Kurzschließereinrichtung, Umrichter und Verfahren zum Kurz schließen

Die Erfindung betrifft eine elektrische Kurzschließereinrich tung mit einem feststehenden und einem beweglichen Kontakt stück, wobei die Kontaktstücke in einer Grundstellung vonei nander beabstandet sind und in einer Kurzschlussstellung mit einander elektrisch leitend verbunden sind, einem Antrieb zum Überführen des beweglichen Kontaktstücks von der Grundstel lung in die Kurzschlussstellung und einer Auslöseeinrichtung zum Auslösen des Antriebs.

Die Erfindung betrifft weiterhin einen Umrichter, insbesonde re einen Multilevel-Umrichter, der mindestens eine derartige elektrische Kurzschließereinrichtung aufweist.

Ferner betrifft die Erfindung ein entsprechendes Verfahren zum Kurzschließen von Kontaktstücken .

Insbesondere bei Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung im Rahmen der Energieverteilung und Übertragung werden Multile vel-Umrichter verwendet, die aus in Reihe geschalteten Leis tungsbausteinen bestehen. Fällt ein Leistungsbaustein durch einen Fehler aus, so muss dieser schnellstmöglich überbrückt werden, da es ansonsten zum Versagen der gesamten Anlage kom men kann. Das Überbrücken des Leistungsbausteins findet mit tels einer Kurzschließereinrichtung statt.

Im Stand der Technik sind Kurzschließereinrichtungen bekannt. Das Dokument DE 1 094 864 B beschreibt eine Kurzschließerein richtung mit mehreren symmetrisch bzw. sternförmig angeordne ten feststehenden Kontaktstücken und einem beweglichen, mit einem Energiespeicher verbundenen Kontaktstück zur Überbrü ckung von Störlichtbögen in elektrischen Mittel- oder Hoch spannungsanlagen. Zum Auslösen der Kurzschließereinrichtung ist ein Schlag auf einen Stift vorgesehen, der mit einem An- ker eines Haltemagneten gekoppelt ist, wobei der Anker unter der Wirkung einer Abreißfeder steht. Die Kurzschließerein richtung wird dann ausgelöst, wenn der Haltemagnet entregt wird .

Eine Kurzschließereinrichtung mit einer ähnlichen Auslöseein- richtung wird ebenfalls in der DE 10 2007 018 344 Al be schrieben. Die Auslöseeinrichtung umfasst einen Permanentmag neten, ein weichmagnetisches Joch, das mit dem Permanentmag neten verbunden ist, einen mit einem unter Zug stehenden Be wegungskontaktbolzen verbundenen Anker und eine Elektrospule . Durch zweckmäßiges Bestromen der Elektrospule kommt es zur Schwächung der Kraft des Permanentmagneten, so dass es zum Abreißen des Ankers vom weichmagnetischen Joch beziehungswei se vom Permanentmagneten kommt.

Bei solchen Auslöseeinrichtungen gibt es die Herausforderung, dass sie eventuell anfällig für Störmagnetfelder sind, wodurch es zu einem ungewollten Auslösen kommen kann.

Mit Blick auf ein möglichst schnelles Überbrücken werden in der Regel pyrotechnisch betriebene Kurzschließereinrichtungen verwendet, wie beispielsweise in der DE 10 2015 203 645 Al offenbart .

Bei pyrotechnisch betriebenen Kurzschließereinrichtungen be steht aufgrund des pyrotechnischen Antriebs die Herausforde rung, dass für deren Einsatz die national unterschiedlichen Importregeln, Sprengstoffgesetze und weitere regulatorische Vorgaben berücksichtigt werden müssen.

