Die Erfindung betrifft einen Druckgasschalter mit zwei gegeneinander beweglichen Kontaktstücken.
Ein derartiger Druckgasschalter ist aus dem Aufsatz Toda, H. u. a.: Development of 550 kV 1-Break GCB (Part II) - Development of Prototype; in: IEEE Transactions on Power Delivery, Vol. 8, No. 3, July 1993, S. 1192-1198 bekannt. Die Verschiebung des einen Kontaktstücks wird über einen Hebelmechanismus auf das andere übertragen. Dazu sind - symmetrisch zur Mittelachse des Druckgasschalters - zwei Umlenkhebel vorhanden, an die drehbar jeweils zwei Stangen befestigt sind. Über die Stangen sind beide Kontakstücke symmetrisch mit entgegengesetzten Enden der Umlenkhebel verbunden. Der Hebelmechanismus mit den Stangen muß eine elektrische Isolierung enthalten, da er mit beiden Kontaktstücken verbunden ist und damit die Schaltstrecke überbrückt. Isolierung und elektrische Abschirmung sind aufwendig. Die Umlenkhebel ragen zwangsläufig seitlich über den Umfang der Schaltkammer hinaus; dadurch ergibt sich ein recht großer Durchmesser.
Eine Kapselung des Druckgasschalters mit einem Porzellanisolator, wie sie bei Freiluftschaltern üblich ist, würde bei einem derartig großen Durchmesser sehr teuer sein. Der Mechanismus eignet sich daher eher für metallgekapselte gasisolierte Druckgasschalter. Der bekannte Druckgasschalter arbeitet nach dem konventionellen autopneumatischen Prinzip. Das bedeutet, daß der für die Lichtbogenlöschung notwendige Druck auch bei großen Strömen hauptsächlich durch eine Kompressionseinrichtung in der Schaltkammer erzeugt wird. Dementsprechend weist der bekannte Druckgasschalter eine Kompressionseinrichtung auf, mit Hilfe derer bei einem Ausschaltvorgang durch die Bewegung eines Kompressionszylinders gegen einen feststehenden Kolben Isoliergas komprimiert und anschließend zum Löschen eines Lichtbogens genutzt wird.
Die Kompression des Isoliergases auf den erforderlichen Druck ist nur möglich, wenn der Kompressionszylinder und das damit verbundene Kontaktstück mit einer relativ hohen Mindestgeschwindigkeit bewegt wird. Folglich muß der Schalterantrieb für diese Geschwindigkeit dimensioniert sein. Die Mindestgeschwindigkeit steigt hierbei mit abnehmendem Durchmesser der Kompressionseinrichtung. Aus wirtschaftlichen Gründen ist man, wie bereits erwähnt, bestrebt, den Durchmesser möglichst klein zu halten.
Auch aus der EP 0 313 813 A1 ist ein Hochspannungsschalter mit zwei gegeneinander beweglichen Kontaktstücken bekannt, von denen lediglich eines direkt angetrieben wird. An diesem Kontaktstück ist eine Isolierstoffdüse mit einer diese koaxial umgebenden leitenden Abschirmung angebracht.
Diese trägt zwei parallel angeordnete Zahnstangen, die jeweils mit einem ihnen zugeordneten Zahnrad zusammenwirken.
Jedes der beiden Zahnräder greift einerseits in eine der beiden Zahnstangen und andererseits in eine weitere Zahnstange, an die das nicht mit der Isolierstoffdüse verbundene Kontaktstück gekoppelt ist. Dabei bewirken die Zahnräder eine Umkehr der Bewegungsrichtung, die Kontaktstücke verschieben sich also stets in entgegengesetzter Richtung. Die Zahnräder müssen für sehr hohe Belastungen ausgelegt sein, da sie bei Ausschaltvorgängen schlagartig hohen Geschwindigkeiten ausgesetzt werden.
