Mittelspannungs-Lasttrennschalter

Die Erfindung betrifft einen Mittelspannungs-

Lasttrennschalter nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Zur Substitution des Isoliergases Schwefelhexafluorid (SF ₆₎ , das wegen seines hohen Treibhauspotenzials durch Alternativen ersetzt werden soll, werden verschiedene elektrisch isolie rende Gase bzw. Flüssigkeiten untersucht. Insbesondere werden im Stand der Technik fluororganische Verbindungen beschrie ben, unter denen insbesondere die Fluorketone und die Fluor nitrile hervorgehoben werden. Aufgrund einer möglichen Toxi zität von Fluornitrilen und aufgrund eines ungünstigen Aggre gatszustandes der Fluorketone bei Betriebsbedingungen von Isoliergasen in Stromunterbrechern, werden jedoch auch Luft, synthetische Luft oder Mischung aus natürlichen Gasen wie Kohlenstoffdioxid, Stickstoff oder Sauerstoff eingehend un tersucht. Zum derzeitigen Stand haben die beschriebenen Al ternativgase zwar ihre grundsätzliche Eignungsfähigkeit als Ersatz für das sehr gut isolierende Schwefelhexafluorid her vorgehoben, dennoch bieten sie letztlich nicht in ihrer Ge samtheit die positiven, insbesondere elektrisch isolierenden Eigenschaften des Schwefelhexafluorids. Aus diesem Grund be darf es in einigen Anwendungen von Stromunterbrechern auch konstruktiver Änderungen im System, um dasselbe Isolierver halten bzw. auch dasselbe Lichtbogenlöschverhalten zu erzie len wie das mit einem Stromunterbrecher mit einer SF ₆ - Isolierung der Fall ist.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Mittelspan- nungs-Schaltanlage bereitzustellen, die mit einem zum Schwe felhexafluorid (SF ₆₎ alternativen Isoliermedium betreibbar ist, und dabei grundsätzlich mit einem Antriebsaggregat an- treibbar ist, das ebenfalls einer herkömmlichen Größe und Bauform entspricht. Die Lösung der Aufgabe besteht in einem Mittelspannungs- Lasttrennschalter mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.

Die erfindungsgemäße Mittelspannungsschaltanlage gemäß Pa tentanspruch 1 umfasst ein Antriebssystem und einen Lastt rennschalter. Das Antriebssystem weist dabei eine Antriebs welle und ein Antriebsaggregat auf, der Lasttrennschalter um fasst mindestens zwei zueinander beweglich angeordnete Kon takte, wobei ein Kontakt als Bewegkontakt und ein zweiter Kontakt als Festkontakt ausgestaltet ist. Der Festkontakt ist dabei Bestandteil eines Festkontaktsystems . Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass das Festkontaktsystem ein durch einen Kompressionsstempel veränderbares Kompressionsvo lumen aufweist. Zudem weist die Antriebswelle eine Umlenkvor richtung auf, die an dieser angebracht ist, wobei die Umlenk vorrichtung sowohl mit dem Bewegkontakt als auch mit dem Kom pressionsstempel mechanisch verbunden ist. Durch diese Ver bindung erfolgt eine Umwandlung der Drehbewegung der An triebswelle in eine translatorische Bewegung des Bewegkontak tes sowie in eine translatorische Bewegung des Kompressions stempels .

Insbesondere im Mittelspannungsbereich, also bei Mittelspan nungsschaltanlagen finden Antriebssysteme Anwendung, die da rauf basieren, dass Kontakte von Lasttrennschaltern durch ei ne rotierende Bewegung insbesondere eines rotierenden An triebs und einer rotierenden Welle übertragen werden. Die Er findung lehrt, wie ein zu den herkömmlichen Mittelspannungs schaltern alternativer Lasttrennschalter, der ein zusätzli ches Löschvolumen, das durch einen Kompressionsstempel ver kleinert wird, zum Einsatz kommen kann, wobei ein in der Mit telspannung übliches und auskonstruiertes Antriebssystem in seinen Grundzügen beibehalten werden kann. Dies bewirkt, dass bestehende Konstruktionen in der Mittelspannungstechnik, bei spielweise die grundlegende Anordnung von verschiedenen

Schaltanlagen zueinander, beibehalten werden können und der Bauraum für herkömmliche Antriebssysteme erhalten bleibt. Grundsätzlich kann auch das Antriebsaggregat und die An- triebswelle unverändert für einen Lastrennschalter, der für Alternativgase geeignete ist, angewandt werden. Dies redu ziert die Kosten zur Neuentwicklung von Schaltanlagen, die anstatt dem herkömmlichen Schwefelhexafluorid (SF6) als Iso liergas betrieben werden. Die Erfindung ermöglicht somit ei nen umweltfreundlichen, treibhausneutralen Betrieb von Mit telspannungsschaltanlagen auf der einen Seite und sie be wirkt, dass die Entwicklungskosten und Produktionskosten für eine derartige Schaltanlage reduziert werden.