Es ist die Aufgabe der Erfindung eine elektrische Kurzschlie ßereinrichtung, einen Umrichter und ein Verfahren anzugeben, die ein möglichst schnelles und sicheres Kurzschließen erlau ben. Insbesondere soll bei der Kurzschließereinrichtung auf einen pyrotechnischen Antrieb verzichtet werden und die Aus löseeinrichtung der Kurzschließereinrichtung soll weiterhin ohne einen Permanentmagneten auskommen. Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch die Merkmale der unab hängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Erfindungsgemäß ist eine elektrische Kurzschließereinrichtung mit einem feststehenden und einem beweglichen Kontaktstück vorgesehen, wobei die Kontaktstücke in einer Grundstellung voneinander beabstandet sind und in einer Kurzschlussstellung miteinander elektrisch leitend verbunden sind, mit einem An trieb zum Überführen des beweglichen Kontaktstücks von der Grundstellung in die Kurzschlussstellung und mit einer Auslö- seeinrichtung zum Auslösen des Antriebs. Es ist vorgesehen, dass die Auslöseeinrichtung zum Auslösen einen elektrisch an getriebenen Aktor umfasst.

Bei der erfindungsgemäßen elektrischen Kurzschließereinrich tung ist also vorgesehen, dass der Aktor der Auslöseeinrich tung elektrisch angetrieben ist. Dies bedeutet, dass für die Erzeugung der mechanischen Bewegung des Aktors ein elektri scher Antrieb eingesetzt wird. Ein solcher Aktor weist sehr schnelle Auslösezeiten auf. Da kein Permanentmagnet in der Auslöseeinheit eingesetzt wird, ist die Kurzschließereinrich tung auch nicht anfällig für magnetische Störfelder, wodurch ein sicheres Auslösen ermöglicht wird. Mit der erfindungsge mäßen elektrischen Kurzschließereinrichtung können Schließ zeiten t von t < 2 ms erreicht werden.

Eine derart aufgebaute elektrische Kurzschließereinrichtung eignet sich dann insbesondere für den Einsatz bei elektri schen Mittel- und Hochspannungsanlagen, beispielsweise in ei nem Umrichter.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vor gesehen, dass der Aktor einen feststehenden Stator und einen entlang einer Bewegungsachse linear beweglichen Läufer um fasst, wobei der Stator eine erste Spule umfasst und der Läu fer für eine Wechselwirkung mit der ersten Spule eine zweite Spule umfasst, der Stator und der Läufer entlang der Bewe gungsachse angeordnet sind, die beiden Spulen zueinander pa rallel ausgerichtet sind und beide Spulen zumindest bezüglich ihrer Wechselwirkung aktiv bestrombare Luftspulen sind. Damit die elektrische Kurzschließereinrichtung kurze Schließzeiten aufweist, ist es natürlich auch von Vorteil, wenn die Auslö- seeinrichtung besonders schnell ist. Dafür eignet sich der beschriebene Aktor besonders gut. Die beiden Spulen können derart bestromt werden, dass sie sich gegenseitig abstoßen. Das Bestromen führt in den Spulen jeweils zu einem Magnet feld. Die wechselseitig durch die Wechselwirkung zwischen dem Spulenmagnetfeld der einen Spule und dem Strom in der anderen Spule erzeugte Lorentzkraft führt dazu, dass sich die Spulen abstoßen. Da es sich um Luftspulen handelt, weisen sie keinen weichmagnetischen Kern auf und besitzen im Vergleich zu Spu len mit weichmagnetischem Kern relativ kleine Induktivitäten. Die Kraft eines solchen Aktors wirkt auch, wenn sich der Strom in der Spule nur langsam ändert und somit über die ge samte Zeit in der die Spulen bestromt werden. Durch Verzicht auf weichmagnetisches Material sinkt die Induktivität des Ak tors, wodurch der Stromanstieg im Aktor schneller erfolgen kann. Ein schneller Stromanstieg führt zu einem schnellen Kraftanstieg. Somit eignet sich der Aktor besonders gut, um ein schnelles Auslösen der Kurzschließereinrichtung zu ermög lichen .

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfin dung umfasst die Auslöseeinrichtung eine Sperrmechanik zum Sperren des Antriebs, wobei der Antrieb durch Lösen der

Sperrmechanik mittels des elektrisch angetriebenen Aktors auslösbar ist. Die Verwendung einer derartigen Auslöseein richtung ermöglicht ein besonders schnelles Überführen des beweglichen Kontaktstücks .

