Hörnerschalter

Abstract

 Bei Hörnerschaltern, die zwei zueinander V-förmig angeordnete, als Fußpunkte für den Schaltlichtbogen vorgesehene Hörnerelektroden aufweisen, kann bei nicht vermeidbaren Abschaltungen unter Überlast der Schaltlichtbogen aus einem als erlaubt definierten Brennbereich austreten, auf andere benachbarte Teile übergehen und diese beschädigen. Zur Vermeidung derartiger Schäden wird bei Hörnerschaltern zur Anwendung in elektrischen Netzen mit Kurzschluß- bzw. Erdschlußabschaltung durch Leistungsschalter, an der definierten Grenze zwischen einem erlaubten und einem unerlaubten Brennbereich für den Schaltlichtbogen eine geerdete dritte Elektrode für den Schaltlichtbogen angeordnet, auf die der aus dem erlaubten Brennbereich austretende Schaltlichtbogen übergeht und derart einen Erdschluß- bzw. Kurzschluß verursacht, der vom übergeordneten Leistungsschalter betriebsmäßig fortgeschaltet wird.

Beschreibung

[0001] Gegenstand der Erfindung ist ein Hörnerschalter zur Anwendung in elektrischen Netzen mit Kurzschluß- bzw. Erdschlußabschaltung durch Leistungsschalter, mit zwei zueinander V-förmig angeordneten, als Fußpunkte für den Schaltlichtbogen vorgesehenen Hörnerelektroden.

[0002] Hörnerschalter der beschriebenen Art werden insbesondere in Stromversorgungsanlagen für elektrische Bahnen seit vielen Jahren verwendet. Sie werden als Trennschalter oder Lasttrennschalter zur galvanischen Verbindung und Trennung von Fahrleitungsabschnitten mit oder von der Stromversorgungsanlage verwendet. Sie sind meist als Freiluftschalter auf Masten oder Portalen angeordnet. Ihr Vorteil liegt in der einfachen offenen Bauweise und dem dadurch fast vernachlässigbaren Wartungsaufwand, in der durch die Verwendung einer Lufttrennstrecke gegebenen relativen Unabhängigkeit von atmosphärischen Einflüssen und in der deutlichen Erkennbarkeit ihres Schaltzustandes. Sie bedingen regelmäßig das Vorhandensein eines zusätzlichen Leistungsschalters.

[0003] Hörnerschalter weisen an je einem feststehenden und einem schwenkbaren, mittels einer Schaltstange händisch oder motorisch betätigbaren Isolator, Kontakte auf, an die sich nach oben die speziell geformten Hörner anschließen. Der Lichtbogen, der beim Abschalten zwischen den sich trennenden Kontakten entsteht, wird von den darüber befindlichen Hörnern aufgenommen, steigt an denselben hoch und verlischt. Es ist dies das einfachste Löschprinzip für einen Schaltlichtbogen.

