[0001] Die Erfindung betrifft eine Schalterpoleinheit, insbesondere für einen Vakuum-Leistungsschalter,
mit einer Vakuumschaltkammer (2.1) mit mindestens einem festen Kontakt und mindestens
einem beweglichen Kontakt (2.2), insbesondere einem Bolzen, der über einen Antrieb
in eine Einschaltposition gebracht werden kann.
[0002] Vakuum-Leistungsschalter sind elektrische Schalter, die für hohe Ströme ausgelegt
sind und eine elektrische Verbindung in den dafür vorgesehenen Vakuumschaltkammern
trennen. Eine übliche Vakuumschaltkammer weist ein Vakuumgehäuse auf, in dem zwei
Kontakte angeordnet sind. Einer der Kontakte ist als Festkontakt und der andere als
beweglicher Kontakt, meist in Form eines Leiterbolzens, ausgebildet. Im geschlossenen
Schalterzustand kontaktieren sich die beiden Kontakte und stellen somit eine elektrische
Verbindung her. In diesem Zustand sind sie mit einem kontinuierlichen Kontaktdruck
beaufschlagt, der die beiden Kontakte mit einer definierten Kraft gegeneinander drückt.
Zum Trennen der elektrischen Verbindung wird der Bewegungskontakt mit hoher Geschwindigkeit
von dem Festkontakt weg bewegt und eine Trennstrecke zwischen den beiden Kontakten
hergestellt. Da der Spannungsbereich, in dem derartige Leistungsschalter eingesetzt
werden sollen, immer weiter steigt, nehmen die konstruktiven Anforderungen an die
Leistungsschalter zu. Denn je höher die zu schaltende Spannung ist, desto höher ist
die geforderte Trennstrecke, die Ein- und Ausschaltgeschwindigkeiten sowie die Höhe
des Kontaktdruckes.
[0003] In der
DE 299 06 480 U 1 ist ein typischer Aufbau einer Schalterpoleinheit der eingangs genannter Art beschrieben.
Die Vakuumschaltkammer ist in einem Polrohr angeordnet. Zum Einschalten wird eine
Antriebskraft über einen Gelenkbolzen und einen drehbar gelagerten Schaltübertrager
auf einen linear zu bewegenden Kontakt übertragen. Dadurch wird nicht nur eine elektrische
Verbindung zwischen den Kontakten in der Vakuumschaltkammer hergestellt, sondern auch
eine Ausschaltfeder automatisch vorgespannt. Es kann bei solchen Vakuum-Leistungsschaltern
vorkommen, dass die Pole im eingeschalteten Zustand nicht sauber aufeinander sitzen
und dadurch frühzeitig verschleißen.
[0004] Eine weitere typische Schalterpoleinheit ist aus der
DE 40 06 452 A1 bekannt. Die Antriebskräfte werden hier von einer Schaltstange auf eine Steuerscheibe
übertragen. Die Steuerscheibe ist drehbar gelagert und weist eine bogenförmig gekrümmte
Langlochausnehmung auf. Der bewegliche Kontakt weist einen Stößel auf, der in die
Langlochausnehmung eingreift und hierdurch zwangsgeführt ist. Durch Drehung der Steuerscheibe
wird der bewegliche Kontakt, der in der Vakuumschaltröhre im Schalterpolgehäuse linear
beweglich ist, in "Ein"-Stellung gebracht und eine Ausschaltfeder vorgespannt. Bei
diesem Aufbau sind die Reibungsverluste vergleichsweise hoch, was zu hohem Verschleiß
der mechanischen Bauteile und zu langsamen Schaltzeiten führt. Darüber hinaus ist
bei der durch die bogenartig gekrümmte Langlochausnehmung vorgesehenen Zwangsführung
ein vergleichsweise großer Drehwinkel der Steuerscheibe für die zum Schalten benötigte
Linearbewegung des beweglichen Kontaktes nötig, was ebenso zu erhöhten Schaltzeiten
führt.
[0005] Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Schalterpoleinheit
zu schaffen, deren Aufbau den Anforderungen hoher Spannungsbereiche gerecht wird und
gleichzeitig einfach ist.