Unter dem Begriff mechanisch in Verbindung stehen wird ver standen, dass zur Übertragung einer Kraft, eines Impulses o- der einer Aktion zwischen zwei Systemen eine mechanische Ver bindung besteht, die beispielsweise über bewegliche Verbin dungen, wie Lager oder Gelenke, aber auch über feste Verbin dungen, wie stoffschlüssige oder kraftschlüssige Verbindungen oder aus Kombinationen aus beweglichen festen Verbindungen erfolgen kann.

Die Erfindung lehrt, dass durch die Umlenkvorrichtung die Drehbewegung der Antriebswelle sowohl in eine translatorische Bewegung des Bewegkontaktes einerseits als auch in eine translatorische Bewegung des Kompressionsstempels anderer seits umgewandelt wird. Dabei kann die Umlenkvorrichtung grundsätzlich ein Bauteil umfassen, das als Kurbel bezeichnet wird. Unter einer Kurbel wird insgesamt eine Exzentrizität bezüglich einer Drehachse einer Welle verstanden. Eine derar tige Kurbel kann im einfachsten Fall in Form eines Stabs oder einer Stange, die senkrecht zur Welle ausgestaltet ist und an dieser angeordnet ist, ausgestaltet sein. In bevorzugter Aus gestaltungsform ist die Kurbel in Form einer Exzenterscheibe dargestellt. Hierdurch ist es möglich, die Bewegungskinematik der translatorischen Bewegung, die von einer konstanten Dreh bewegung erzeugt wird, zu beeinflussen.

Ferner ist an der Kurbel bevorzugt ein Umlenkhebel angeord net, der wiederum mindestens ein Gleitlager sowie eine

Schubstange aufweist. Im Weiteren ist es zweckmäßig, wenn der Umlenkhebel wiederum mit einem Kontaktträger mechanisch in Verbindung steht, und der Kontaktträger wiederum mit dem Bewegkontakt mechanisch in Verbindung steht. Der Kontaktträger kann dabei plattenförmig ausgestaltet sein, er kann jedoch auch beispielsweise schie nenförmig ausgestaltet sein. Der Kontaktträger weist dabei eine mechanische Verbindung zu zumindest einem Bewegkontakt, bevorzugt jedoch zu zwei bzw. drei Bewegkontakten auf, sodass mehrere Lasttrennschalter und mehrere Kontakte durch ein An triebssystem betrieben werden können.

Für eine stabile translatorische Bewegung des Kontaktträgers und somit des Kontaktes bzw. der Kontakte, ist es zweckmäßig, dass eine Führung des Kontaktträgers entlang einer translato rischen Bewegung durch mindestens eine Führungsstange er folgt. Diese Führungsstange ist in zweckmäßiger Weise in ei nen oder mehreren Führungslagern gelagert.

Des Weiteren ist es zweckmäßig, dass auch der Kompressions stempel analog zum Bewegkontakt mit einem translatorisch be wegbaren Stempelträger in Verbindung steht. Auf diese Weise kann auch durch den Stempelträger ein oder mehrere Kompressi onsstempel simultan bewegt werden.

Der beschriebene Stempelträger weist jedoch auch noch den Vorteil auf, dass er über die Führungsstange in Wirkverbin dung mit dem Kontaktträger steht, sodass durch die translato rische Bewegung des Kontaktträgers sowie der daraus resultie renden translatorischen Bewegung der Führungsstange eine ebenso translatorische Bewegung des Stempelträgers und somit des Kompressionsstempels resultiert. Hierbei handelt es sich um eine Zwangssteuerung des Kompressionsstempels mit der translatorischen Bewegung des Kontaktträgers. Dies wiederum bedeutet, dass die Umlenkvorrichtung lediglich mit dem Kon taktträger oder alternativ lediglich nur mit dem Stempelträ ger in mechanischer Verbindung stehen muss und die weitere mechanische Verbindung über die Führungsschienen von dem Kon taktträger zum Stempelträger erfolgt.