Bevorzugt umfasst der Aktor einen Druckstößel zum Lösen der Sperrmechanik. Dieser Druckstößel löst also beim Auslösen die Sperrmechanik (Verklinkung) . Dabei überträgt der Druckstößel die Kraft des Aktors und löst die Sperrmechanik der Kurz- Schließereinrichtung. Bevorzugt wird der Druckstößel in sei ner Bewegung geführt, so dass eine kontrollierte Bewegung des Druckstößels erfolgt. Die Sperrmechanik weist bevorzugt eine Sperrklinke auf. Diese Sperrklinke ist das eigentliche Sper relement der Sperrmechanik. Besonders bevorzugt wirkt der Druckstößel dabei direkt auf die Sperrklinke der Sperrmecha nik.

Zur Lieferung der Energie, die der Antrieb benötigt, um das bewegliche Kontaktstück von der Grundstellung in die Kurz schlussstellung zu überführen, ist ein Energiespeicher vorge sehen .

Grundsätzlich kann dafür jede Art von Energiespeicher in Fra ge kommen, wie beispielsweise ein chemischer oder ein

elektrischer Energiespeicher.

Insbesondere ist vorgesehen, dass der Antrieb zu seiner Ener gieversorgung einen mechanischen Energiespeicher umfasst. Ein mechanischer Energiespeicher, wie beispielsweise eine Feder anordnung mit zumindest einer Feder, insbesondere eine Tel lerfeder, hat den Vorteil, dass keine pyrotechnischen Sub stanzen verwendet werden, womit sich die Zulassung verein facht und die Sicherheit erhöht. Des Weiteren sind mechani sche Energiespeicher langlebig und robust. Sie können im Ge gensatz zu pyrotechnischen Mitteln relativ einfach wieder mit Energie versehen werden und somit wiederverwendet werden.

Die Federanordnung wird von dem Sperrmechanismus vorgespannt. Zum Auslösen kann beispielsweise vorgesehen sein, dass schon ein verhältnismäßig geringer Druck auf ein Sperrelement des Sperrmechanismus, zum Beispiel die bereits erwähnte Sperr klinke, dazu führt, dass sich der Sperrmechanismus löst und die Federanordnung freigibt. So ist ein schnelles und siche res Schließen der Kurzschließereinrichtung gewährleistet.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfin dung umfasst die Kurzschließereinrichtung einen elektrisch isolierenden Mantel, der das feststehende und das bewegliche Kontaktstück ummantelt. Für den Fall eines Kurzschlusses oder eines zwischen den Kontaktstücken auftretenden Lichtbogens kann durch das isolierende Gehäuse die Sicherheit stark er höht werden. So kann beispielsweise eine Ausbreitung des Lichtbogens durch das isolierende Gehäuse verhindert werden.

Bevorzugt verjüngt sich das bewegliche Kontaktstück in Rich tung des feststehenden Kontaktstücks konusförmig und fährt bei Erreichen der Kurzschlussstellung in einen formkomplemen tären Abschnitt des feststehenden Kontaktstücks ein. Hier durch findet ein zuverlässiges elektrisches Kurzschließen statt .

Mit Blick auf eine Wiederverwendung nach erfolgter Kurz schließung umfasst die Kurzschließereinrichtung bevorzugt ei nen Rückzugstab, um das bewegliche Kontaktstück von der Kurz schlussstellung in die Grundstellung zu überführen und den Energiespeicher (wieder) mit Energie zu beliefern. Durch Zug am Rückzugstab kann das bewegliche Kontaktstück in seine Grundstellung überführt werden. Gleichzeitig wird der Ener giespeicher wieder mit Energie versehen. Für den Fall der Verwendung einer Federanordnung als Energielieferer, wird die zumindest eine Feder durch Zug am Rückzugstab aus ihrer Ruhe lage ausgelenkt und beispielsweise in ihren vorgespannten Zu stand versetzt.

Bei dem erfindungsgemäßen Umrichter ist vorgesehen, dass der Umrichter mindestens eine vorstehend genannte Kurzschließer einrichtung aufweist. Insbesondere handelt es sich bei dem Umrichter um einen Multilevel-Umrichter . Bezüglich der Vor teile eines solchen Umrichters sei auf die zuvor beschriebene KurzSchließereinrichtung verwiesen .