[0006] Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Bevorzugte
Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
[0007] Unter einer Linearführung wird hier ein Maschinenelement aus der Lineartechnik verstanden,
das eine möglichst reibungsfreie Translation des beweglichen Kontaktes oder eines
damit verbundenen, in gleicher Richtung linear bewegten Antriebselements ermöglicht
und dabei gleichzeitig die Einhaltung der Bewegungsrichtung - einer linearen Bahn
- garantiert.
[0008] Mit der Verwendung einer in einem Abstand zur Vakuumschaltkammer angeordneten Linearführung
wird gegenüber den eingangs beschriebenen, vorbekannten Schalterpoleinheiten zweierlei
erreicht. Zum einen ist der bewegliche Kontakt bzw. ein damit verbundenes, in gleicher
Richtung linear bewegtes Antriebselement zwangsgeführt, so dass Antriebskräfte, die
nicht genau axial übertragen werden, nicht zu einer Querauslenkung des beweglichen
Kontaktes oder des damit verbundenen Antriebselementes führen. Hierdurch wird ein
planparalleles Anlegen der Kontakte in der Vakuumkammer im Einschaltzustand sichergestellt,
was insbesondere bei einer Schalterpoleinheit gemäß der
DE 299 06 480 U1 nicht gewährleistet ist, da dort der bewegliche Kontakt keinen linearen Bewegungsablauf
besitzt, sondern die Achse des beweglichen Kontaktes aufgrund der Drehbewegung des
Schaltübertragers in seiner Einschaltbewegung leicht kippt. Zum anderen ist es aufgrund
der linearen Führung möglich, eine Vielzahl von verschiedenen Getrieben zum Antrieb
des beweglichen Kontaktes einzusetzen, so dass insbesondere die aufwändige Kraftübertragung
der aus der
DE 40 06 452 A1 bekannten Schalterpoleinheit vermieden und durch eine einfachere, leichtgängigere
Antriebskonstruktion ersetzt werden kann.
[0009] Die Linearführung ist vorzugsweise als Kugelumlaufführung ausgestaltet. Eine Kugelumlaufführung
zeichnet sich durch geringe statische und dynamische Rollreibung, geringen Verschleiß
und eine gute Führungsgenauigkeit über die gesamte Lebensdauer aus. Zudem kann die
Führung Kräfte in zwei Richtungen aufnehmen, was sie zu einer geeigneten Linearführung
für den Anwendungsfall werden lässt. Durch die erzielte hohe Führungsgenauigkeit und
die niedrigen Reibwerte werden hohe Geschwindigkeiten und eine Reduzierung der mechanischen
Belastung der Mittel, die für die Bewegung des Kontaktes sorgen, erreicht. Naturgemäß
ist aber auch eine gleitgelagerte Linearführung verwendbar.
[0010] In einer bevorzugten Ausführungsform weist die erfindungsgemäße Schalterpoleinheit
eine Ausschaltfeder auf, die unmittelbar auf den beweglichen Kontakt oder ein daran
starr befestigtes Gegenlager wirkt. Somit steht der bewegliche Kontakt in direkter
Verbindung mit der Ausschaltfeder, was zu schnellen Beschleunigungen und Ausschaltzeiten
führt.
[0011] Eine weitere bevorzugte Ausführungsform ist gekennzeichnet durch eine auf den beweglichen
Kontakt wirkende Kontaktdruckeinrichtung, insbesondere dann, wenn sie axial fluchtend
zum beweglichen Kontakt angeordnet ist und in axialer Richtung auf den beweglichen
Kontakt wirkt.
[0012] Die Verwendung einer Linearführung ermöglicht die Verwendung eines Kurbelwellenantriebs
mit einem Pleuel, mit der ein vom Antrieb übertragenes Drehmoment in eine auf den
Bewegungskontakt axial wirkende Kraft umgesetzt wird, ohne dass die Bewegung des Pleuels
quer zur Längsachse des beweglichen Kontaktes eine ungenaue Kontaktierung der Kontakte
in der Vakuumschaltkammer zur Folge hat. Gleichzeitig ist eine derartige Übertragung
von Antriebskräften konstruktiv sehr einfach und reibungsverlustarm.
[0013] Vorteilhafterweise ist der Drehpunkt des Pleuels unterhalb der Kontaktdruckeinrichtung
auf der Längsachse des Bewegungskontaktes anzuordnen. Die Lage des Pleuels sollte
im eingeschalteten Schalterzustand einen möglichst geringen Neigungswinkel zum Bewegungskontakt
haben, um ein gutes Kräfteverhältnis gegen die am Ende des Schaltvorganges auftretenden
hohen Kontaktdruckkräfte zu erhalten.
