Schaltvorrichtung

TECHNISCHES GEBIET

Bei der Erfindung wird ausgegangen von einer Schaltvorrichtung nach dem gemeinsamen Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 2. Eine derartige Schaltvorrichtung wird bevorzugt in einem Hochspannungsnetz verwendet und dient dort bevorzugt dem Schalten grosser Ströme mit hoher Steilheit der wiederkehrenden Spannung.

STAND DER TECHNIK

Die Erfindung nimmt auf einen Stand der Technik Bezug, wie er etwa in US 4.087,664 A angegeben ist. Eine in diesem Stand der Technik beschriebene Schaltvorrichtung für ein Hochspannungsnetz enthält zwei Stromanschlüsse, zwischen denen in Serie liegend ein Druckgasschalter mit SF ₆ als Löschgas und ein Vakuumschalter angeordnet sind. Der Vakuumschalter ist derart ausgebildet, dass er sowohl Nenn- als auch Kurzschlussströme führen und schalten kann. Ein solcher Vakuumschalter ist daher sehr aufwendig. Zudem wird der Vakuumschalter separat und synchronisiert zum Druckgas¬ schalter angetrieben. Da der Vakuumschalter einen wesentlich kleineren Hub als der Druckgasschalter hat, ergibt sich so zusätzlich ein erheblicher Aufwand für den Antrieb und die Steuerung des Vakuumschalters. Zudem benötigt der Vakuumschalter eine sehr hohe Kontaktandruckkraft, um im Einschaltzustand ein vorzeitiges Abheben seiner gegebenenfalls von Kurzschlussstrom durchflossenen Elektroden zu verhindern.

KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Der Erfindung, wie sie in den unabhängigen Patentansprüchen 1 und 2 angegeben ist, liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltvor¬ richtung der eingangs genannten Art anzugeben, die mit geringem Aufwand hergestellt und betrieben werden kann und die dennoch grosse Ströme mit hoher Steilheit der wiederkehrenden Spannung zu unterbrechen vermag.

Die Schaltvorrichtung nach der Erfindung zeichnet sich durch praktisch wartungsfreien Betrieb und hervorragendes Schaltvermö¬ gen aus. Da an den mindestens einen Vakuumschalter keine grossen Anforderungen hinsichtlich der Abschaltleistung und der Dauer¬ strombelastbarkeit gestellt werden, kann die erfindungsgemässe Schaltvorrichtung zudem äusserst kostengünstig hergestellt werden. Der mindestens eine Vakuumschalter kann ein in der Mittelspannungstechnik in grossen Stückzahlen verwendetes und daher besonders preiswertes Serienprodukt sein. Dies ist dadurch bedingt, dass der mindestens eine Vakuumschalter im Nebenschluss zu einer Nennstrombahn des Druckgasschalters liegt und daher bei Nennstrombetrieb allenfalls einen geringen Bruchteil des durch die Schaltvorrichtung fliessenden Nennstroms führt. Erst oberhalb eines bestimmten Kurzschlussstromwertes wird der Vakuumschalter der erfindungsgemässen Schaltvorrichtung in den nun Kurz¬ schlussstrom führenden Strompfad kommutiert. Der durch den Vakuumschalter fliessende hohe Kurzschlussstrom erzeugt starke elektrodynamische Kräfte, welche die Elektroden des Vakuum¬ schalters auseinandertreiben und so den Kurzschlussstrom unter¬ brechen.

Wie bei der Ausführungsform gemäss Patentanspruch 1 angegeben ist, reichen diese elektrodynamischen Kräfte bei entsprechender Bemessung des kurzschlussstromführenden Pfades vollkommen aus, um die Elektroden des Vakuumschalters soweit voneinander zu trennen, dass die Unterbrechung des Kurzschlussstromes sichergestellt ist.

Wie bei der Ausführungsform gemäss Patentanspruch 2 angegeben ist, kann durch geeignete Anordnung des Vakuumschalters zusätz¬ lich auch eine leicht zu koordinierende Antriebsunterstützung durch den Druckgasschalter bei der Trennung der Elektroden durch die elektrodynamischen Kräfte des Kurzschlussstromes ausgenutzt werden.