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Kurzschließen eines feststehenden Kontaktstücks mit einem beweglichen Kontakt stück, bei dem ein mittels einer Auslöseeinrichtung ausgelös ter Antrieb das bewegliche Kontaktstück von einer Grundstel- lung, bei der die Kontaktstücke voneinander beabstandet sind, in eine Kurzschlussstellung, bei der die Kontaktstücke mitei nander elektrisch leitend verbunden sind, überführt, ist vor gesehen, dass das Auslösen der Kurzschließereinrichtung über einen elektrisch angetriebenen Aktor der Auslöseeinrichtung erfolgt .

Das Verfahren sieht in der Regel eine Bestromung des

elektrisch angetriebenen Aktors vor, um die Kurzschließerein richtung auszulösen. Die Bestromung des Aktors führt dazu, dass ein beweglicher Teil des Aktors eine Bewegung ausführt, die den Antrieb auslöst. Dadurch wird das bewegliche Kontakt stück von der Grundstellung in die Kurzschlussstellung über führt. Der elektrisch angetriebene Aktor ist besonders schnell und wenig anfällig für Störmagnetfelder. Die Kurz schließereinrichtung lässt sich durch dieses Verfahren beson ders schnell und sicher auslösen.

Alle im Zusammenhang mit der Kurzschließereinrichtung be schriebenen Ausführungsformen sollen entsprechend auch im Zu sammenhang mit dem Verfahren zum Kurzschließen der Kontakt stücke zu verstehen sein.

Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung sche matisch in Zeichnungen gezeigt und nachfolgend näher be schrieben. Dabei zeigt die

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer elektrischen

Kurzschließereinrichtung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 2 eine Schnittdarstellung durch die elektrische Kurz schließereinrichtung gemäß einer konkreten bevor zugten Ausführungsform und

Fig. 3 eine Schnittdarstellung durch den Aktor der

elektrischen Kurzschließereinrichtung gemäß der konkreten bevorzugten Ausführungsform der Erfin dung .

Die Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung einer

elektrischen Kurzschließereinrichtung 10 gemäß einer bevor zugten Ausführungsform der Erfindung. Die Kurzschließerein richtung 10 ist ein Kurzschlussschalter, der ein feststehen des Kontaktstück 12 und ein bewegliches Kontaktstück 14 auf weist. In einer Grundstellung (links dargestellte Stellung I) sind die beiden Kontaktstücke 12,14 voneinander beabstandet. Ferner weist die Kurzschließereinrichtung 10 einen Antrieb 16 zum Überführen, genauer gesagt zum Verschieben, des bewegli chen Kontaktstücks 14 von seiner Grundstellung in eine Kurz schlussstellung (rechts dargestellte Stellung II), in der das bewegliche Kontaktstück 14 elektrisch leitend mit dem fest stehenden Kontaktstück 12 verbunden ist. Um den Antrieb 16 auszulösen weist die Kurzschließereinrichtung 10 eine

elektrisch auslösbare Auslöseeinrichtung 18 auf. Die Auslö- seeinrichtung 18 umfasst ihrerseits eine Sperrmechanik 20 mit einer Sperrklinke 22 und einen elektrisch angetriebenen Aktor 24.

Die Vorgänge beim Schließen der elektrischen Kurzschließer einrichtung 10 sind wie folgt: Der elektrisch angetriebene Aktor 24 betätigt die Sperrklinke 22 der Sperrmechanik 20, was den Antrieb 16 auslöst. Der Antrieb 16 überführt das be wegliche Kontaktstück 14 von seiner Grundstellung (Stellung I) in die Kurzschlussstellung (Stellung II), in der das be wegliche Kontaktstück 14 mit dem feststehenden Kontaktstück 12 elektrisch leitend verbunden ist.

