Beschreibung

Die Erfindung betrifft gasisolierte Schaltanlagen (GIS) für den Hochspannungsbereich, insbesondere betrifft sie einen Schnellerder für eine Hochspannungsschaltanlage mit einem mit Isoliergas, beispielsweise SF ₆ , gefüllten und unter Druck stehenden, hermetisch verschlossenen Gehäuse, in welchem wenigstens ein aus einem festen und einem beweglichen Kontaktstück mit einem Stellantrieb gebildetes Kontaktpaar sowie elektrische Leiter angeordnet sind, welche gegen das Schaltergehäuse isoliert sind.

Durch Schäden, Fehlbedienung oder außergewöhnliche Betriebsbedingungen bedingt, können Fehlerzustände innerhalb der Kapselung von Schaltanlagen auftreten beziehungsweise entstehen, die in seltenen Fällen zu einem Störlichtbogen und somit zu einer Gefährdung von Mensch und Material führen.

Derartige Fehlerzustände gilt es dringend zu vermeiden, mit denen ein derartiger Fehlerzustand schnellstmöglich, das heißt, bevor ein größerer Schaden resultiert, beendet werden kann.

Dazu werden Schnellerder, auch als Schnellkurzschließer, Schnellerdungsschalter oder Erdungsschalter bezeichnet, eingesetzt, dessen Kontaktstücke mit möglichst hoher Geschwindigkeit geschlossen werden, wobei der Schnellerder gegen einen Kurzschlussstrom schalten soll.

Schnellkurzschließer sind in der Niederspannungs- und Mittelspannungstechnik in verschiedenen Variationen bekannt. Dabei werden unterschiedliche Verfahren angewendet, um einen Kurzschlussstrom nach einer möglichst kurzen Zeit sicher gegen Erde abzuleiten. Damit soll erreicht werden, dass ein Lichtbogen, der in einer Anlage entstanden ist, verlöscht, der Kurzschluss über sichere Anlagenkomponenten geleitet wird und dann über einen Leistungsschalter abgeschaltet werden kann. Da der Lichtbogen nach dem Kurzschließen gegen Erde verlöscht, werden keine weiteren Schäden in der Anlage verursacht.

Zu diesem Zweck wurden bereits für den Einsatz bei Mittelspannungs-Schaltanlagen für Spannungen bis 30 kV, bei welchen üblicherweise Vakuum-Schaltkammern zum Einsatz kommen, neue ultraschnelle Erdungsschalter, auch UFES (Ultra Fast Earthing Switch) genannt, entwickelt.

Bei den bekannten Anlagen besteht dieser ultraschnelle Erdungsschalter aus drei Primärschaltelementen und einer elektronischen Erfassungs- und Auslöseeinheit. Das Primärschaltelement hat die Abmessungen, die Form und die Befestigungspunkte ähnlich eines 24-kV-lsolierstützers und beinhaltet eine in Epoxidharz umweltgeschützt eingebettete Doppel-Vakuumschaltkammer sowie einen integrierten ultraschnellen MikroGasgenerator-Kolbenantrieb.

Aus dielektrischer Sicht enthält jede Vakuum-Schaltkammer zwei Vakuumstrecken, die durch eine Membran getrennt sind. In die erste Vakuumstrecke hineinragend befindet sich ein auf Erdpotential liegender Kontaktstift, der fest mit dem Antriebskolben verbunden ist. Die zweite Vakuumstrecke enthält die auf Hochspannungspotenzial liegende Festkontaktbuchse. Jedes Primärschaltelement ist zudem mit einem integrierten ultraschnellen Mikro-Gasgenerator ausgestattet, der den beweglichen Kolben samt Kontaktstift zum Schaltvorgang antreibt. Dieser Mikro-Gasgenerator ähnelt in Art und Funktion den Gasgeneratoren von Kraftfahrzeug-Airbags.

Kommt es in einer derart ausgestatteten Mittelspannungs-Schaltanlage zu einem internen Störlichtbogen, erfasst die Elektronik über Stromwandler den Fehlerstrom sowie über optische Sensoren das Licht des Lichtbogens im Schottraum und aktiviert nahezu gleichzeitig den Gasgenerator.

Der erzeugte Gasdruck treibt den beweglichen Kolben in die erste Teilkammer. Der Kontaktstift durchstößt die Membran und verrastet daraufhin dauerhaft, prellfrei und robust mit dem Festkontakt. Es entsteht ein solider metallischer Kurzschluss gegen Erde, der einen entstandenen Störlichtbogen zum Verlöschen bringt. Als wesentlicher Nachteil der bekannten Anordnungen erweist sich die Schwierigkeit, derartige Anordnungen in Hochspannungs-Schaltanlagen mit Spannungen von 50 bis 500 kV einzubauen, was im Wesentlichen mit der dort erforderlichen größeren Isolierfestigkeit zusammenhängt.