Eine besonders vorteilhafte Ausbildung der Schaltvorrichtungen nach der Erfindung enthält anstelle des mindestens einen Vakuum¬ schalters ein Modul mit zwei oder mehr gleichartigen, zueinander parallel geschalteten und ausgerichteten Vakuumschaltern. Ein solches Modul weist den zusätzlichen Vorteil auf, dass durch Aufteilung des Kurzschlussstromes auf mehrere kleine Vakuum¬ schalter mit geringer Abschaltleistung die Schaltvorrichtung nach der Erfindung besonders kostengünstig hergestellt werden kann. Zu bevorzugen ist hierbei die Verwendung eines Moduls mit drei zueinander parallel geschalteten, gleichartigen Vakuumschaltern, welche parallel ausgerichtet an den Ecken eines gleichseitigen Dreiecks angeordnet sind. Bei einem derart ausgebildeten Modul wird eine induktivitätsarme Stromführung erreicht, wird der abzuschaltende Strom gleichmässig auf die drei Vakuumschalter verteilt, und werden die den Antrieb der Elektroden bewirkenden elektrodynamischen Stromkräfte symmetrisch auf die drei Vakuumschalter aufgeteilt.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung und die damit erzielbaren weiteren Vorteile werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigt:

Fig.l eine Aufsicht auf eine im Schnitt dargestellte

Ausführungsform einer ersten Schaltvorrichtung nach der Erfindung mit einem mehrere Vakuumschalter enthaltenden Modul,

Fig.2 eine Aufsicht auf eine im Schnitt dargestellte erste

Ausführungsform des Modul der Schaltvorrichtung gemäss ^• Fig.l,

Fig.3 eine Aufsicht auf eine im Schnitt dargestellte zweite

Ausführungsform des Moduls der Schaltvorrichtung gemäss Fig.l,

Fig.4 eine Aufsicht auf eine im Schnitt dargestellte dritte

Ausführungsform des Moduls der Schaltvorrichtung gemäss Fig.l, und

Fig.5 eine Aufsicht auf eine im Schnitt dargestellte

Ausführungsform einer zweiten Schaltvorrichtung nach der Erfindung mit einem mehrere Vakuumschalter enthaltenden Modul.

WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

In allen Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen auch gleich¬ wirkende Teile. Die in Fig. 1 dargestellte Schaltvorrichtung ist zum Einsatz in Hochspannungsnetzen mit Spannungen von typischer¬ weise 100 und mehr kV vorgesehen und enthält ein mit SF ₆ oder einem anderen Isoliergas gefülltes zylinderförmiges Gehäuse 1 mit einem Mantel aus Isolierstoff und mit zwei Deckplatten, von denen die obere als einer von zwei Stromanschlüssen 2, 3 der Schalt¬ vorrichtung dient. Die obere Deckplatte trägt einen Gleitkontakt 4 und weist eine nicht bezeichnete Öffnung auf, durch die ein von einem als Pfeil dargestellten Antrieb 5 in Richtung der Achse des Gehäuses 1 verschiebbares und vom Kontakt 4 gleitend kontaktier- tes Schaltstück 6 aus dem Gehäuse 1 geführt ist. Das Schaltstück 6 weist an seinem vom Antrieb 5 abgewandten freien Ende in koaxialer Anordnung einen hohlen Abbrandkontakt 7 und einen den Abbrandkontakt umgebenden hohlen Nennstromkontakt 8 auf. Die untere Deckplatte des Gehäuses 1 ist als Scheibenisolator 9

ausgebildet und trägt einen längs der Achse des Gehäuses 1 ausgerichteten und durch den Scheibenisolator 9 geführten Abbrandkontakt 10. Auf der ins Innere des Gehäuses 1 weisenden Seite des Scheibenisolators 9 ist ein den Abbrandkontakt 10 konzentrisch umgebender Nennstromkontakt 11 angeflanscht, wohingegen auf der entgegengesetzten Seite des Scheibenisolators 9 ein metallenes Gehäuse 12 eines Moduls 13 angeflanscht ist.

