WO2021190855A1 - Elektrische kurzschliesser-einrichtung für mittel- und hochspannung - Google Patents

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WO2021190855A1 PCT/EP2021/054779 EP2021054779W WO2021190855A1 WO 2021190855 A1 WO2021190855 A1 WO 2021190855A1 EP 2021054779 W EP2021054779 W EP 2021054779W WO 2021190855 A1 WO2021190855 A1 WO 2021190855A1
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Andreas Geisler
Christian Schacherer
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Siemens Energy Global GmbH and Co KG
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    • H01H39/00—Switching devices actuated by an explosion produced within the device and initiated by an electric current
    • H01H39/004—Closing switches

Definitions

  • the invention relates to an electrical short circuit device for medium and high voltage applications, in particular a gas-insulated short circuit device or a short circuit device designed as a vacuum switch.
  • Switching devices are used in electrical power supply networks to separate or close electrical circuits. There are also switching devices, the main task of which is to close the contacts, for example to electrically ground a circuit to protect people. These are referred to, for example, as a short-circuit device, make contact or rapid earth electrode. These terms are used synonymously in the following.
  • the electrical contact is established in the shortest possible time.
  • the electrical contact is closed by a drive in typically> 30 ms, which is due, among other things, to the large contact spacing required due to the voltage.
  • the increased use of power electronic equipment and the increasing demand for a reduction in arc fault performance also makes these short switching times appear too long in the future.
  • the short-circuiting device furthermore comprises a shielding device which at least partially radially surrounds the first contact in the disconnected position.
  • the first contact In the area of its end face facing the second contact, the first contact has a surface area whose distance from the switching axis is at least half as large as the distance between the shielding device and the switching axis and in which the surface of the first contact has a mean radius of curvature at at least one point that is less than 20% of the distance from the switching axis.
  • the mean curvature radius is understood to be the inverse of the mean curvature, which is known to be the arithmetic mean of the main curvatures.
  • the switching axis runs centrally through the first contact in the direction of movement.
  • the switching axis corresponds to the cylinder axis.
  • the switching axis parallel to the direction of movement of the first contact and includes the geometric center of gravity or the center of mass of the first contact.
  • the short-circuit device that is to say the high-speed earth electrode, can be a gas-insulated switch or a vacuum switch.
  • the contacts are a pin-tulip system
  • the first contact can be a pin or a tulip, but preferably the pin, i.e. the contact that is surrounded by the other contact in the closed position. It is possible that the second contact is also moved when changing from the disconnected position to the closed position and vice versa.
  • the shielding device for the first contact expediently has a recess in which the first contact is arranged in the separation position.
  • the recess surrounds the first contact appropriately closely in order to enable the most effective field control possible, i.e. to prevent excessive field increases which would increase the contact distance in the disconnected position.
  • the first contact ie the moving contact
  • the first contact has a surface area whose curvature is significantly higher than that of the rest of the surface and thus generates an arc very quickly when the first contact is moved.
  • this surface area is arranged so far on the outside that its field effect is sufficiently suppressed in the separated position from the shielding device. This avoids the need to increase the contact distance significantly compared to a short-circuit device known from the prior art.
  • the first contact is set in motion by the drive unit.
  • the surface area of the first contact which lies in the area of that end face facing the second contact, moves out almost immediately as a result the effective range of the shield device.
  • the geometry of the surface area which has a location with a significantly increased curvature, causes a high field strength after leaving the shielding effect, which leads to the creation of an arc after a short distance of the first contact. As soon as an arc is present, an initial grounding is carried out.
  • the invention thus provides a short-circuiting device with which a live isolating section can be closed more quickly and / or with as little energy as possible, first electrically and finally galvanically.
  • the embodiment according to claim 1 can be combined with the features of one of the subclaims or preferably also with those from several subclaims. Accordingly, the following features can also be provided for the short-circuiting device: -
  • the first contact can have a cylindrical or rotationally symmetrical, also multiple rotationally symmetrical Hüllflä surface.
  • the first contact can be a full cylinder, in particular with rounded end faces.
  • the first contact can, however, also be a cylinder with a bore along the switching axis, ie tubular.
  • the surface area is expediently arranged so close to the shielding device in the disconnected position that the creation of an arc does not occur, and furthermore in the disconnected position so close to the second contact that when the switch is closed, an arc is created to the second contact in the first surface area .
  • the distance of the surface area from the switching axis be in particular at least 80%, in particular at least 90%, in a particular embodiment at least 95% of the distance of the shielding device from the switching axis.
  • the distance of the surface area denotes the shortest distance from any one of the points of the surface area to the switching axis.
  • the entire surface area has a mean curvature as indicated, i.e. at each of its points.
  • the first contact can have a continuous central opening, in particular in the case of a gas-insulated switch.
  • the first contact can be constructed as a continuously open tube. This advantageously enables a gas to be passed through, which is used to extinguish an arc in the event of a shutdown.
  • the short-circuiting device can be designed in such a way that, during a closing process, the surface area of the first area of the pin, which comes closer to the second contact than the shielding device, is rich.
  • the upper surface area is the highest point of the first contact, i.e. the one closest to the second contact in the disconnected position.
  • the surface area can be closer to the second contact in the disconnected position than the shielding device.
  • the surface area in the separated position, the surface area can already protrude slightly beyond the shielding device in the direction of the second contact. As long as an arc is still avoided in the disconnected position, a further shortening of the closing time is achieved.
  • the surface area can be closer by at least 0.5 mm, in particular by at least 3 mm.