So beruht der ultraschnelle Erdungsschalter in der Mittelspannungstechnik beispielsweise auf der Isolation mittels Vakuumtechnik. Deren Anwendung bereitet nur im unteren Spannungsbereich bis maximal 42 kV keine größeren Probleme.

Bei höheren Spannungen sind entweder nicht gewünschte Baugrößen zwecks Einhaltung der erforderlichen Isolierabstände erforderlich oder aber eine andere Technologie, welche dann bei raumsparender Bauweise dennoch die gewünschte schnelle Abschaltung beim Auftreten von Fehlerzuständen herbeiführt.

Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung eine Hochspannungsschaltanlage der eingangs genannten Art anzugeben, die eine Schnellabschaltung beim Auftreten von Fehlerzuständen auf möglichst einfache Weise zuverlässig ermöglicht.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Demgemäß ist eine Hochspannungsschaltanlage mit einem mit Isoliergas, beispielsweise SF ₆ , gefüllten, unter Druck stehenden, hermetisch verschlossenen Schaltergehäuse vorgesehen, dass einen gemeinsamen Gasraum bildet, in welchem wenigstens ein aus einem festen und einem beweglichen Kontaktstück mit einem Stellantrieb gebildetes Kontaktpaar sowie elektrische Leiter angeordnet sind. Das Kontaktpaar sowie die elektrischen Leiter sind gegen das Schaltergehäuse isoliert. Als Stellantrieb des beweglichen Kontaktstückes ist erfindungsgemäß eine Auslöseeinheit vorgesehen, die einen Gasgenerator aufweist, der mit einem Zündgerät (32) zusammenarbeitet. Das im gemeinsamen Gasraum angeordnete Kontaktpaar arbeitet als Ultraschnell-Kurzschließer, der auch als UFES (ultra fast earthing switch) bezeichnet wird.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird das Isoliergas der Schaltanlage auch in dem gemeinsamen Gasraum verwendet, das heißt, die im gemeinsamen Gasraum vorgesehene vom festen und beweglichen Kontaktstück gebildete Kontaktstelle ist in einem mit dem Schaltergehäuse gasdicht verbundenen Gasraum angeordnet. Die erfindungsgemäße Hochspannungsschaltanlage ist dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktstelle, die als Erdungsschalter dient, bei Auftreten eines definierten Fehlerzustandes von einem Antrieb beaufschlagbar ist, der bei Auftreten eines definierten Fehlerzustandes auslöst und durch Schließen der Kontaktstelle, also dem Ineinandergreifen des beweglichen Kontaktstückes in das feste Kontaktstück, einen Kurzschluss zwischen dem Leistungspotential und Erdpotential herbeiführt. Erfindungsgemäß ist dazu wie vorab erwähnt eine Auslöseeinheit vorgesehen, die einen Gasgenerator aufweist, der mit einem Zündgerät zusammenarbeitet.

Entsprechend einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist eine Erfassungseinheit zur Detektion von Fehlerzuständen in dem Schaltergehäuse vorgesehen, die mit einer Auslöseeinheit zusammenarbeitet, welche den Antrieb zur Ansteuerung der Kontaktstelle aufnimmt. Die Auslöseeinheit ist dazu mit dem Gasgenerator ausgestattet, der seinerseits mit dem Zündgerät zusammenarbeitet, welches im Auslösefall den Gasgenerator startet.

In vorteilhafter Weiterbildung der Hochspannungs-Schaltanlage ist ferner vorgesehen, dass die Kontaktstelle als Kolben-Zylinder-Anordnung mit einem in Ruhestellung mit Erdpotential verbundenem Kolben ausgebildet ist, welcher in Auslösestellung einen auf Leistungspotential liegenden Gegenkontakt, der vom feststehenden Kontaktstück gebildet ist, kontaktiert.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass im Falle der Auslösung durch das Zündgerät der Gasgenerator einen Gasdruck erzeugt, der den beweglichen Kolben der Kontaktstelle auf den auf Leistungspotential liegenden Gegenkontakt beschleunigt und sich mit diesem elektrisch leitend verbindet.

Hierbei erzeugt der Gasgenerator infolge der Auslösung durch das Zündgerät eine explosionsartige Druckerhöhung des Arbeitsgases, welches den in einem mit Erdpotential verbundenen Zylinder geführten Kolben derart beschleunigt, dass der Kolben wie ein Geschoß auf einen hülsenartigen Gegenkontakt auftrifft und mit diesem sich formschlüssig verbindet.