Das Modul 13 enthält mehrere, vorzugsweise drei, axialsymmetrisch um die Achse des Gehäuses 12 verteilt angeordnete, gleichartige Vakuumschalter 14, von denen nur zwei dargestellt sind. Die Vakuumschalter sind vergleichsweise klein bemessen und weisen jeweils ein relativ geringes Hochspannungs-Schaltvermögen auf. Als Vakuumschalter 14 können daher preiswerte Serienprodukte verwendet werden, wie etwa in grossen Stückzahlen hergestellte Vakuumröhren für Spannungen von typischerweise 10 bis 40 kV. Jeder der Vakuumschalter 14 besitzt eine feststehende 15 und eine bewegliche Elektrode 16. Die feststehenden Elektroden 15 der Vakuumschalter 14 sind an einer Seite einer plattenförmigen Kontaktbrücke 17 befestigt. Die Kontaktbrücke 17 trägt auf der entgegengesetzten Seite einen hohlen Kontakt 18. Dieser hohle Kontakt ist in elektrisch leitendem Eingriff ist mit einem nicht bezeichneten Gegenkontakt des Druckgasschalters, welcher an dem aus dem Gehäuse 1 geführten Ende des Abbrandkontaktes 7 vorgesehen ist. Die beweglichen Elektroden 16 der Vakuumschalter 14 werden starr von einem plattenförmigen Stromkollektor 19 gehalten und sind über den Stromkollektor 19, flexible Leiterstücke 20 und einen leitend ausgebildeten Abschnitt des Modulgehäuses 12 mit dem Stromanschluss 3 der Schaltvorrichtung elektrisch leitend verbunden. Auf den Stromkollektor 19 wirkt ein Antriebssystem 21, welches ausschliesslich von einem die Vakuumschalter 14 bei einem Ausschaltvorgang durchfliessenden Kurzschlussstrom betätigt wird.

Bei dieser Schaltvorrichtung wird im eingeschalteten Zustand (rechter Teil von Fig. 1) Nennstrom überwiegend in einem den Stromanschluss 2, den Gleitkontakt 4, die Nennstromkontakte 8, 11, Flanschverbindungsschrauben 22, das Gehäuse 12 und den Stromanschluss 3 umfassenden Nennstrorapfad geführt. Wegen des vergleichsweise hohen Widerstandes wird ein verhältnismässig geringer Anteil des Nennstroms in einem parallel zum Nennstrom¬ pfad geschalteten Löschstrompfad geführt. Dieser Löschstrompfad umfasst den Stromanschluss 2, den Gleitkontakt 4, die Abbrand¬ kontakte 7, 10, den hohlen Kontakt 18, die Kontaktbrücke 17, die Elektroden 15 und 16 der zueinander parallelgeschalteten Vakuum¬ schalter 14, den Stromkollektor 19, die flexiblen Leiterstücke 20, das Gehäuse 12 und den Stromanschluss 3. Da die Vakuum¬ schalter praktisch keinen Nennstrom führen, können sie klein dimensioniert sein.

Beim Ausschalten von Nennstrom (linker Teil von Fig.l) bewegt der Antrieb 5 das Schaltstück 6 in Pfeilrichtung nach oben. Es werden nun zunächst die beiden Nennstromkontakte 8, 11 voneinander getrennt und der abzuschaltende Strom vom Nennstrom- in den Löschstrompfad kommutiert. Durch nachfolgendes Trennen der Abbrandkontakte 7 und 10 wird sodann der abzuschaltende Strom vom Druckgasschalter im Löschstrompfad unterbrochen.

Beim Ausschalten von Kurzschlussstrom kommutiert entsprechend dem zuvor beschriebenen Schaltvorgang der abzuschaltende Strom in den Löschstrompfad. Im Bereich der Vakuumschalter 14 wird dieser Strom gleichmässig aufgeteilt, so dass jeder Schalter nur einen Bruchteil des Kurzschlussstroms führen uss. Die beiden Elektro¬ den 15, 16 der Vakuumschalter 14 sind ohne Verwendung des Antriebs 5 voneinander trennbar. Sie sind durch das Antriebs¬ system 21 mit einer Kontaktkraft beaufschlagt, welche unterhalb eines Grenzwertes des Kurzschlussstroms ein Trennen der Elektro¬ den 15, 16 verhindert. Daher werden nicht nur Nennströme, sondern auch vergleichsweise geringe Kurzschlussströme ausschliesslich mit dem Druckgasschalter abgeschaltet. Überschreitet jedoch die