  • the surface area can alternatively be set back from a surface of the shielding device closest to the second contact, so that it is a distance further away from the closest point of the second contact than the pen shield, the length of which corresponds to the reciprocal value of the smallest mean curvature in the surface area . Since the shielding effect of the shielding device on the surface area is particularly intense as a result, a strong curvature in the surface area is made possible which, in turn, causes an electric arc particularly quickly after passing through the shielding device when closing.
  • the surface area can be set back by at least 2 mm, in particular by at least 5 mm.
  • the surface area can have an area which is at least 1% and at most 40% of the cover area of the first contact. In other words, the surface area is not the entire cover surface, but neither is it a surface impurity.
  • the cover surface is preferably assumed to be n * r 2 , where r is the radius of the first contact, even if the actual cover surface does not correspond to a cylinder cover surface.
  • the surface area can be ring-shaped.
  • the surface area can be between 5% and 25% of the top surface of the first contact.
  • the surface that is enclosed by the outer edge of the first contact can also be regarded as the cover surface. This results in the same cover surface, in particular for a full cylinder and a tube of the same diameter.
  • the first contact can have one or more concave or saddle-shaped surface sections in the region of its end facing the second contact.
  • the mean radius of curvature can be a maximum of 15% of the distance from the switching axis, in particular a maximum of 12%. In further refinements, the mean radius of curvature can be at most 10% or at most 5% of the distance between the shielding device and the switching axis.
  • the surface area can be shaped cylindrically symmetrical.
  • the surface area can run around the outer contact edge and a ridge can be formed therein.
  • the surface area can be incoherent and the first contact can be rotationally symmetrical in multiple ways.
  • areas of increased curvature can be built as yakar term projections on the cover surface of the first contact.
  • the first contact is no longer completely rotationally symmetrical, but instead has multiple numbers, for example twelve or twenty.
  • the mean radius of curvature can in one embodiment be a maximum of 3 mm, in particular a maximum of 1 mm, in particular a maximum of 0.5 mm.
  • the surface contour of a cross section through the first contact can have a point of inflection in the surface area.
  • Figure 1 shows a tulip-pin contact system
  • Figures 2 to 6 spatial views and sectional views of further designs for the pin of the tulip-pin contact system.
  • Figure 1 shows a cross section through a tulip-pin contact system 10, which is angeord net in an insulating gas atmosphere and forms part of a high-speed rod according to an embodiment for the invention.
  • the quick earth electrode comprises a tulip 12, a pin screen 14 and a pin 16. All three elements are in their central area, which is used for electrical contact, essentially rotationally symmetrical, that is, cylinder-symmetrical.
  • the pen screen 14 surrounds the pen 16 radially in its rest position, i.e. in the disconnected position of the fastener.
  • the pin 16 is essentially cylindrical and is arranged to be movable along the cylinder axis.
  • the tulip 12 has an open central region 18 into which the pin 16 can immerse to provide a galvanic contact.
  • the tulip has a tulip screen 20 around the central area 18.
  • Tulip shade 20 and pen shade 14 are used for field control and prevent the occurrence of discharges, for example corona discharges or an unwanted arc, when the quick-release earth is in the disconnected position.
  • the contact spacing 26 can be kept smaller.
  • the direction of movement 22 of the pin when closing that is, when establishing a grounding and the closed position 24 of the pin is indicated after the closing process. In the closed position 24, the pin 16 is in mechanical contact with the tulip 12 and thereby establishes the final electrical contact.
  • the contact spacing 26 In order to achieve a short switching time, sufficient drive energy must be available. This increases linearly with the contact mass and quadratically with the speed. Via the speed, the contact spacing 26 thus has a disproportionate influence on the switching time for a given switching time and drive energy. The contact spacing 26 in turn increases with the system voltage. In order to keep the contact spacing 26 as small as possible for a given voltage, the contacts 12, 16 and the shields 14, 20 are normally shaped in such a way that the surface field strength remains as low as possible.
  • the pin 16 has distinctive roundings or curvatures, which means that when the pin 16 emerges from the shield at the greatest possible distance from the tulip 12, a switching arc occurs, which leads to electrical contact and thus to the desired Er dung leads.
  • FIG. 3 A first example of such a geometry of the pin 16 is shown three-dimensionally in FIG.
  • a cross section of the pin 16 is shown in FIG. 3.
  • the pin 16 in FIGS. 2 and 3 is shaped like a cylinder.
  • the end face of the cylinder that points upward in the figures points in the direction of the tulip 12. It has a slight elevation in its center, that is to say it is convex, but with only a slight curvature.
  • the curvature reverses several times and forms a circumferential ridge 28 in a circumferential surface area 25.
  • the pin 16 of this exemplary embodiment is therefore at least in the area of its to the tulip 12 facing end face rotationally symmetrical with respect to the pin axis, which is at the same time the direction of movement of the pin 16 shown in Fig. 1, so the switching axis A.
  • the ridge 28 has a significantly higher curvature in the radial direction shown in FIG. 3 than the rest of the end face of the pin 16. As a result, the electric field strength in its area is significantly higher than in the slightly curved central area of the end face of the pin 16 Since the ridge 28 is located near the outer edge of the pen 16, that is to say close to the pen shield 14, its effect prevents large discharges or an arc from occurring even in the separated position of the high-speed earth electrode, ie the action of the pen shield 14 prevents the ridge 28 requires a significantly larger contact spacing 26. In this case, the upper edge of the ridge 28 is at the same height as the pen screen 14, so it has the same orthogonal distance to the tulip 12.
  • the upper edge of the ridge 28 in the disconnected position can be raised a distance from the pen screen 14, ie closer to the tulip 12 or lowered a distance from the pen screen 14, ie further from the tulip 12 must be removed.