Alternativ kann die Mittelspannungsschaltanlage auch so aus gestaltet sein, dass die Umlenkvorrichtung sowohl mit dem Kompressionsstempel als auch mit dem Bewegkontakt beispiels weise über zwei getrennte Umlenkhebel mechanisch in Verbin dung steht, sodass es zwischen dem Bewegkontakt und dem Kom pressionsstempel bzw. zwischen dem Kontaktträger und dem Stempelträger keine Zwangssteuerung vorliegt. Diese Ausge staltung kann ggf. konstruktiv etwas aufwendiger sein, sie könnte jedoch auch eine ungleiche translatorische Bewegung der Kontakte einerseits und des Kompressionsstempels anderer seits ermöglichen. Somit könnte also die Kinematik der ein zelnen Bewegungen, also des Bewegkontaktes und des Kompressi onsstempels entsprechend den Anforderungen beeinflusst wer den .

In einer Ausgestaltungsform der Erfindung ist das Festkon taktsystem des Lasttrennschalters so ausgestaltet, dass es neben dem Kompressionsvolumen und dem Kompressionsstempel den Festkontakt umfasst, der wiederum eine Kontaktbohrung auf weist, wobei die Kontaktbohrung mit dem Kompressionsvolumen in Verbindung steht und eine Verbindung zu einem Lichtbogen raum darstellt. Dies bewirkt, dass bei einer Verkleinerung des Kompressionsvolumens durch die translatorische Bewegung des Kompressionsstempels ein Isoliergas, das sich im Kompres sionsvolumen befindet, durch die Kontaktbohrung in den Licht bogenraum strömt. Hierdurch wird das Löschen eines im Licht bogenraum beim Schaltvorgang auftretenden Lichtbogens unter stützt. Der Lichtbogen erlöscht durch diese Maßnahme deutlich früher und mit weniger technischen Aufwand als dies bei her kömmlichen Mittelspannungsschaltanlagen ohne Verwendung von Schwefelhexafluorid als Isoliergas der Fall ist. Der Beweg kontakt ist dabei in Form eines Stiftkontaktes ausgestaltet, der im geschlossenen Zustand des Lasttrennschalters zumindest teilweise in die Kontaktbohrung eingreift. Weitere Ausgestaltungsformen der Erfindung und weitere Merk male werden anhand der folgenden Figuren näher erläutert. Da bei handelt es sich um exemplarische Ausgestaltungsformen, die keine Einschränkung des Schutzbereiches darstellen.

Dabei zeigen:

Figur 1 eine Mittelspannungsschaltanlage mit einem An

triebssystem und einem Lasttrennschalter, wobei ei ne Umwandlung einer Rotationsbewegung einer An triebswelle in einer translatorischen Bewegung ei nes Bewegkontaktes erfolgt,

Figur 2 eine analoge Ausgestaltungsform gemäß Figur 1, wo bei sich der Lasttrennschalter in einem geschlosse nen Zustand befindet,

Figur 3 die Darstellung gemäß Figur 2, wobei sich der Last trennschalter in einem geöffneten Zustand befindet und

Figur 4 einen Querschnitt durch einen Lasttrennschalter mit

Kompressionsvolumen und Kompressionsstempel im FestkontaktSystem.

In Figur 1 ist eine dreidimensionale Darstellung einer Mit telspannungsschaltanlage 2 gegeben, die zum einen ein An triebssystem 4 und einen Lasttrennschalter 6 aufweist. Dabei umfasst das Antriebssystem zum einen ein Antriebsaggregat 10, das mit einer Antriebswelle 8 in Verbindung steht, die durch das Antriebsaggregat 10 in eine Drehbewegung 24 versetzt wird. Auf der Antriebswelle 8 ist eine Kurbel 30, hier ausge staltet in Form einer Exzenterscheibe 34 angeordnet, die wie derum einen Umlenkhebel 32 aufweist, der in Figur 1 aufgrund der Perspektive etwas verdeckt dargestellt ist. Die Funkti onsweise des Umlenkhebels 32 ist in den Figuren 2 und 3 näher erläutert. Der Umlenkhebel 32 wiederum steht in mechanischer Verbindung mit einem Kontaktträger 40, an dem, wie hier exemplarisch dargestellt ist, drei Bewegkontakte 12 des Last trennschalters 6 angebracht sind.