[0004] Das Kernstück fast aller Schalter ist der Schaltlichtbogen, der zwischen den elektrischen Kontakten durch das Verdampfen der letzten Metallbrücke infolge der Stromwärme unvermeidbar entsteht. Der Lichtbogen hält zunächst den Stromfluß zwischen den Kontakten aufrecht, da er aus einem sehr heißen elektrisch leitfähigen Plasma besteht. Dabei entwickelt er in räumlich eng begrenzten Bereichen sehr hohe thermische Leistungen. Die Hauptaufgabe des Schalters besteht nun darin, dieses heiße Schaltlichtbogenplasma unter Kontrolle zu bringen und so stark abzukühlen, daß es innerhalb weniger hundertstel Sekunden seine elektrische Leitfähigkeit verliert und damit den Strom zwischen den Kontakten unterbricht. Bei Wechselstromschaltern geht der Strom periodisch durch Null und die Aufgabe des Schalters ist es, das Wiederzünden nach dem natürlichen Nulldurchgang zu verhindern. Infolge der noch vorhandenen Leitfähigkeit der Plasmasäule fließt allerdings unter Einwirkung der wiederkehrenden Spannung ein kleiner sogenannter Nachstrom, der die Schaltstrecke wieder aufzuheizen trachtet. Dies erschwert die endgültige Verfestigung der Lichtbogenstrecke vor allem dann, wenn die Steilheit des Spannungsanstieges nach dem Stromnulldurchgang sehr groß ist. Bei Wechselstrom handelt es sich also um die wirksame Verringerung der Ladungsträger in der kurzen Zeit zwischen Stromnulldurchgang und dem Aufschwingen der wiederkehrenden Spannung. Je nach Schalterart erfolgt dabei die endgültige Unterbrechung nach einem oder mehreren Stromnulldurchgängen. Immer ist eine wirksame Kühlung der Lichtbogenstrecke von maßgebendem Einfluß. Diese wird dadurch erreicht, daß der Lichtbogen durch seine eigene thermische Wirkung aufsteigt und dabei durch die Form der Hörner verlängert wird. Es besteht hier ein Zusammenhang zwischen Schaltleistung und Lichtbogenlänge. Letztere muß aber aus Gründen der Gefährdung benachbarter Einrichtungen begrenzt bleiben, weshalb der betriebsmäßige Energieumsatz im gezündeten Lichtbogen begrenzt werden muß. Es ist also ein Lastschalter nur für eine begrenzte, dem normalen Betrieb entsprechende Abschaltleistung geeignet.

[0005] Nun werden etwa in Mittelspannungs-Schaltanlagen nachweisbar mehr als die Hälfte aller durch Lichtbögen verursachten Störungen durch Fehlbetätigung von Trennern unter Last oder von Lastschaltern unter überlast verursacht. Überlaststöße und kurzdauernde kurzschlußähnliche Zustände treten aber gerade im Bahnbetrieb häufig auf.

[0006] Angesichts der immer höheren Leistungen in elektrischen Anlagen oder der an und für sich hohen Kurzschlußströme sowie der gedrängten Bauweise in Mittelspannungsanlagen müssen die Einrichtungen gegen die schädliche Wärmestrahlung von Störlichtbögen immer besser geschützt werden. Da sich die Störlichtbögen selbst, wie bekannt, kaum verhindern lassen, muß man ihre Energieentwicklung durch möglichst schnelles Unterbrechen der Energiezufuhr mittels Leistungsschaltern begrenzen.

[0007] Von der Fa. ASEA wurde dazu eine Einrichtung angegeben, bei der ein Fototransistor auf das Licht von Störlichtbögen anspricht und über einen nachgeschalteten Verstärker die Auslösung eines die Energiezufuhr unterbrechenden Leistungsschalters bewirkt. Diese Einrichtung ist jedoch nicht nur relativ aufwendig sondern bleibt auch zweckmäßig auf die Anwendung in Innenraumschaltanlagen beschränkt. Eine andere, ebenfalls nur in Innenraumschaltanlagen verwendbare Einrichtung, weist einen Druckschalter auf, der auf das Ansteigen des Zelleninnendruckes durch die thermischen Effekte des Lichtbogens reagiert und unter Umgehung des normalen Anlagenschutzes den Energieeinspeiseschalter auslöst.

[0008] Aufgabe der Erfindung ist es, bei Hörnerschaltern eine einfache Einrichtung zu schaffen, mit der das Austreten des Schaltlichtbogens aus einem erlaubten in einen unerlaubten Brennbereich und eine damit verbundene Beschädigung benachbarter Anlageteile verhindert werden kann und sie löst diese Aufgabe dadurch, daß bei einem Hörnerschalter an der definierten Grenze zwischen einem erlaubten und einem unerlaubten Brennbereich für den Schaltlichtbogen eine geerdete dritte Elektrode für den Schaltlichtbogen angeordnet ist.