  • Such configurations are used to optimally match the insulation effect and the rapid manufacture of electrical contact.
  • the pin 16 is accelerated towards the tulip 12. Since the ridge 28 is arranged near the outer edge of the pen 16, its distance from the pen screen 14 is small. As the distance of a point of the ridge 28 from the pen screen 14, the shortest distance from the point to any point of the pen screen 14 is considered. Since this distance is small, the movement to the tulip 12, which takes place approximately perpendicular to the respective shortest distance between the ridge 28 and pen screen 14, increases the distance very quickly. This reduces the The shielding effect of the pen screen 14 and the strong field effect of the ridge 28 very quickly lead to the creation of a discharge or an electric arc which starts in the area of the ridge 28.
  • FIGS. 4 and 5 Two further exemplary embodiments for pins 16 are shown in FIGS. 4 and 5.
  • the pin 16 has twelve tooth-like projections 41 on its outer edge.
  • the pin 16 according to FIG. 4 is not completely rotationally symmetrical like that of FIG. 2, but twelve-fold rotationally symmetrical.
  • the projections 41 have radially and azimuthally points of high curvature, which, however, are similar to the ridge 28 near the pen screen 14 and are thereby limited in their field effect in the separated position.
  • a cross section through the pin 16 which includes one of the projections 41, one or more points of inflection are present in the surface contour.
  • the pin 16 according to FIG. 5 has a plurality of projections 51 which, in contrast to the projections 41 according to FIG. 4, are less angular in shape, but are arranged in an analogous manner and have analogous properties.
  • the inner region of the cover surface of the pin 16 is convexly shaped and gently curved towards the tulip 12.
  • FIG. 6 shows a cross section through the pin 16.
  • the pin 16 according to FIG. 6 is tubular.
  • a circumferential ridge 28 is arranged analogously to FIGS. 2 and 3 facing the end of the tube facing 12.
  • projections 41, 51 can also be arranged there.
  • the advantage of using a tubular pin 16 is a reduced mass of the pin 16, which is therefore easier to accelerate for a closing process.
  • the pin 16 can be designed as a continuously open tube. This makes it possible, for a separation process in which the high-speed earth electrode interrupts the electrical contact again, to introduce a gas through the pin, which supports the extinguishing of an arc and thus the separation process.

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Abstract

Elektrische Kurzschließer-Einrichtung für Mittel- und Hochspannung mit einer Röhre einem ersten Kontakt und einem zweiten Kontakt, die in einer Trennstellung der Kurzschließer-Einrichtung voneinander beabstandet sind, einer Antriebseinheit, ausgestaltet, den ersten Kontakt entlang einer zentral durch den ersten Kontakt führenden Schaltachse zum zweiten Kontakt hin zu bewegen und dadurch die Kurzschließer- Einrichtung von der Trennstellung in eine Schließstellung zu bringen, einer Schirmeinrichtung, die den ersten Kontakt in der Trennstellung radial wenigstens teilweise umgibt, bei der der erste Kontakt im Bereich seiner dem zweiten Kontakt zugewandten Endfläche einen Oberflächenbereich aufweist, dessen Abstand von der Schaltachse wenigstens halb so groß ist wie der Abstand der Schirmeinrichtung von der Schaltachse und in dem die Oberfläche des ersten Kontakts an wenigstens einer Stelle einen mittleren Krümmungsradius aufweist, der kleiner als 20% des Abstands von der Schaltachse ist.

Description

Beschreibung
Elektrische Kurzschließer-Einrichtung für Mittel- und Hoch spannung
Die Erfindung betrifft eine elektrische Kurzschließer- Einrichtung für Mittel- und Hochspannungsanwendungen, insbe sondere eine gasisolierte Kurzschließer-Einrichtung oder eine als Vakuumschalter ausgeführte Kurzschließer-Einrichtung.
In elektrischen Energieversorgungsnetzen werden Schaltgeräte eingesetzt, um Stromkreise zu trennen oder zu schließen. Au ßerdem existieren Schaltgeräte, deren Aufgabe in der Hauptsa che das Schließen der Kontakte ist, um beispielsweise einen Stromkreis zum Schutz von Personen elektrisch zu erden. Diese werden beispielsweise als Kurzschließer-Einrichtung, Schlie ßer oder Schnellerder bezeichnet. Diese Begriffe werden im Folgenden synonym verwendet.
Im geöffneten Zustand muss bei diesen Schließern eine ausrei chende Isolation sichergestellt werden, was durch die Geomet rie des Kontaktsystems mit dem Kontaktabstand als einem der Parameter und das Isolationsmedium geschieht. Bei Hochspan nungs-Anwendungen über 145 kV werden heute vorzugsweise Schaltgeräte mit einer Gasisolation zwischen den Kontakten eingesetzt, wobei das Kontaktsystem, bestehend aus Stift und Tulpe, mit zusätzlichen Schirmen zur Feldsteuerung versehen ist.
Für die Schutzfunktion eines Schließers und um eine Beschädi gung des Schaltgerätes zu verhindern, ist es notwendig, dass der elektrische Kontakt in einer möglichst kurzen Zeit herge stellt wird. Bei Hochspannungs-Anwendungen wird der elektri sche Kontakt durch einen Antrieb in typischerweise > 30 ms geschlossen, was unter anderem durch den spannungsbedingt notwendigen großen Kontaktabstand bedingt ist. Der vermehrte Einsatz von leistungselektronischen Betriebsmitteln und die zunehmend geforderte Reduktion der Störlichtbogen-Leistung lässt auch diese kurzen Schaltzeiten zukünftig als zu lang erscheinen .
