (22) hindurchbewegbar ist.
4. Schalteinrichtung (10) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass
das dem anderen Kontaktelement (22) zugeordnete und aus einem ersten Werkstoff gebildete Feldsteuerelement (36), insbeson dere in einem sich direkt an die Durchgangsöffnung (38) des dem anderen Kontaktelement (22) zugeordneten Feldsteuerele ments (36) anschließenden Bereich, mit einer aus einem von dem ersten Werkstoff unterschiedlichen zweiten und tempera turwiderstandsfähigen Werkstoff gebildeten Schicht versehen ist .
5. Schalteinrichtung (10) nach einem der vorhergehenden An sprüche,
gekennzeichnet durch
ein dem einen Kontaktelement (20) zugeordnetes Feldsteuerele ment (46), wobei das eine Kontaktelement (20) zumindest in der Trennstellung (T) entlang der Bewegungsrichtung (24) ge genüber dem dem einen Kontaktelement (20) zugeordneten Feld steuerelement (46) von dem anderen Kontaktelement (22) weg zurückversetzt ist.
6. Schalteinrichtung (10) nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
das dem einen Kontaktelement (20) zugeordnete Feldsteuerele ment (46) eine Durchgangsöffnung (48) aufweist, durch welche bei einer Bewegung des zweiten Kontaktelements (22) aus der Trennstellung (T) in die Kontaktstellung (K) das zweite Kon taktelement (22) hindurchbewegbar ist.
7. Schalteinrichtung (10) nach Anspruch 5 oder 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
das dem einen Kontaktelement (20) zugeordnete und aus einem ersten Material gebildete Feldsteuerelement (46), insbesonde re in einem sich direkt an die Durchgangsöffnung (48) des dem einen Kontaktelement (20) zugeordneten Feldsteuerelements (46) anschließenden Bereich (B) , mit einer aus einem von dem ersten Material unterschiedlichen zweiten und temperaturwi derstandsfähigen Material gebildeten Schicht (50) versehen ist .
8. Schalteinrichtung (10) nach einem der vorhergehenden An sprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
in der Kontaktstellung (K) eine entlang der Bewegungsrichtung (24) verlaufende, gegenseitige Kontaktierung der Kontaktele mente (20, 22) unterbleibt.
9. Schalteinrichtung (10) nach einem der vorhergehenden An sprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das andere Kontaktelement (22) einen Stift (34) aufweist, welcher die Mantelfläche (32) bildet.
10. Schalteinrichtung (10) nach einem der vorhergehenden An sprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
an einem Boden (52) der Vakuumschaltröhre (12) wenigstens ei ne Teilchenfalle (54) angeordnet ist.
11. Schalteinrichtung (10) nach einem der vorhergehenden An sprüche,
gekennzeichnet durch
einen Federantrieb (56) und/oder einen magnetischen Antrieb, mittels welchem das zweite Kontaktelement (22) aus der Trenn stellung (T) in die Kontaktstellung (K) relativ zu der Vaku- umschaltröhre (12) entlang der Bewegungsrichtung (24), insbe sondere ballistisch, bewegbar ist.
12. Schalteinrichtung (10) nach einem der vorhergehenden An sprüche,
gekennzeichnet durch
eine Dämpfereinrichtung (58), mittels welchem eine Bewegung des zweiten Kontaktelements (22) in die Kontaktstellung (K) zu dämpfen ist.
13. Schalteinrichtung (10) nach einem der vorhergehenden An sprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass eines der Kontaktelemente (20, 22) als ein Erdungskontakt zur Erdung der Vorrichtung ausgebildet ist.
14. Schalteinrichtung (10) nach einem der vorhergehenden An- Sprüche,
gekennzeichnet durch
eine Magneteinrichtung (60) zum Bereitstellen eines Magnet felds, dessen magnetische Flussdichte entlang der Bewegungs richtung oder senkrecht zur Bewegungsrichtung (24) verläuft.
15. Anlage, mit wenigstens einer elektrischen Vorrichtung, und mit wenigstens einer Schalteinrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei durch Bewegen des zweiten Kontaktelements aus der Trennstellung in die Kontaktstellung wenigstens ein erster elektrischer Kontakt der Vorrichtung über die Kontaktelemente mit wenigstens einem zweiten
elektrischen Kontakt elektrisch verbindbar ist.
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