Entscheidend ist hierbei, dass die kinetische Energie aus dem Kolben bei einer formschlüssigen Verbindung durch eine geeignete Umformung abgebaut wird. Durch die sehr schnelle Bewegung des Kolbens der Kontaktstelle und die damit einhergehende Kontaktierung des auf Leistungspotential liegenden hülsenartigen Gegenkontakts, wobei der bewegliche Kolben weiterhin mit Erdpotential verbunden ist, wird so ein Kurzschluss zwischen Erdpotential und Leistungspotential herbeigeführt, wodurch wiederum der die Auslösung verursachende Lichtbogen im Schaltergehäuse zum Erlöschen kommt.

Gemäß einer zweckmäßigen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Hochspannungs- Schaltanlage ist der mit dem Schaltergehäuse gasdicht verbundene Gasraum, in welchem die Kontaktstelle angeordnet ist, als separat am Schaltergehäuse angeordnetes Gehäuse vorgesehen.

Hierbei erweist sich die Ausgestaltung des mit dem Schaltergehäuse gasdicht verbundenen Gasraums als separates Gehäuse als besonders vorteilhaft, da hierdurch das nach jeder Aktivierung, das heißt Auslösung, erforderliche Auswechseln des Gasgenerators vereinfacht ist, weil hierdurch das Öffnen nur eines vergleichsweise kleinen Gehäuse- und damit Gasvolumens und dessen Ersatz für das Auswechseln des Gasgenerators erforderlich ist.

Diese und weitere vorteilhafte Merkmale sowie Vorteile und Verbesserungen sind Gegenstand der weiteren Ansprüche.

Anhand eines in der beigefügten Zeichnung schematisch gezeigten Ausführungsbeispiels sollen die Erfindung, besondere vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen der Erfindung sowie besondere Vorteile der Erfindung näher erläutert und beschrieben werden.

Es zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch einen Gasraum mit einer als Ultraschnell-Kurzschließer dienenden Kontaktstelle in Ruhestellung, welcher mit einem hier nicht näher gezeigten Schaltergehäuse gasdicht verbunden ist; einen schematischen Längsschnitt durch den Gasraum gemäß Fig.1 nach erfolgter Auslösung. Fig. 1 zeigt einen schematischen Längsschnitt durch ein geerdetes Gehäuse 10, das mit einem hier nicht näher gezeigten Schaltergehäuse einer Hochspannungs- Schaltanlage einen gemeinsamen gasdicht verbundenen Gasraum 12 bildet, in welchem eine als Ultraschnell-Kurzschließer dienende Kontaktstelle 14 angeordnet ist; die sich in Ruhestellung befindet.

Die Kontaktstelle 14 besteht aus einer Kolben-Zylinder-Anordnung mit einem Zylinder 16 und einem darin längsbeweglich angeordneten Kolben 18 als beweglichen Kontakt 20 sowie aus einem festen Kontakt 22, der nachfolgend beschrieben ist.

Hierbei liegt, wie bereits angesprochen, die Kolben-Zylinder-Anordnung auf Erdpotential, das heißt, der Zylinder 16 ist permanent mit dem Erdpotential verbunden, wobei der Kolben 18 ebenfalls über die Zylinderwand und über eine weitere Kontaktstelle 23 mit Erdpotential leitend verbunden ist, das heißt, trotz dessen Gleitmöglichkeit im Zylinder 16 ist eine ausreichende Kontaktierung mit der Zylinderwand gewährleistet.

Koaxial mit dem Kolben 18 ist hierzu im Abstand als fester Gegenkontakt eine Aufnahmehülse 22 angeordnet, die das feste Kontaktstück 22 bildet. Die Aufnahmehülse ist mittels einer scheibenförmigen Halterung 24 aus Isoliermaterial im Anschlussquerschnitt des geerdeten Gehäuses 10 zum Schaltergehäuse der Hochspannungs- Schaltanlage positioniert und gegenüber der auf Erdpotential liegenden Gehäusewandung 26 isoliert. Dieser feste Gegenkontakt 22 ist seinerseits mit einem hier nicht näher gezeigten Leiter auf Leistungspotential, zum Beispiel Sammelschiene, im Schaltergehäuse der Hochspannungs-Schaltanlage verbunden.

Gemäß der schematischen Darstellung in Fig. 1 ist unterhalb des vom Kolben 18 gebildeten beweglichen Kontakts 20 und innerhalb oder in Verlängerung des Zylinders 16 ein Gasgenerator 28 angeordnet, der seinerseits über eine gasdicht aus dem Gasraum 12 herausgeführte Leitung 30 mit einem Zündgerät 32 verbunden ist.