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine elektrische Kurzschließer-Einrichtung für Mittel- und Hochspannung anzu geben, die kürzere Schließzeiten ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch eine Kurzschließer-Einrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.
Die erfindungsgemäße elektrische Kurzschließer-Einrichtung für Mittel- und Hochspannung umfasst einen ersten Kontakt und einem zweiten Kontakt, die in einer Trennstellung der Kurz- schließer-Einrichtung voneinander beabstandet sind. Weiterhin umfasst die Einrichtung eine Antriebseinheit, die ausgestal tet ist, den ersten Kontakt entlang einer zentral durch den ersten Kontakt führenden Schaltachse insbesondere translato risch zum zweiten Kontakt hin zu bewegen und dadurch die Kurzschließer-Einrichtung von der Trennstellung in eine Schließstellung zu bringen. Die Kurzschließer-Einrichtung um fasst ferner eine Schirmeinrichtung, die den ersten Kontakt in der Trennstellung radial wenigstens teilweise umgibt.
Der erste Kontakt weist im Bereich seiner dem zweiten Kontakt zugewandten Endfläche einen Oberflächenbereich auf, dessen Abstand von der Schaltachse wenigstens halb so groß ist wie der Abstand der Schirmeinrichtung von der Schaltachse und in dem die Oberfläche des ersten Kontakts an wenigstens einer Stelle einen mittleren Krümmungsradius aufweist, der kleiner als 20% des Abstands von der Schaltachse ist. Dabei wird un ter dem mittleren Krümmungsradius das Inverse der mittleren Krümmung verstanden, die bekanntermaßen das arithmetische Mittel der Hauptkrümmungen ist.
Die Schaltachse führt zentral in der Bewegungsrichtung durch den ersten Kontakt. Im Falle eines zylindrischen oder rotati onssymmetrischen, also zylindersymmetrischen Kontakts ent spricht die Schaltachse der Zylinderachse. Bei anderen Formen ist die Schaltachse parallel zur Bewegungsrichtung des ersten Kontakts und umfasst den geometrischen Schwerpunkt oder den Massenmittelpunkt des ersten Kontakts.
Bei der Kurzschließer-Einrichtung, also dem Schnellerder, kann es sich um einen gasisolierten Schalter oder einen Vaku um-Schalter handeln. Handelt es sich bei den Kontakten um ein Stift-Tulpe-System, dann kann es sich beim ersten Kontakt um Stift oder Tulpe handeln, bevorzugt aber um den Stift, d.h. um denjenigen Kontakt, der in der Schließstellung vom anderen Kontakt umgeben ist. Dabei ist es möglich, dass der zweite Kontakt bei Wechsel von der Trennstellung zur Schließstellung und umgekehrt ebenfalls bewegt wird.
Die Schirmeinrichtung für den ersten Kontakt weist zweckmäßig eine Aussparung auf, in der der erste Kontakt in der Trenn stellung angeordnet ist. Die Aussparung umgibt dabei den ers ten Kontakt zweckmäßig eng, um eine möglichst effektive Feld steuerung zu ermöglichen, d.h. Feldüberhöhungen zu verhin dern, die den Kontaktabstand in Trennstellung erhöhen würden.
Vorteilhaft weist der erste Kontakt, also der bewegte Kon takt, einer so gestalteten Kurzschließer-Einrichtung einen Oberflächenbereich auf, dessen Krümmung deutlich höher ist als die der restlichen Oberfläche und dadurch sehr schnell einen Lichtbogen erzeugt, wenn der erste Kontakt bewegt wird. Gleichzeitig ist aber dieser Oberflächenbereich so weit außen angeordnet, dass seine Feldwirkung in der Trennstellung von der Schirmeinrichtung ausreichend unterdrückt wird. Dadurch wird vermieden, dass der Kontaktabstand deutlich erhöht wer den müsste gegenüber einer aus dem Stand der Technik bekann ten Kurzschließer-Einrichtung.
Soll der Schnellerder also den elektrischen Kontakt herstei len, wird der erste Kontakt durch die Antriebseinheit in Be wegung gesetzt. Der Oberflächenbereich des ersten Kontakts, der im Bereich derjenigen Endfläche liegt, die dem zweiten Kontakt zugewandt ist, bewegt sich dadurch nahezu sofort aus dem Wirkbereich der Schirm-Einrichtung heraus. Die Geometrie des Oberflächenbereichs, der einen Ort mit deutlich erhöhter Krümmung aufweist, bewirkt nach Verlassen der Schirmwirkung eine hohe Feldstärke, die schon nach einer kurzen Wegstrecke des ersten Kontakts zur Entstehung eines Lichtbogens führt. Sobald ein Lichtbogen vorhanden ist, ist eine erste Erdung vorgenommen .
Für die Erfindung wurde erkannt, dass eine deutlich erhöhte Krümmung in einem Bereich nahe der Schirmeinrichtung angeord net werden kann, ohne den Kontaktabstand deutlich erhöhen zu müssen, da die Schirmeinrichtung die krümmungsbedingte Erhö hung des elektrischen Feldes abschwächt. Sobald beim Schließ vorgang der erste Oberflächenbereich den Wirkbereich der Schirmeinrichtung verlässt, wird die krümmungsbedingte Erhö hung des elektrischen Feldes wirksam und fördert die Entste hung eines Lichtbogens zum zweiten Kontakt. Der Lichtbogen entsteht dadurch deutlich früher als bei einer herkömmlichen krümmungsarmen Kontaktform, obwohl bei solchen bekannten Kon taktformen die Kontaktmitte in der Trennstellung sogar näher am zweiten Kontakt sein kann als der Oberflächenbereich bei der erfindungsgemäßen Kurzschließer-Einrichtung.