Grösse des Kurzschlussstromes den Grenzwert, so bewirkt das Antriebssystem 21 ohne Ansteuerung von aussen ein Öffnen der Elektroden 15, 16 und ein Abschalten des Kurzschlussstroms. Die Vakuumschalter 14 werden daher nur dann betätigt, wenn dies - wie etwa beim Abschalten schwerer Kurzschlussströme - unbedingt notwendig ist. Sie sind daher nur auf eine geringe Anzahl an Schaltvorgängen auszulegen. Die hierbei auftretende anfängliche wiederkehrende Spannung hoher Steilheit kann problemlos von den in Serie geschalteten, geöffneten Schaltstellen des Druckgas¬ schalters und der Vakuumschalter gehalten werden.

In den Figuren 2 bis 4 sind drei Module 13 mit unterschiedlich ausgeführten Strukturen des Antriebssystems 21 dargestellt. Bei der in Fig.2 dargestellten Ausführungsform ist eine vorzugsweise als Schraube oder Spirale gekrümmte Kontaktandruckfeder 23 vorgesehen, welche mit ihrem oberen Ende auf der von den Elektroden 16 abgewandten Seite des Stromkollektors 19 und mit ihrem unteren Ende auf dem Gehäuse 12 abgestützt ist. Diese Feder erzeugt die erwünschte Kontaktandruckkraft der Elektroden 15, 16. Durch geeignetes Vorspannen der Kontaktandruckfeder 23, etwa mittels einer im Gehäuse 12 geführten, nicht dargestellten Stellschraube, kann die erwünschte Kraft leicht eingestellt werden. Oberhalb des durch die Kontaktandruckkraft festgelegten Grenzwertes des abzuschaltenden Stroms werden die Elektroden 15, 16 aufgrund der elektrodynamischen Kräfte des Stroms voneinander getrennt und der Strom in den Vakuumschaltern 14 unterbrochen. Die Federkonstante der Feder 23 und die trägen Massen des romkollektors 19, der starr damit verbundenen beweglichen Elektroden 16 sowie weiterer bewegter Teile des Moduls 13, wie der flexiblen Leiterstücke 20, sind derart bemessen sind, dass bei einem Ausschaltvorgang ein Schliessen der Elektroden 15, 16 erst nach der sicheren Unterbrechung des abzuschaltenden Stroms erfolgt. Dadurch wird ein Verschweissen der Elektroden 15, 16 der Vakuumschalter 14 weitgehend verhindert.

Bei der in Fig.3 dargestellten Ausführungsform dient die Kontaktandruckfeder 23 gleichzeitig der Führung des abzuschaltenden Stroms. Beim Auftreten eines schweren Kurzschlussstromes zieht sich diese Feder stark zusammen und unterstützt so die elektrodynamischen Stromkräfte beim Öffnen der Elektroden 15, 16. Die flexiblen Leiterstücke 20 werden bei dieser Ausführungsform eingespart.

Bei der in Fig.4 dargestellten Ausführungsform sind im Lösch¬ strompfad zwischen Stromkollektor 19 und Stromanschluss 3 ein beweglicher Schlaganker 24 und eine mit dem Schlaganker 24 zusammenwirkende, feststehende Stromschiene 25 angeordnet. Der Schlaganker 24 und Stromschiene 25 bilden ein parallellaufendes Leiterpaar. Der Schlaganker 24 ist oberhalb des Stromkollektors 19 angeordnet und weist Öffnungen auf, durch welche die Elektro¬ den 16 der Vakuumschalter 14 in Richtung der Achse des Druckgas¬ schalters verschieblich geführt sind. Die Stromschiene 25 ist oberhalb des Schlagankers 24 an der Wand des Gehäuses 12 starr befestigt. Die flexiblen Leiterstücke 20 sind vom Stromkollektor 19 an die beiden Enden des Schlagankers 24 geführt. Das Zentrum des Schlagankers 24 ist über ein flexibles Leiterstück 26 mit dem Zentrum der Stromschiene 25 elektrisch leitend verbunden. Eine Feder 27 drückt den Schlaganker 24 gegen die feststehende Stromschiene 25.