[0009] Der Vorteil der erfindungsgemäßen Einrichtung liegt darin, daß durch sie mittels eines billigen, einfach anzubringenden und wartungsfreien Elementes die gewünschte Funktion der Auslösung des vorgeschalteten Energieeinspeiseschalters durch Herbeiführung eines Kurzschlusses durch den über die Grenze des erlaubten Brennbereiches tretenden Störlichtbogen und damit die Anregung der sogenannten Kurzunterbrechung bewirkt wird. Diese Einrichtung funktioniert sowohl bei Innenraum- als auch bei Freiluftaufstellung des Hörnerschalters gleich zufriedenstellend.

[0010] Anhand einer Zeichnung soll nachfolgend ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Einrichtung näher beschrieben werden.

Fig. 1 zeigt den erfindungsgemäß ausgestatteten Hörnerschalter in geschlossenem Zustand,

Fig. 2 zeigt den Hörnerschalter in geöffnetem Zustand mit einem schematisch angedeuteten Lichtbogen etwa an der Grenze des üblichen erlaubten Brennbereiches.

[0011] Die Fig. 1 zeigt den auf einer auf einem Abspannmast oder einem Portal angeordneten Konsole 1 aufgebrachten Hörnerschalter. Er weist einen starr angeordneten Isolator 2 sowie einen mittels eines Hebels 3 um eine Achse 4 schwenkbaren Isolator 5 auf. Zur Aufbringung der Schwenkkraft wird in bekannter Weise ein hier nicht gezeigtes Schalterantriebselement verwendet, das über ein Gestänge mit dem Hebel 3 verbunden ist. Die Betätigung kann von Hand oder mittels eines elektromotorischen, elektromagnetischen oder pneumatischen Antriebes erfolgen. An den Kappen 6, 7 der Isolatoren sind zweiflügelige Kontaktelemente 8, 9 angeordnet, deren erste Flügel korrespondierend als Kontaktfeder und Kontaktmesser und deren zweite Flügel als durchbohrte Anschlußfahnen für hier nicht gezeigte Kabelschuhe flexibler Anschlußleitungen ausgebildet sind. Direkt an den Kontaktelementen 8, 9 sind die Hörner 1₀, 11 angeordnet, die vorteilhaft aus Elektrolytkupfer mit rundem Querschnitt bestehen und deren Form das Ergebnis langer Optimierungsversuche ist. In geöffnetem Zustand des Schalters hat sich eine Neigung von 45° zur Lotrechten für die vorteilhaft gerade ausgeführten Enden der Hörner 1₀, 11 als optimal erwiesen. Die erfindungsgemäß vorgesehene dritte Elek- _Lrode 12 für den Lichtbogen kann vorteilhaft sehr einfach als U-förmiz r metallischer Bügel ausgebildet sein, der an den freien Enden seiner parallelen Schenkel mechanisch, etwa durch Schraubung, Schweißung oder Nietung mit der auf Erdpotential befindlichen Konsole 1 verbunden ist. Dadurch ist auch eine satte Einbeziehung des Bügels 12 in die Betriebserdung gegeben. Der kurze Querbalken des Bügels 12 ist der eigentlich mit dem Lichtbogen in Wirkverbindung tretende Teil der erfindungsgemäßen dritten Elektrode. Sein vertikaler Abstand von einer gedachten Verbindungslinie der Enden der ausgeschwenkten Hörner 1₀, 11, durch den in einem Bereich die Lage der definierten Grenze zwischen erlaubtem und unerlaubtem Brennbereich des Schaltlichtbogens repräsentiert ist, ist je nach Bauart und Einbauverhältnissen des Schalters individuell festzulegen. Selbstverständlich muß der kurze Querbalken des Bügels 12 nicht senkrecht zu der durch die Hörner 1₀, 11 aufgespannten Ebene angeordnet sein. Es liegt auf der Hand, daß bei der Ausgestaltung des Bügels 12 alle Vorschriften für die einzuhaltenden Mindestabstände zwischen spannungsführenden und geerdeten Teilen zu beachten sind.

[0012] Die Funktion der erfindungsgemäßen Einrichtung sowie die Lichtbogenverhältnisse sollen anhand der Fig. 2 skizziert werden.