Somit stellt die Erfindung eine Kurzschließer-Einrichtung be reit, mit der eine unter Spannung stehende Trennstecke schneller und/oder mit möglichst wenig vorzuhaltender Energie zuerst elektrisch und schließlich galvanisch geschlossen wer den kann.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Kurz- schließer-Einrichtung gehen aus den von Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen hervor. Dabei kann die Ausführungsform nach An spruch 1 mit den Merkmalen eines der Unteransprüche oder vor zugsweise auch mit denen aus mehreren Unteransprüchen kombi niert werden. Demgemäß können für die Kurzschließer- Einrichtung noch zusätzlich folgende Merkmale vorgesehen wer den: - Der erste Kontakt kann eine zylinderförmige oder rotations symmetrische, auch mehrzählig rotationssymmetrische Hüllflä che haben. Beispielsweise kann der erste Kontakt ein Vollzy linder sein, insbesondere mit abgerundeten Endflächen. Der erste Kontakt kann aber auch ein Zylinder mit Bohrung entlang der Schaltachse sein, d.h. rohrförmig.
- Der Oberflächenbereich ist zweckmäßig in der Trennstellung so nahe an der Schirmeinrichtung angeordnet, dass die Entste hung eines Lichtbogens unterbleibt, und weiterhin in der Trennstellung so nahe am zweiten Kontakt angeordnet, dass bei einem Schließvorgang des Schalters ein Lichtbogen zum zweiten Kontakt im ersten Oberflächenbereich entsteht.
- Der Abstand des Oberflächenbereichs von der Schaltachse be trägt insbesondere wenigstens 80%, insbesondere wenigstens 90%, in einer besonderen Ausgestaltung wenigstens 95% des Ab stands der Schirmeinrichtung von der Schaltachse. Dabei be zeichnet der Abstand des Oberflächenbereichs die kürzeste Entfernung von einem beliebigen der Punkte des Oberflächenbe reichs zu der Schaltachse.
- Es ist möglich, dass der gesamte Oberflächenbereich eine mittlere Krümmung wie angegeben aufweist, d.h. an jedem sei ner Punkte.
- Der erste Kontakt kann eine durchgängige zentrale Öffnung aufweisen, insbesondere bei einem gasisolierten Schalter. Mit anderen Worten kann der erste Kontakt als durchgängig offenes Rohr aufgebaut sein. Das ermöglicht vorteilhaft das Durchlei ten eines Gases, das zum Löschen eines Lichtbogens bei einem Abschaltvorgang dient.
- Die Kurzschließer-Einrichtung kann so gestaltet sein, dass bei einem Schließvorgang der Oberflächenbereich der erste Be reich des Stifts ist, der dem zweiten Kontakt näher kommt als die Schirmeinrichtung. Mit anderen Worten ist dann der Ober- flächenbereich der höchste Punkt des ersten Kontakts, also der dem zweiten Kontakt in Trennstellung nächstgelegene.
- Der Oberflächenbereich kann in Trennstellung dem zweiten Kontakt näher liegen als die Schirmeinrichtung. Anders formu liert kann der Oberflächenbereich in Trennstellung bereits leicht über die Schirmeinrichtung in Richtung zum zweiten Kontakt herausragen. Solange ein Lichtbogen in Trennstellung noch vermieden wird, wird dadurch eine weitere Verkürzung der Schließzeit erreicht. Beispielsweise kann der Oberflächenbe reich um wenigstens 0,5 mm näher liegen, insbesondere um we nigstens 3 mm.
- Der Oberflächenbereich kann alternativ gegenüber einer dem zweiten Kontakt nächstliegenden Oberfläche der Schirmeinrich tung zurückgesetzt sein, sodass er um eine Strecke weiter entfernt von einer nächstliegenden Stelle des zweiten Kon takts liegt als der Stiftschirm, deren Länge dem Reziprokwert der kleinsten mittleren Krümmung im Oberflächenbereich ent spricht. Da dadurch die Schirmwirkung der Schirmeinrichtung auf den Oberflächenbereich besonders intensiv ist, wird eine starke Krümmung im Oberflächenbereich ermöglicht, die wiede rum besonders schnell nach Passieren der Schirmeinrichtung beim Schließen einen Lichtbogen bewirkt. Beispielsweise kann der Oberflächenbereich um wenigstens 2 mm zurückgesetzt sein, insbesondere um wenigstens 5 mm.
- Der Oberflächenbereich kann eine Fläche aufweisen, die we nigstens 1 % und höchstens 40 % der Deckelfläche des ersten Kontakts beträgt. Mit anderen Worten handelt es sich bei dem Oberflächenbereich nicht um die gesamte Deckelfläche, aber auch nicht um eine Oberflächenunreinheit. Als Deckelfläche wird bevorzugt n*r2 angenommen, wobei r der Radius des ersten Kontakts ist, auch wenn die tatsächliche Deckelfläche nicht einer Zylinder-Deckelfläche entspricht. In einer besondere Ausgestaltung kann der Oberflächenbereich ringförmig sein. In weiteren Ausgestaltungen kann der Oberflächenbereich zwischen 5 % und 25 % der Deckfläche des ersten Kontakts betragen. Als Deckelfläche kann auch diejenige Fläche angesehen werden, die von dem äußeren Rand des ersten Kontakts umschlossen wird. Damit ergibt sich insbesondere für einen Vollzylinder und ein Rohr desselben Durchmessers dieselbe Deckelfläche.