[0014] Die Verbindung zwischen dem Pleuel und einem Element auf der Seite des beweglichen
Kontaktes ist vorzugsweise mit einem Gleitlager oder einer noch reibungsärmeren Wälz-
bzw. Kugellagerung ausgestaltet, um Reibungsverluste weiter zu minimieren.
[0015] Antriebe für erfindungsgemäße Schalterpoleinheiten, wie auch in der
DE 299 06 480 U 1 beschrieben, sind derart aufgebaut, dass die Antriebskraft nach der Einschaltung
wegfällt. Der Einschaltzustand wird dann üblicherweise durch eine Ausschaltverrastung
im Antrieb außerhalb der Schalterpoleinheit aufrechterhalten, da die Ausschaltfeder,
die bei der Einschaltung automatisch mit vorgespannt wird, die Mechanik in den Ausgangszustand
zurückversetzen will. Bei der Ausschaltung müssen demzufolge alle Antriebsmittel,
die sich vom Pleuel der Schalterpoleinheit bis zur Ausschaltverrastung des Antriebes
befinden, mitbewegt werden.
[0016] Demgegenüber besteht eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung darin,
die Ausschaltverrastung in die Schalterpoleinheit zu integrieren, indem sie insbesondere
so ausgebildet ist, dass sie auf eine den Pleuel mit der Kurbelwelle verbindende Kurbel
oder Kurbelwange wirken kann. Hierdurch werden die Anzahl der beim Ausschalten zu
bewegenden Teile und damit die zu überwindende Massenträgheit ebenso wie Reibungsverluste
deutlich reduziert. Im Ergebnis kann dadurch nicht nur die Ausschaltzeit verkürzt
werden, sondern auch die für das Ausschalten notwendige Ausschaltfederkraft, wodurch
es möglich wird, die Ausschaltfeder kleiner zu dimensionieren.
[0017] Durch den erfindungsgemäßen Aufbau werden die Anforderungen hoher Spannungsbereiche
bei Verwendung des Standardantriebes erfüllt. Demzufolge kann auf eine erhebliche
Veränderung oder auf die Neukonstruktion eines Antriebes verzichtet werden, wodurch
ein erheblicher Kostenvorteil entsteht.
[0018] Mit den beschriebenen erfindungsgemäßen Maßnahmen können Schalterpoleinhalten konstruiert
werden, die für Spannungen von bis zu 40,5 kV oder sogar darüber geeignet sind.
[0019] Nachstehend wird die Erfindung anhand von Figuren, die bevorzugte Ausführungsbeispiele
einer erfindungsgemäßen Schalterpoleinheit zeigen, näher erläutert. Es zeigen
- Fig. 1:
- eine Ansicht einer erfindungsgemäßen Schalterpoleinheit in ausgeschaltetem Zustand;
- Fig. 2:
- eine Ansicht der in Figur 1 dargestellten Schalterpoleinheit in eingeschaltetem Zustand;
und
- Fig. 3:
- eine Ansicht einer erfindungsgemäßen Schalterpoleinheit mit integrierter Ausschaltverrastung
in eingeschaltetem Zustand.
[0020] Die in den Figuren 1 und 2 dargestellte Schalterpoleinheit 1 weist eine Vakuumschaltkammer
2.1 auf, die in einem Gehäuse 3 angeordnet ist. Unten ragt aus der Vakuumschaltkammer
2.1 ein als Bolzen ausgebildeter beweglicher Kontakt 2.2 heraus, an dessem unteren
Ende ein Gewindeabschnitt vorgesehen ist. Auf dem Gewindeabschnitt sitzt eine erste
Mutter 4, die eine untere Anlagefläche für eine Ausschaltfeder 5 bildet. Die obere
Anlagefläche für die Ausschaltfeder 5 bildet das Gehäuse 3, so dass der bewegliche
Kontakt 2.2 mit der Ausschaltfeder 5 in unmittelbarer Wirkverbindung zueinander stehen.