[0013] Bei der Öffnung des Hörnerschalters, die durch Zug des Betätigungsorganes auf das Ende des Schwenkhebels 3 erfolgt, wird der schwenkbare Isolator 5 um die Achse 4 entgegen der Drehrichtung des Uhrzeigers verschwenkt. Dabei kommen zuerst die korrespondierenden Kontaktteile der Kontaktelemente 8, 9 außer Eingriff. Erfolgt die Schalteröffnung bei Fließen eines Laststromes, entsteht zwischen den Kontaktelementen 8, 9 durch das Verdampfen der letzten Metallbrücke infolge der Stromwärme ein Schaltlichtbogen, der vorerst die Schalterkontakte als Fußpunkt beibehält und sich daher beim weiteren Auseinandergehen der Kontakte verlängert. Dabei tritt sehr rasch der Zustand ein, daß der Abstand zwischen den Kontaktelementen 8, 9 größer wird als der Abstand zwischen den unteren Abschnitten der Hörner 1₀, 11 die durch geeignete Formgebung die bei einigen Schalterausführungen in geschlossenem Zustand des Schalters sogar antiparallel vorgesehen ist, noch während eines Teiles der Schalteröffnungsbewegung äquidistant bleiben. Die Fußpunkte des zu diesem Zeitpunkt noch kurzen Schaltlichtbogens gehen daher mit Sicherheit auf diese unteren Abschnitte der Hörner 1₀, 11 über. Im weiteren Verlauf der öffnungsbewegung des Schalters wandern die Lichtbogenfußpunkte über die Knickstellen der Hörner 1₀, 11 hinaus, sodaß ab diesem Zeitpunkt der Lichtbogen die zu seiner erforderlichen Kühlung nötige Verlängerung erfährt. Im normalen Schalterbetriebsfall sollte der Lichtbogen spätestens dann verlöschen, wenn seine Fußpunkte in die unmittelbare Nähe der Enden der Hörner 1₀, 11 oder an diese Enden selbst gelangen. Überschreitet aber, aus welchen Gründen immer, die anstehende Leistung die Nennabschaltleistung des Schalters, so wird der Schaltlichtbogen bei an den Hörnerenden zum Stillstand kommenden Fußpunkten sich durch Aufwölbung seiner Bogenform zu verlängern trachten und dabeiin einen Bereich gelangen, in dem sich andere Betriebsmittel befinden: Dabei könnte entweder eine thermische Beschädigung dieser Betriebsmittel oder ein unerlaubtes überspringen des Lichtbogens auf diese Betriebsmittel erfolgen.

[0014] Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Abhilfe besteht darin, daß an der Grenze des oben erwähnten Bereiches, in dem sich andere Betriebsmittel befinden, die dritte satt geerdete Elektrode angeordnet ist, auf die der Lichtbogen übergeht, sodaß ein sogenannter Lichtbogenerdschluß bzw. bei den für Bahnstromversorgung in der Regel vorhandenen einphasigen Netzen ein Lichtbogenkurzschluß eintritt. Dieser zählt im Gegensatz zu den durch Fehlbedienung oder Fehlsteuerung verursachten Schalter- überlastungen zu jenen unvermeidbaren Störungsfällen, auf die der Betrieb vorbereitet sein muß und die auch tatsächlich durch Auslösung des für den betroffenen Bereich zuständigen Leistungsschalters routinemäßig eliminiert werden können.

Ansprüche

Hörnerschalter zur Anwendung in elektrischen Netzen mit Kurzschluß- bzw. Erdschlußabschaltung durch Leistungsschalter, mit zwei zueinander V-förmig angeordneten, als Fußpunkte für den Schaltlichtbogen vorgesehenen Hörnerelektroden, dadurch gekennzeichnet, daß an der definierten Grenze zwischen einem erlaubten und einem unerlaubten Brennbereich für den Schaltlichtbogen eine geerdete dritte Elektrode für den Schaltlichtbogen angeordnet ist.

Zeichnung