Der Lasttrennschalter 6 wiederum weist dabei zwei Kontakte auf, zum einen den bereits erwähnten Bewegkontakt 12 sowie einen Festkontakt 14. Der Bewegkontakt 12 ist dabei in Form eines Stiftkontaktes ausgestaltet, der Festkontakt ist in diesen Beispielen in Form eines Tulpenkontaktes ausgestaltet, der eine Kontaktbohrung 52 aufweist (vgl. Figur 4) . Der Fest kontakt 14 ist wiederum Bestandteil eines Festkontaktsystems 16, das wiederum ein Kompressionsvolumen 20 sowie einen im Kompressionsvolumen 20 linear bewegbar gelagerten Kompressi onsstempel 18 aufweist. Der Kompressionsstempel 18 bewegt sich dabei translatorisch bevorzugt auf einer Achse zumindest teilweise gleichzeitig mit dem Bewegkontakt 12. Auf die ge naue Wirkungsweise und die Kinematik des Lasttrennschalters wird bei der Beschreibung der Figur 4 näher eingegangen wer den .

Ein weiterer Bestandteil des Antriebssystems 4 ist somit der bereits beschriebene Kontaktträger 40 und ein Stempelträger 48, der mit dem Kompressionsstempel 18 in Verbindung steht. Zwischen dem Kontaktträger 40 und dem Stempelträger 48 be steht eine Zwangsführung in Form einer bzw. mehrerer Füh rungsstangen 44, die in Führungslagern 46 gelagert sind.

Durch die? translatorische Bewegung des Stempelträgers 40, die über den Umlenkhebel 32 und die Exzenterscheibe 34 er folgt, wird zudem sekundär auch der Stempelträger 48 und so mit der Kompressionsstempel 18 linear bewegt.

In Figur 2 ist die Mittelspannungsschaltanlage 2 gemäß Figur 1 in einer leicht gedrehten Perspektive dargestellt, wobei der Umlenkhebel 32 bezüglich seiner Positionierung (vgl. auch Figur 3) deutlicher zu erkennen ist. Der Umlenkhebel 32 weist dabei jeweils zwei Gleitlager 36 auf, die über eine

Schubstange 38 miteinander verbunden sind. Ein Gleitlager 36 ist dabei mit einem nicht näher dargestellten Stift an der Exzenterscheibe 34 verbunden, das andere Gleitlager 36 ist analog mit einem ebenfalls nicht näher dargestellten Stift an dem Kontaktträger 40 angebunden. Die Gleitlager 36 können selbstverständlich auch in Form von anderen Lagerarten, bei spielsweise Kugellager oder Wälzlager ausgestaltet sein.

Die Figur 2 zeigt eine geschlossene Position des Lasttrenn schalters 6 als Teil der Mittelspannungsschaltanlage 2. Durch die Drehbewegung entlang des Pfeiles 24 gemäß Figur 3 voll zieht die Exzenterscheibe 34 ebenfalls eine Drehbewegung, die über den Umlenkhebel 32, der mit dem Kontaktträger 40 in Ver bindung steht in eine translatorische Bewegung 26 gemäß Figur 3 umgewandelt wird. Durch diese translatorische Bewegung 26 werden die Bewegkontakte 12 aus den tulpenförmigen Festkon takten 14 herausgezogen und somit das Kontaktpaar 12, 14 ge trennt. Der Stromkreis wird auf diese Weise geöffnet. Die analoge Bewegung des Stempelträgers 48, die mit dem Doppel pfeil 50 beschrieben ist, findet dabei gleichzeitig mit der translatorischen Bewegung 26 statt. Auf diese Weise wird der Kompressionstempel 18 ebenfalls translatorisch verschoben, wobei die hierbei auftretende Kinematik und die resultierende Wirkung bezüglich der Figur 4 beschrieben wird. Zwischen der translatorischen Bewegung 26 des Bewegkontaktes 12 und der translatorischen Bewegung 50 des Kompressionsstempels 18 liegt somit eine Zwangskoppelung vor, die insbesondere über die Führungsstangen 44, die eine Verbindung zwischen dem Kon taktträger 40 und den Stempelträgern 48 hersteilen, erfolgt. Aus diesem Grund ist es gemäß der Kinematik, die in den Figu ren 1 bis 3 dargestellt ist, ausreichend, die Exzenterscheibe 34 mit einem Umlenkhebel 32 auszustatten, dessen translatori sche Bewegung über den Kontaktträger 40 indirekt auf den Kom pressionsstempelträger 48 übertragen wird.