- Der erste Kontakt kann im Bereich seines dem zweiten Kon takt zugewandten Endes einen oder mehrere konkave oder sat telförmige Oberflächenabschnitte aufweisen.
- Der mittlere Krümmungsradius kann höchstens 15% des Ab stands von der Schaltachse betragen, insbesondere höchstens 12%. In weiteren Ausgestaltungen kann der mittlere Krümmungs radius höchstens 10% oder höchstens 5% des Abstands der Schirmeinrichtung von der Schaltachse betragen.
- Der Oberflächenbereich kann zylindersymmetrisch geformt sein. Beispielsweise kann der Oberflächenbereich den äußeren Kontaktrand umlaufen und darin ein Grat gebildet sein.
- Alternativ kann der Oberflächenbereich unzusammenhängend sein und der erste Kontakt mehrzählig rotationssymmetrisch. Beispielsweise können Bereiche erhöhter Krümmung als zahnar tige Vorsprünge auf der Deckelfläche des ersten Kontakts auf gebaut sein. Dadurch ist der erste Kontakt nicht mehr voll ständig rotationssymmetrisch, sondern stattdessen mehrzählig, beispielsweise zwölfzählig oder 20-zählig.
- Der mittlere Krümmungsradius kann in einer Ausgestaltung höchstens 3 mm betragen, insbesondere höchstens 1 mm, insbe sondere höchstens 0,5 mm.
- Die Oberflächenkontur eines Querschnitts durch den ersten Kontakt kann im Oberflächenbereich einen Wendepunkt aufwei- sen. Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und er läutert.
Es zeigen schematisch:
Figur 1 ein Tulpe-Stift-Kontaktsystem,
Figuren 2 bis 6 räumliche Ansichten und Schnittbilder von weiteren Ausführungen für den Stift des Tulpe-Stift- Kontaktsystems.
Figur 1 zeigt einen Querschnitt durch ein Tulpe-Stift- Kontaktsystem 10, das in einer Isoliergasatmosphäre angeord net ist und einen Teil eines Schnellerders gemäß einer Aus führungsform für die Erfindung bildet.
Der Schnellerder umfasst eine Tulpe 12, einen Stiftschirm 14 und einen Stift 16. Alle drei Elemente sind in ihrem Zentral bereich, der der elektrischen Kontaktierung dient, im Wesent lichen rotationssymmetrisch, also zylindersymmetrisch ausge führt. Der Stiftschirm 14 umgibt den Stift 16 radial in sei ner Ruheposition, d.h. in der Trennstellung des Schneller ders.
Der Stift 16 ist im Wesentlichen zylindrisch und entlang der Zylinderachse beweglich angeordnet. Für die Bewegung zur Tul pe 12 hin ist ein Antrieb vorhanden. Die Tulpe 12 weist einen offenen Zentralbereich 18 auf, in den der Stift 16 zum Her stellen eines galvanischen Kontaktes eintauchen kann. Um die sen Zentralbereich 18 herum weist die Tulpe einen Tulpen schirm 20 auf. Tulpenschirm 20 und Stiftschirm 14 dienen der Feldsteuerung und verhindern das Entstehen von Entladungen z.B. Koronaentladungen bzw. eines ungewollten Lichtbogens, wenn sich der Schnellerder in Trennstellung befindet. Dadurch kann der Kontaktabstand 26 geringer gehalten werden. In Figur 1 ist weiterhin die Bewegungsrichtung 22 des Stifts beim Schließen, also bei Herstellung einer Erdung und die Schließstellung 24 des Stifts nach dem Schließvorgang ange deutet. In der Schließstellung 24 steht der Stift 16 in me chanischem Kontakt mit der Tulpe 12 und stellt dadurch den endgültigen elektrischen Kontakt her.
Um eine kurze Schaltzeit zu erreichen, muss eine ausreichende Antriebsenergie verfügbar sein. Diese steigt linear mit der Kontaktmasse und quadratisch mit der Geschwindigkeit an. Über die Geschwindigkeit hat der Kontaktabstand 26 somit bei einer gegebenen Schaltzeit und Antriebsenergie überproportionalen Einfluss auf die Schaltzeit. Der Kontaktabstand 26 wiederum steigt mit der Systemspannung an. Um den Kontaktabstand 26 bei einer gegebenen Spannung möglichst gering zu halten, sind die Kontakte 12, 16 und die Schirmungen 14, 20 normalerweise so geformt, dass die Oberflächenfeldstärke möglichst gering bleibt.
Zum anderen weist der Stift 16 markante Rundungen oder Krüm mungen auf, was dazu führt, dass beim Heraustreten des Stifts 16 aus der Schirmung bei einem möglichst großen Abstand zur Tulpe 12 bereits ein Schaltlichtbogen entsteht, was zu einer elektrischen Kontaktierung und somit zu der gewünschten Er dung führt.
Ein erstes Beispiel für eine derartige Geometrie des Stifts 16 ist räumlich in Figur 2 dargestellt. Einen Querschnitt des Stifts 16 zeigt die Figur 3. Der Stift 16 der Figuren 2 und 3 ist zylinderartig geformt. Die in den Figuren nach oben wei sende Endfläche des Zylinders weist in Richtung der Tulpe 12. Sie weist in ihrer Mitte eine leichte Erhebung auf, ist also konvex, aber mit nur geringer Krümmung.
Zum Außenrand der Endfläche hin kehrt sich die Krümmung mehr fach um und bildet in einem umlaufenden Oberflächenbereich 25 einen umlaufenden Grat 28 aus. Der Stift 16 dieses Ausfüh rungsbeispiels ist also zumindest im Bereich seiner zur Tulpe 12 hingewandten Endfläche rotationssymmetrisch bzgl. der Stiftachse, die gleichzeitig die in Fig. 1 dargestellte Bewe gungsrichtung des Stifts 16 ist, also die Schaltachse A.