Die Figur 2 zeigt eine Schnittdarstellung durch die elektri sche Kurzschließereinrichtung 10 gemäß einer konkreten Aus führungsform. Hierbei ist insbesondere zu erkennen, dass der Antrieb 16 zu seiner Energieversorgung einen mechanischen Energiespeicher 26 aufweist, der im gezeigten Beispiel als Federanordnung 28, genauer gesagt als ein Tellerfederstapel, ausgebildet ist. Die entsprechenden Tellerfedern sind jeweils wechselsinnig Aufeinandergestapelt . Der so gebildete Stapel kann auch als Reihenschaltung von Tellerfedern bezeichnet werden. Das bewegliche Kontaktstück 14 befindet sich in der Grundstellung (Stellung I aus Fig. 1), was heißt, dass sich die Tellerfedern in einem vorgespannten Zustand befinden. Das bewegliche Kontaktstück 14 ist mit einem Rückzugstab 30 ver bunden. Der Rückzugstab 30 führt mittig durch die Federanord nung 28 und ist mit der Sperrmechanik 20 wirkverbunden. Die Vorspannung der Federanordnung 28 ist über den Rückzugstab 30 an die Sperrmechanik 20 angebunden, die die Vorspannung in der Grundstellung hält. Der Rückzugstab 30 ist dafür mit ei nem Zwischenelement 32 verbunden, das sich an einer Seite der Federanordnung 28 abstützt und diese im vorgespannten Zustand hält, also zusammendrückt. Nachdem die Kurzschließereinrich tung 10 ausgelöst wurde, befindet sich das bewegliche Kon taktstück 14 in der Kurzschlussstellung (die der Stellung II aus Fig. 1 entspricht) und die Federanordnung 28 ist nicht mehr im vorgespannten Zustand oder in einem weniger vorge spannten Zustand (nicht gezeigt) . Über Zug am Rückzugstab 30 kann das bewegliche Kontaktstück 14 wieder von der Kurz schlussstellung in die (in Fig. 2 gezeigte) Grundstellung überführt werden und die Federanordnung 28 in den vorgespann ten Zustand versetzt werden.

Der elektrisch angetriebene Aktor 24 weist einen Druckstößel 34 auf, der beim Auslösen der Kurzschließereinrichtung 10 auf die Sperrmechanik 20 wirkt. Der Druckstößel 34 wirkt dabei auf die Sperrklinke 22 der Sperrmechanik 20. Im vorgespannten Zustand der Federanordnung 28 verhindert die Sperrklinke 22, dass die Federanordnung 28 ihren vorgespannten Zustand ver lässt. Erst durch Druck des Druckstößels 34 auf die Sperr klinke 22 löst sich die Sperrmechanik 20 und gibt die Feder anordnung 28 frei. Der Aktor 24, die Sperrmechanik 20, der Rückzugstab 30, die Federanordnung 28, sowie das bewegliche Kontaktstück 14 und das feststehende Kontaktstück 12 befinden sich alle auf einer Achse, nämlich einer Bewegungsachse 36 des Druckstößels 34 des Aktors 24, die im Übrigen auch mit der Bewegungsachse des beweglichen Kontaktstücks 14 und des Rückzugstabs 30 zusammenfällt.

Die Federanordnung 28 ist von einem Gehäuse 38 umgeben, in welches ebenfalls die Auslöseeinrichtung 18 integriert ist.