Unterhalb der Mutter 4 ist ein flexibles Kupferband 6 mit dem beweglichen Kontakt
2.2 verbunden, das über eine mit der Mutter 4 zusammenwirkende untere Kontermutter
7 am beweglichen Kontakt 2.2 gehalten wird. Somit sind das Kupferband 6 und der bewegliche
Kontakt 2.2 elektrisch miteinander verbunden und bilden den unteren Anschlusspunkt
der Schalterpoleinheit 1. Der obere, mit dem festen Kontakt in der Vakuumschaltkammer
verbundene Anschlusspunkt der Schalterpoleinheit ist aus Gründen der Vereinfachung
nicht dargestellt.
[0021] Unterhalb des unteren Anschlusspunktes befindet sich eine Kontaktdruckeinrichtung.
Die Kontaktdruckeinrichtung weist einen Gewindeadapter 8 auf, der fest mit dem beweglichen
Kontakt 2.2 verbunden ist. Der Gewindeadapter 8 ist mit einer oberen Anlagefläche
für eine Kontaktdruckfeder 9 versehen, die ebenso Bestandteil der Kontaktdruckeinrichtung
ist und sich an ihrer unteren Seite an einem kolbenartigen Antriebselement 10 abstützt.
An der Unterseite des Gewindeadapters 8 weist er einen Führungsstift 11 auf, dessen
Längsachse mit der des beweglichen Kontaktes 2.2 fluchtet. Der Führungsstift 11 ist
in einer im kolbenartigen Antriebselement 10 vorgesehenen Buchse 12 axial geführt
und in axialer Richtung frei beweglich. Da das Antriebselement das untere Lager für
die Kontaktdruckfeder 9 bildet, wird es ebenso als Bestandteil der Kontaktdruckeinrichtung
angesehen.
[0022] Das kolbenartige Antriebselement 10 wird von einer Linearführung 12 in axialer Richtung
des beweglichen Kontaktes geführt. Die Linearführung ist vorzugsweise als Kugelumlaufführung
ausgebildet.
[0023] Das kolbenartige Antriebselement ist über einen Pleuel 13 mit der Kurbelwange 14
einer Kurbelwelle 15 verbunden. Der Pleuel ist mit dem kolbenartigen Antriebselement
10 und der Kurbelwange 14 über Gleit- oder Wälzlager verbunden. Durch Anpassen der
Kurbelwange an den Kurbelwellenquerschnitt bzw. durch Auswahl einer für einen bestimmten
Wellenquerschnitt geeignete Kurbelwange ist die Schalterpoleinheit mit einer Vielzahl
von Wellenantrieben verwendbar.
[0024] Die Kurbelwelle 15 besteht aus einem nicht leitenden Material.
[0025] Zum Einschalten des Schalters wird die Welle in der Abbildung entgegen dem Urzeigersinn
gedreht, so dass das kolbenartige Antriebselement 10 angehoben wird. Dadurch werden
sowohl die Kontaktdruckfeder 9 als auch die Ausschaltfeder 5 vorgespannt, wobei die
Kontaktdruckfeder 9 den beweglichen Kontakt 2.2 in axialer Richtung nach oben drückt.
[0026] Die Figur 2 zeigt die Schalterpoleinheit 1 in eingeschaltetem Zustand. Ein den Pleuel
mit der Kolbenwange 14 verbindender Hubzapfen 16 hat in diesem Zustand fast seinen
höchsten Punkt erreicht, so dass von der Ausschaltfeder 5 zwar noch ein Moment auf
die Kurbelwelle 16 wirkt, das Moment aber möglichst gering ist. In dieser Position
sollte der Antrieb durch eine geeignete Mechanik verrastet werden. Die Ausschaltung
erfolgt durch Freigabe dieser Ausschaltverrastung (oder eines aufrechterhaltenen Antriebsmoments),
wodurch die gesamte Einheit aufgrund der vorgespannten Ausschaltfeder 5 wieder in
den Ausgangszustand, der in Figur 1 dargestellt ist, versetzt wird.
[0027] Figur 3 zeigt eine weitere Ausführungsmöglichkeit, bei der Massenträgheit und Reibungspunkte
weiter reduziert sind. Gegenüber dem mit Bezug auf die Figuren 1 und 2 beschriebenen
Ausführungsbeispiel ist die Ausschaltverrastung 20, die sich üblicherweise im Antrieb
außerhalb der Schalterpoleinheit befindet, direkt in der Schalterpoleinheit 1 integriert.