Der Grat 28 weist in der radialen Richtung, die in Figur 3 dargestellt ist, eine erheblich höhere Krümmung auf als der Rest der Endfläche des Stifts 16. Dadurch ist die elektrische Feldstärke in seinem Bereich deutlich höher als im schwach gekrümmten Mittelbereich der Endfläche des Stifts 16. Da sich der Grat 28 nahe dem Außenrand des Stifts 16, also nahe am Stiftschirm 14 befindet, verhindert dessen Wirkung jedoch, dass große Entladungen bzw. ein Lichtbogen schon in Trenn stellung des Schnellerders entsteht, d.h. die Wirkung des Stiftschirms 14 verhindert, dass durch den Grat 28 bedingt ein deutlich vergrößerter Kontaktabstand 26 nötig ist. Der obere Rand des Grats 28 befindet sich dabei in diesem Bei spiel auf gleicher Höhe wie der Stiftschirm 14, weist also denselben orthogonalen Abstand zur Tulpe 12 auf.
In alternativen Ausgestaltungen kann je nach Auslegung des Schnellerders der obere Rand des Grats 28 in Trennstellung um eine Strecke gegenüber dem Stiftschirm 14 erhöht sein, d.h. näher an der Tulpe 12 liegen oder um eine Strecke gegenüber dem Stiftschirm 14 abgesenkt sein, d.h. weiter von der Tulpe 12 entfernt sein. Solche Ausgestaltungen dienen der optimalen Abstimmung zwischen Isolationswirkung und schneller Herstel lung eines elektrischen Kontakts.
Wird ein Schließvorgang des Schnellerders eingeleitet, dann wird der Stift 16 zur Tulpe 12 hin beschleunigt. Da der Grat 28 nahe dem Außenrand des Stifts 16 angeordnet ist, ist sein Abstand zum Stiftschirm 14 gering. Als Abstand eines Punktes des Grats 28 vom Stiftschirm 14 wird dabei der kürzeste Ab stand von dem Punkt zu irgendeinem Punkt des Stiftschirms 14 betrachtet. Da dieser Abstand gering ist, vergrößert die Be wegung zur Tulpe 12, die in etwa senkrecht zu der jeweiligen kürzesten Strecke zwischen Grat 28 und Stiftschirm 14 statt findet, den Abstand sehr schnell. Dadurch verringert sich die Schirmwirkung des Stiftschirms 14 schnell und die starke Feldwirkung des Grats 28 führt sehr schnell zur Entstehung einer Entladung bzw. eines Lichtbogens, der seinen Ausgang im Bereich des Grats 28 nimmt.
Es wird also genutzt, dass ein Oberflächenbereich mit starker Krümmung wie der Grat 28, der sehr nahe am Stiftschirm 14 an geordnet ist, in sehr kurzer Strecke von einer ausreichenden Abschirmung zu einer vollen Feldwirkung gelangen kann.
Zwei weitere Ausführungsbeispiele für Stifte 16 zeigen die Figuren 4 und 5. In diesen Ausführungsbeispielen ist kein durchgängiger Grat 28 geformt. Stattdessen weist in dem Bei spiel gemäß Figur 4 der Stift 16 zwölf zahnartige Vorsprünge 41 auf seinem Außenrand auf. Dadurch ist der Stift 16 gemäß Figur 4 nicht vollständig rotationssymmetrisch wie derjenige der Figur 2, sondern zwölfzählig rotationssymmetrisch. Die Vorsprünge 41 weisen radial und azimutal Stellen hoher Krüm mung auf, die aber analog zum Grat 28 nahe dem Stiftschirm 14 liegen und dadurch in der Trennstellung in ihrer Feldwirkung von diesem begrenzt werden. In einem Querschnitt durch den Stift 16, der einen der Vorsprünge 41 einschließt, sind einer oder mehrere Wendepunkte in der Oberflächenkontur vorhanden.
Der Stift 16 gemäß Figur 5 weist eine Mehrzahl von Vorsprün gen 51 auf, die im Gegensatz zu den Vorsprüngen 41 gemäß Fi gur 4 weniger kantig geformt sind, aber analog angeordnet sind und analoge Eigenschaften aufweisen.
In allen drei Ausführungsbeispielen gemäß Figur 2, 4 und 5 ist der Innenbereich der Deckelfläche des Stifts 16 konvex geformt und sanft zur Tulpe 12 hin gewölbt. Es ist alternativ auch möglich, die Deckelfläche des Stifts 16 konkav zu formen und eine Wölbung von der Tulpe 12 weg zu formen.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel zeigt Figur 6. Figur 6 stellt dabei einen Querschnitt durch den Stift 16 dar. Der Stift 16 gemäß Figur 6 ist rohrförmig aufgebaut. Am der Tulpe 12 zugewandten Ende des Rohrs ist analog zu den Figuren 2 und 3 ein umlaufender Grat 28 angeordnet. Alternativ können auch Vorsprünge 41, 51 dort angeordnet sein. Vorteilhaft an der Verwendung eines rohrförmigen Stifts 16 ist eine verringerte Masse des Stifts 16, der dadurch leichter zu beschleunigen ist für einen Schließvorgang. Weiterhin kann der Stift 16 als durchgängig offenes Rohr gestaltet sein. Dadurch ist es mög lich, für einen Trennvorgang, in dem der Schnellerder die elektrische Kontaktierung wieder unterbricht, ein Gas durch den Stift einzuleiten, das die Löschung eines Lichtbogens und damit den Trennvorgang unterstützt.