Am oberen Ende des Gehäuses 38 befindet sich ein kontaktie rendes Element 40 das mittels Schrauben 42 am Gehäuse 38 be festigt ist. Das kontaktierende Element 40 weist mittig eine Öffnung auf, in der sich das bewegliche Kontaktstück 14 be findet. In seiner Grundstellung schließt das bewegliche Kon taktstück 14 formschlüssig mit dem kontaktierenden Element 40 ab. Das bewegliche Kontaktstück 14 verjüngt sich in Richtung des feststehenden Kontaktstücks 12 konusförmig, so dass es bei Erreichen der Kurzschlussstellung in einen formkomplemen tären Abschnitt des feststehenden Kontaktstücks 12 einfahren kann. Des Weiteren weist das bewegliche Kontaktstück 12 einen Kontaktstückfortsatz 44 auf, der sich bis etwa zum Zwischen element 32 des Rückzugstabs 30 erstreckt. In der Kurzschluss stellung verbindet dieser Kontaktstückfortsatz 44 das beweg liche Kontaktstück 14 mit dem kontaktierenden Element 40 lei tend. Das feststehende Kontaktstück 12 ist mittels einer Schraubvorrichtung 46 an einem Abschlussstück 48 befestigt. Das Abschlussstück 48 bildet das obere Ende der Kurzschließe reinrichtung 10. Durch das Abschlussstück 48 ist das festste hende Kontaktstück 12 mit einem elektrisch isolierenden Man tel 50 verbunden. Der Mantel 50 bildet den seitlichen Ab schluss der Kurzschließereinrichtung 10. Das feststehende Kontaktstück 12, das bewegliche Kontaktstück 14, sowie die Auslöseeinrichtung 18 und der Antrieb 16 sind alle vom elektrisch isolierenden Mantel 50 ummantelt. Das Gehäuse 38 wird im Bereich der Auslöseeinrichtung formschlüssig vom Man tel 50 umgeben. Am unteren Ende steht das Gehäuse 38 über den Mantel 50 über und erstreckt sich radial nach außen. An die ser Verlängerung des Gehäuses 38 ist mit Schrauben 42 ein Ringelement 52 befestigt, das den Mantel 50 von außen um schließt. In den unteren Bereich des Gehäuses 38 ist ein Ge häuseboden 54 integriert, an dem der Aktor 24 befestigt ist. Obwohl die einzelnen Bauelemente des Aktors 24 bereits hier in Figur 2 erkennbar sind, sollen sie erst im Zusammenhang mit der Figur 3 diskutiert werden.

Die Figur 3 zeigt eine Schnittdarstellung des Aktors 24, der Teil der Auslöseeinrichtung 18 ist. Der Aktor 24 weist einen Stator 56 und einen Läufer 58 auf. Der Läufer 58 ist mit dem Druckstößel 34 verbunden, der durch ein Anschlagelement 60 hindurchreicht. Das Anschlagelement 60 ist über Verbindungs elemente 62 mit dem Stator 56 verbunden. Der Stator 56 be steht aus einem Statorgrundkörper 64 zur Aufnahme einer ers ten Spule 68. Der Läufer 58 besteht ebenfalls aus einem Läu fergrundkörper 70 und einer zweiten Spule 72. Der Läufer grundkörper 70 weist zwei Bereiche 74, 76 auf. Der erste Be reich 74 dient zur Aufnahme der zweiten Spule 72, und der zweite Bereich 76 zur Versteifung des ersten Bereichs 74. Die Spulen 68, 72 sind als Flachspulen ausgebildet, wobei jeweils zwei Spulenpakete übereinander liegen. Auf der dem Druckstö ßel 34 gegenüberliegenden Seite des Läufers 58 weist dieser einen Läuferfortsatz 78 auf, mit dem er in eine Ausnehmung des Stators 56 eingreift. Über den Druckstößel 34 und auch über den Läuferfortsatz 78 ist der Läufer 58 in seiner Bewe gung geführt.

Bei Betätigung der Kurzschließereinrichtung 10 ergibt sich folgende Funktion:

Die beiden Spulen 68, 72 sind zumindest bezüglich ihrer Wech selwirkung miteinander als Luftspulen anzusehen. Die Wirkung des Aktors 24 basiert daher alleine auf der Lorentzkraft, die wechselseitig durch die Wechselwirkung zwischen dem Spulen magnetfeld der einen Spule 68, 72 und dem Strom in der ande ren Spule 68, 72 und umgekehrt erzeugt wird.

Zum Bewegen des Druckstößels 34 werden die Spulen 68, 72 gleichzeitig derart aktiv bestromt, dass sie einander gegen seitig abstoßen. Da der Stator 56 mit der ersten Spule 68 be züglich des Aktors 24 feststehend ist, wird der Läufer 58 mit der zweiten Spule 72 entlang der Bewegungsachse 36 in Rieh- tung des Anschlagelements 60 (in der Figur nach oben) ver schoben. Mit dem Läufer 58 bewegt sich auch der als Betäti gungselement dienende Druckstößel 34 in diese Richtung.