Der beim Ausschalten in den Löschstrompfad kommutierte Strom fliesst - wie durch Pfeile veranschaulicht - im Schlaganker 24 von den beiden Enden ins Zentrum und in der Stromschiene 25 in entgegengesetzter Richtung vom Zentrum nach aussen ins Gehäuse 12. Daher wirkt auf den Schlaganker 24 eine entgegen der Kraft der Feder 27 gerichtete elektrodynamische Kraft. Oberhalb des eingestellten Grenzwertes des abzuschaltenden Stromes führt die elektrodynamische Kraft den Schlaganker 24 mit grosser Geschwin¬ digkeit gegen den Stromkollektor 19. Der Schlaganker 24 schlägt mit grosser Wucht auf den Stromkollektor 19 auf und öffnet so die

Elektroden 15, 16 gegen die Kraft der Kontaktandruckfeder 23 schlagartig.

Bei der in Fig.5 dargestellte Ausführungsform der Schaltvorrich¬ tung nach der Erfindung ist neben dem Modul 13 nur noch der Abbrandkontakt 10 des Druckgasschalters dargestellt. Im Unter¬ schied zur Ausführungsform gemäss Fig.l sind die Vakuumschalter 14 des Moduls 13 und der Abbrandkontakt 10 in Richtung der gemeinsamen Achse der Gehäuse 1 und 12 verschieblich angeordnet. Der von der Kontaktbrücke 17 gehaltene hohle Kontakt 18 ist als Gleitkontakt ausgebildet und kontaktiert den beweglich ausgebil¬ deten Abbrandkontakts 10 bei einem Schaltvorgang ständig.

Beim Ausschalten wird der Abbrandkontakt 7 von einem nicht darge¬ stellten Antrieb nach unten geführt. Der abzuschaltende Strom kommutiert nach Öffnen des Nennstrompfades in den Löschstrompfad und fliesst vom nach unten geführten Abbrandkontakt 10 über den hohlen Kontakt 18, die Kontaktbrücke 17, die geschlossenen Elektroden 15, 16, den Stromkollektor 19, die flexiblen Leiter¬ stücke 20 und das Gehäuse 12 zum Stromanschluss 3 (linker Teil von Fig.5). Im weiteren Verlauf der Abwärtsbewegung schlägt der Abbrandkontakt 10 auf die Kontaktbrücke 17 auf und führt nun die Kontaktbrücke 17, die Vakuumschalter 14 und den Stromkollektor 19 gegen die Kraft der Kontaktandruckfeder 23 nach unten. Nach einem vorgegebenen weiteren Hub schlägt die Kontaktbrücke 17 auf einen isoliert im Gehäuse 12 gehaltenen Anschlag 28 auf. Die nach unten gerichtete Bewegung der Kontaktbrücke 17 und der feststehenden Teile der Vakuumschalter 14 wird dadurch abrupt gehemmt, wohin¬ gegen sich die beweglichen Elektroden 16 der Vakuumschalter 14 und der Stromkollektor 19 weiter nach unten bewegen. Dadurch kommt es zu einem schlagartigen Öffnen der Schaltstellen der Vakuumschalter und zur angestrebten Unterbrechung des abzuschaltenden Stromes.

Durch Verlängern oder Verkürzen des Hubs der Vakuumschalter 14 können die Vakuumschalter 14 gegenüber dem Druckgasschalter mehr oder weniger stark verzögert geöffnet werden.

B E Z U G S Z E I C H E N L I S T E

I Gehäuse

2, 3 Stromanschlüsse

4 Gleitkontakt

5 Antrieb

6 Schaltstück

7 Abbrandkontakt Nennstromkontakt Scheibenisolator 0 Abbrandkontakt I Nennstromkontakt 2 Gehäuse 3 Modul 4 Vakuumschalter 5, 16 Elektroden 7 Kontaktbrücke 8 Kontakt 9 Stromkollektor 0 Leiterstücke 1 Antriebssystem 2 Flanschverbindungsschrauben 3 Kontaktandruckfeder 4 Schlaganker 5 Stromschiene 6 Leiterstück 7 Feder