Bezugszeichenliste
10 Tulpe-Stift-Kontaktsystem
12 Tulpe
14 Stiftschirm
16 Stift
18 Aussparung
20 Tulpenschirm
22 Bewegungsrichtung
24 Schließstellung
25 Oberflächenbereich
26 Kontaktabstand WP Wendepunkt
28 Grat
41, 51 Vorsprünge r Radius A Schaltachse

Claims

Patentansprüche
1. Elektrische Kurzschließer-Einrichtung für Mittel- und Hochspannung mit
- einer Röhre einem ersten Kontakt (16) und einem zweiten Kontakt (12), die in einer Trennstellung der Kurzschließer- Einrichtung voneinander beabstandet sind,
- einer Antriebseinheit, ausgestaltet, den ersten Kontakt (16) entlang einer zentral durch den ersten Kontakt führenden Schaltachse (A) zum zweiten Kontakt (12) hin zu bewegen und dadurch die Kurzschließer-Einrichtung von der Trennstellung in eine Schließstellung zu bringen,
- einer Schirmeinrichtung (14), die den ersten Kontakt (16) in der Trennstellung radial wenigstens teilweise umgibt, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kontakt (16) im Bereich seiner dem zweiten Kontakt (12) zugewandten Endfläche einen Oberflächenbereich (25) auf weist,
- dessen Abstand von der Schaltachse (A) wenigstens halb so groß ist wie der Abstand der Schirmeinrichtung (14) von der Schaltachse (A),
- in dem die Oberfläche des ersten Kontakts an wenigstens ei ner Stelle einen mittleren Krümmungsradius aufweist, der kleiner als 20% des Abstands von der Schaltachse (A) ist.
2. Elektrische Kurzschließer-Einrichtung nach Anspruch 1, bei der der Oberflächenbereich (25)
- in der Trennstellung so nahe an der Schirmeinrichtung (14) angeordnet ist, dass die Entstehung von starken Entladungen unterbleibt, und
- in der Trennstellung so nahe am zweiten Kontakt (12) ange ordnet ist, dass bei einem Schließvorgang der Kurzschließer- Einrichtung ein Lichtbogen zum zweiten Kontakt (12) im ersten Oberflächenbereich (25) entsteht.
3. Elektrische Kurzschließer-Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der der erste Kontakt (16) eine durchgängige zentrale Öffnung aufweist.
4. Elektrische Kurzschließer-Einrichtung nach einem der vo rangehenden Ansprüche, bei der bei einem Schließvorgang der Oberflächenbereich (25) der erste Bereich des ersten Kontakts (16) ist, der dem zweiten Kontakt (12) näher kommt als die Schirmeinrichtung (14).
5. Elektrische Kurzschließer-Einrichtung nach einem der vo rangehenden Ansprüche, bei der der Oberflächenbereich (25) in Trennstellung dem zweiten Kontakt (12) näher liegt als die Schirmeinrichtung (14), insbesondere um wenigstens 0,5 mm.
6. Elektrische Kurzschließer-Einrichtung nach einem der An sprüche 1 bis 4, bei dem der Oberflächenbereich (25) gegen über einer dem zweiten Kontakt (12) nächstliegenden Oberflä che der Schirmeinrichtung (14) zurückgesetzt ist, sodass er um eine Strecke weiter entfernt von einer nächstliegenden Stelle des zweiten Kontakts (12) liegt als die Schirmeinrich tung (14), deren Länge dem Reziprokwert der kleinsten mittle ren Krümmung im Oberflächenbereich (25) entspricht, insbeson dere wenigstens 0,5 mm.
7. Elektrische Kurzschließer-Einrichtung nach einem der vo rangehenden Ansprüche, bei der der Oberflächenbereich (25) eine Fläche aufweist, die wenigstens 1 % und höchstens 40 % der Deckelfläche des ersten Kontakts (16) beträgt, insbeson dere zwischen 5 % und 25 %.
8. Elektrische Kurzschließer-Einrichtung nach einem der vo rangehenden Ansprüche, bei der der erste Kontakt (16) im Be reich seines dem zweiten Kontakt (12) zugewandten Endes einen oder mehrere konkave Oberflächenabschnitte aufweist.
9. Elektrische Kurzschließer-Einrichtung nach einem der vo rangehenden Ansprüche, bei der der mittlere Krümmungsradius höchstens 15% des Abstands von der Schaltachse (A) beträgt, insbesondere höchstens 12%.
10. Elektrische Kurzschließer-Einrichtung nach einem der vo rangehenden Ansprüche, bei der der Abstand des Oberflächenbe reichs (25) von der Schirmeinrichtung (14) höchstens 50%, insbesondere höchstens 30%, in einer besonderen Ausgestaltung höchstens 10% des Abstands der Schirmeinrichtung (14) von der Schaltachse (A) beträgt.
11. Elektrische Kurzschließer-Einrichtung nach einem der vo rangehenden Ansprüche, bei der der erste Kontakt (16) rotati onssymmetrisch geformt ist.
12. Elektrische Kurzschließer-Einrichtung nach einem der An sprüche 1 bis 10, bei der der Oberflächenbereich (25) unzu sammenhängend ist und der erste Kontakt (16) mehrzählig rota tionssymmetrisch ist.
13. Elektrische Kurzschließer-Einrichtung nach einem der vo rangehenden Ansprüche, bei der der mittlere Krümmungsradius höchstens 3 mm, insbesondere höchstens 0,5 mm beträgt.
14. Gasisolierter Schalter nach einem der vorangehenden An sprüche.
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