Grundsätzlich wäre es jedoch auch zweckmäßig - hier nicht dargestellt- zwei Umlenkhebel 32 an der Exzenterscheibe 34 anzubringen, wobei ein Umlenkhebel, wie beschrieben, mit dem Kontaktträger 40 in Verbindung steht und ein weiterer, hier nicht dargestellter Umlenkhebel mit dem Stempelträger 48 bzw. direkt mit dem Kompressionsstempel 18 mechanisch in Verbin- düng steht und somit die translatorische Bewegung 50 bewirkt. Grundsätzlich könnten hierfür auch zwei Exzenterscheiben 34 angewandt werden, was hier ebenfalls nicht dargestellt ist. Diese Ausführung hätte den Vorteil, dass bei unterschiedli cher geometrischer Ausgestaltung der Exzenterscheibe 34 bzw. des Umlenkhebels 32 unterschiedliche kinematische Bewegungs abläufe, insbesondere Geschwindigkeiten, des Kompressions stempels 18 und des Bewegkontaktes 12 vollzogen werden könn ten. Andererseits wäre der mechanische Aufwand geringfügig höher .

In Figur 4 ist ein Querschnitt eines Lasttrennschalters 6 dargestellt, wie er weniger detailliert in den Figuren 1 bis 3 enthalten ist. Es wird hierbei lediglich auf die wesentli chen Merkmale des Lasttrennschalters 6 eingegangen. Zum einen weist der Lasttrennschalter 6 einen Bewegkontakt 12 auf, der in einen geschlossenen Zustand (in Figur 4 ist der geöffnete Zustand dargestellt) in den Festkontakt 14, insbesondere in die Kontaktbohrung 52 des Festkontaktes 14 eingreift, wodurch ein elektrischer Stromfluss über diese Kontaktpaarung 12, 14 gewährleistet ist. Bei einer Öffnungsbewegung gemäß des Pfei les 26 des Bewegkontaktes 12 wird wie bereits bezüglich der Figuren 1 bis 3 erläutert wird, simultan der Kompressions stempel 28, der im Kompressionsvolumen 20 gelagert ist, eben falls translatorisch gemäß des Pfeiles 28 bewegt. Hierdurch wird, wie durch die gestrichelte Linie des Kompressionsstem pels 18 angedeutet ist, das Kompressionsvolumen 20 verklei nert. Isoliergas, das in dem Kompressionsvolumen 20 vorliegt, wird aufgrund des Stempeldrucks durch die Kontaktbohrung 52 in einen Lichtbogenraum 54 gepresst. Dies ist anhand der Pfeile 58 veranschaulicht. Im Lichtbogenraum 54 liegt während des Öffnungsvorgangs des Lasttrennschalters 6 ein Lichtbogen 56 vor, der durch das ausströmende Isoliergas gemäß der Pfei le 58 gelöscht wird.

Der Vorteil der Erfindung besteht insbesondere darin, dass ein für eine Mittelspannungsschaltanlage 2 übliches Antriebs- system 4 mit einem Antrieb des Aggregats 10 und einer An- triebswelle 8 unter denselben Bauraumbedingungen wie bei her kömmlichen Mittelspannungsschaltanlagen eingesetzt werden kann, wobei jedoch gegenüber diesen herkömmlichen Schaltanla gen ein modifizierter Lasttrennschalter 6 beispielsweise ge- maß der Figur 4 zum Einsatz kommt. Dieser Lasttrennschalter 6 gemäß Figur 4 ist gegenüber den herkömmlichen, in Mittelspan nungsschaltanlagen verwendeten Schaltern mit einem Blasmecha nismus versehen, der insbesondere durch den Kompressionsstem pel 18 und dessen Steuerung über das Antriebssystem 4 bewirkt wird. Dieser zusätzliche Blasmechanismus, der bei herkömmli chen Mittelspannungsschaltanlagen bzw. den darin verbauten Lasttrennschalter nicht vorgesehen ist, bewirkt, dass auch ohne das Isoliergas SF ₆ beispielsweise unter Verwendung eines natürlichen Isoliergases, die nötigen Lichtbogenlöscheigen- schäften gewährleistet sind.

Bezugszeichenliste

2 Mittelspannungsschaltanlage

4 Antriebssystem

6 Lasttrennschalter

8 Antriebswelle

10 Antriebsaggregat

12 Bewegkontakt

14 Festkontakt

16 Festkontaktsystem

18 Kompressionsstempel

20 Kompressionsvolumen

22 Umlenkvorrichtung

24 Drehbewegung

26 translatorische Bewegung Kontakt

28 translatorische Bewegung Kompressionsstempel

30 Kurbel

32 Umlenkhebel

34 Excenterscheibe

36 Gleitlager

38 Schubstange

40 Kontaktträger

42 translatorische Bewegung Kontaktträger und Führungs stange

44 Führungsstange

46 Führungslager

48 Stempelträger

50 translatorische Bewegung Stempelträger

52 Kontaktbohrung

54 Lichtbogenraum

56 Lichtbogen

58 Strömung Isoliergas