Realisiert wird die Ausschaltverrastung 20 durch eine im Gehäuse 3 gelagerte Halbwelle.
Nach dem Erreichen der Einschaltposition legt sich die Kurbelwange 21 mit einem nockenartigen
Teil 22 hinter die Halbwelle, die der Kurbelwange zugewandt ist, und der Einschaltzustand
wird somit aufrechtgehalten. Durch Drehung der Halbwelle wird die Ausschaltverrastung
20 freigegeben und die Mechanik wird aufgrund der Kraft der Ausschaltfeder wieder
in den Ausgangszustand versetzt.
[0028] Der Antrieb ist so konzipiert, dass die Kurbelwelle 23 den Pleuel 13 nur bis hinter
die Ausschaltverrastung 20 mitnimmt und ab dieser Stellung automatisch wieder zum
Ausgangspunkt zurückkehrt. Für diese Funktion ist die Kurbelwelle 23 in der Kurbelwange
21 drehbar gelagert, wobei an der inneren Lagerfläche der Kurbelwange 21 eine Freimachung
24 vorgesehen ist, in die ein an der Kurbelwelle 23 vorgesehener Wellenzapfen 25 eingreift,
so dass der freie Weg zur Drehung der Kurbelwelle 23 relativ zur Kurbelwange 21 beschränkt
ist.
1. Schalterpoleinheit, insbesondere für einen Vakuum-Leistungsschalter, mit einer Vakuumschaltkammer
(2.1) mit mindestens einem festen Kontakt und mindestens einem beweglichen Kontakt
(2.2), insbesondere einem Bolzen, der über einen Antrieb in eine Einschaltposition
gebracht werden kann, gekennzeichnet durch eine in einem Abstand zur Vakuumschaltkammer (2.1) angeordnete Linearführung (12)
zur linearen Führung des beweglichen Kontaktes (2.2) oder eines damit verbundenen,
in gleicher Richtung linear bewegten Antriebselements (10).
2. Schalterpoleinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Linearführung (12) eine Kugelumlaufführung ist.
3. Schalterpoleinheit nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Ausschaltfeder (5), die unmittelbar auf den beweglichen Kontakt (2.2) oder ein
daran starr befestigtes Gegenlager wirkt.
4. Schalterpoleinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine auf den beweglichen Kontakt (2.2) wirkende Kontaktdruckeinrichtung (8).
5. Schalterpoleinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb eine Kurbelwelle (15, 23) und einen Pleuel (13) aufweist, mit der ein
vom Antrieb übertragenes Drehmoment in eine auf den beweglichen Kontakt (2.2) axial
wirkende Kraft umgesetzt wird.
6. Schalterpoleinheit nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehpunkt des Pleuels (3) unterhalb der Kontaktdruckeinrichtung (8) auf der Längsachse
des beweglichen Kontaktes (2.2) angeordnet ist und in Einschaltstellung einen möglichst
geringen Neigungswinkel zum beweglichen Kontakt (2.2) hat.
7. Schalterpoleinheit nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Pleuel (13) über eine Gleitlagerung mit einem kontaktseitigen Element verbunden
ist.
8. Schalterpoleinheit nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Pleuel (13) durch eine Kugellagerung mit einem kontaktseitigen Element verbunden
ist.
9. Schalterpoleinheit nach Anspruch 5 oder einem der darauf rückbezogenen Ansprüche 6
bis 8, gekennzeichnet durch eine Ausschaltverrastung (20), die auf eine den Pleuel (13) mit der Kurbelwelle (23)
verbindende Kurbel oder Kurbelwange (21) wirken kann, um im Einschaltzustand ein direktes
Wiederausschalten aufgrund der vorgespannten Ausschaltfeder (5) zu verhindern.
10. Schalterpoleinheit nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurbelwelle (23) in der Kurbelwange (21) drehbar gelagert ist, dass in einer
inneren Lagerfläche der Kurbelwange (21) eine Freimachung (24) vorgesehen ist, und
dass die Kurbelwelle (23) einen Wellenzapfen (25) aufweist, der in die Freimachung
(24) eingreift und den freien Weg zur Drehung der Kurbelwelle (23) relativ zur Kurbelwange
(21) beschränkt.