Das Zündgerät 32 ist wiederum mit einer im hier nicht gezeigten Schaltergehäuse der Hochspannungs-Schaltanlage angeordneten, hier ebenfalls nicht dargestellten Detekti- onseinheit verbunden, welche dazu vorgesehen ist, bei Auftreten eines Fehlerzustandes, zum Beispiel ein Lichtbogen, im Schaltergehäuse umgehend das Zündgerät anzusteuern, welches dann sofort den Gasgenerator 28 startet. In Fig. 2 sind gleiche Teile jeweils mit den entsprechenden bereits in Fig. 1 verwendeten Bezugsziffern versehen. Darin ist die gleiche Anordnung wie in Fig. 1 gezeigt jedoch im ausgelösten Zustand, das heißt nach erfolgter Auslösung. Dabei ist das vom Kolben 18 gebildete bewegliche Kontaktstück 20 infolge Beaufschlagung durch den Gasgenerator 28 aus seinem Führungszylinder soweit herausgetreten, dass es den Kontakt mit dem festen Kontaktstück 22 schließt.

Hierzu dient eine vom Gasgenerator 28 erzeugte Gasmenge an Arbeitsgas, die vom Zündgerät entzündet worden ist und sich explosionsartig ausdehnt, um infolge des hierdurch verursachten Druckstoßes den beweglichen, mit Erdpotential verbundenen Kolben 18 in Richtung der als Festkontakt 22 oder festes Kontaktstück dienenden Aufnahmehülse 22 zu beschleunigen. Dabei verbindet sich der als bewegliches Kontaktstück 20 dienende Kolben 18 formschlüssig mit der als Festkontakt 22 dienenden Aufnahmehülse 22 und erzeugt hierdurch einen kontrolliert herbeigeführten Kurzschluss zwischen Leistungspotential und Erdpotential.

Der infolge dieses Kurzschlusses fließende Kurzschlussstrom lässt einen im Schaltergehäuse der Hochspannungsschaltanlage entstandenen Lichtbogen, der die Auslösung des Schnell-Kurzschließers herbeigeführt hat, umgehend erlöschen, so dass eine unerwünschte Beschädigung der betreffenden Schaltkammer beziehungsweise des Schaltergehäuses vermieden wird. Der Kurzschlussstrom wird dann über einen Leistungsschalter unterbrochen.

Vorteilhafterweise kann der erfindungsgemäße ultraschnelle Erdungsschalter (UFES) in dem separaten kleinen Gasraum untergebracht sein, um bei einem Austausch nach einem erfolgten Auslösen die notwendigen Gasarbeiten auf ein Minimum zu beschränken. Unter dem Begriff „Gasarbeiten" sind alle Maßnahmen zu verstehen, die für die Wiederherstellung der Funktion des Schnellerdungsschalters notwendig sind und eine seither unumgängliche Öffnung des Schaltergehäuses der Hochspannungs- Schaltanlage erforderlich machen.

Erfindungsgemäß ist deshalb vorgesehen, den Gasgenerator 28 von außen zugänglich zu machen, so dass auch ein turnusmäßiger Austausch bei einer anzunehmenden Lebensdauer heutiger Generatoren von etwa 15 Jahren möglich ist, ohne in den Gasraum 12 eingreifen zu müssen. Jeder Eingriff in den gemeinsamen Gasraum 12 bedeutet erheblichen Aufwand in Bezug auf die Sicherung des umweltschädlichen Isoliergases und der anschließenden Wiederherstellung der Dichtheit des Schaltergehäuses der Hochspannungs- Schaltanlage. Dies kann sicher erreicht werden durch zusätzliche Dichtungen 25, mit welchen der Gasgenerator 28 versehen ist.

Zusätzlich kann der bewegliche Kontakt 20 durch eine geeignete mechanische Sicherung in Position gehalten werden, um zu verhindern, dass Vibrationen zum ungewollten Einschalten führen. Die mechanische Sicherung ist dabei so ausgelegt, dass sie im Falle einer Auslösung des Gasgenerators aufgebrochen oder aufgehoben wird.

Bezuqszeichen liste

geerdetes Gehäuse Gasraum Kontaktstelle Zylinder Kolben beweglicher Kontakt, bewegliches

Kontaktstück fester Kontakt, Gegenkontakt, festes Kontaktstück weitere Kontaktstelle scheibenförmige Halterung (isolierte Kontakt-Durchführung) Gehäusewandung Gasgenerator Leitung Zündgerät