Der Hochspannungsschalter arbeitet mit einer Beblasungseinrichtung für den Lichtbogen. Dadurch werden Zersetzungsprodukte, die der Lichtbogen mit seiner hohen Energie erzeugt, sehr weit im Innern des Schalters verteilt und gelangen damit auch in das Zahnstangengetriebe. Dies vermindert die Zuverlässigkeit des Hochspannungsschalters im Falle eines mehrjährigen Betriebes.
Daß die Isolierdüse an ihrem dem zweiten Kontaktstück zugewandten Ende eine die Isolierdüse koaxial umgebende Abschirmung trägt, hat den Nachteil, daß diese Abschirmung, wenn sie ihre Funktion erfüllen soll, etwa in einer Ebene mit den Elektroden angeordnet werden muß.
Die Elektroden steuern das elektrische Feld in der offenen Schaltstrecke. Die Schlagweite entlang der Außenwand der Isolierstoffdüse kann damit nicht wesentlich größer als die Schlagweite in SF6 ausgeführt werden.
Die Schlagweite ist der Abstand zwischen zwei leitenden Teilen längs eines Fadens, der auf dem kürzesten Weg zwischen diesen Teilen gespannt ist.
Aus der US 3,896,282 ist ein Hochspannungsschalter bekannt, bei dem die beiden Kontaktstücke über einen Hebelmechanismus in entgegengesetzter Richtung bewegt werden können. Zu diesem Zweck sind an einem Umlenkhebel zwei Stangen angelenkt, von denen eine der beiden Stangen über ein Befestigungsteil mit einem der beiden Kontaktstücke verbunden ist. Die Isolierstoffdüse wird zusammen mit dieser Stange in Längsrichtung des Schalters bewegt.
Zur elektrischen Trennung der beiden Kontaktstücke ist es bei dem bekannten Hochspannungsschalter der US 3,896,282 erforderlich, dass die beiden genannten Stangen aus einem elektrisch nicht-leitenden Material bestehen. Weiterhin erhöhen die beiden außenliegenden Stangen den Durchmesser des Schaltkammerporzellans. Dies alles bringt u.a. erhöhte Herstellungskosten mit sich.
Weiterhin sind verschiedene Ausführungsformen von Druckgasschaltern aus der EP 696 040 A1 bekannt. Dort sind Zahnrad-Mechanismen vorgesehen, um die beiden Kontaktstücke in entgegengesetzter Richtung bewegen zu können. Derartige Zahnrad-Mechanismen besitzen einen erhöhten Verschleiß und können bspw. durch Schmutzpartikel funktionsunfähig werden. Weiterhin ist die Herstellung derartiger Zahnrad-Mechanismen aufwendig und teuer.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen wartungsarmen und zuverlässigen Druckgasschalter zu schaffen, mit dem bei einem Ausschaltvorgang eine hohe Kontakttrenngeschwindigkeit bei geringer Antriebsenergie erreicht wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Druckgasschalter nach Anspruch 1.
Da die Drehachse eines jeden Umlenkhebels in der Mittelachse des Druckgasschalters liegt, läßt er sich mit demselben Durchmesser herstellen wie herkömmliche Druckgasschalter. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn er als Freiluftschalter mit einem Porzellanisolator gasdicht gekapselt wird. Die Kosten für einen Porzellanisolator steigen mit seinem Durchmesser erheblich an. Der Hebelmechanismus ist ein besonders einfaches und robustes Mittel, um eine gegenläufige Bewegung der Kontaktstücke hervorzurufen. Da die Kraftübertragung über die Isolierstoffdüse erfolgt, braucht der Hebelmechanismus selbst keine isolierenden Elemente (z. B. Isolierstangen) zu enthalten.
Der topfförmige Kontakteinheitskörper nach Anspruch 2 sorgt für eine dielektrische Abschirmung des Umlenkhebels mit seinen Drehgelenken gegen die Unterbrechungsstelle.
Mittels des Kraftübertragungselements an der Isolierstoffdüse gemäß Anspruch 3 wird der Drehpunkt der an der Isolierstoffdüse angebrachten ersten Stange geradlinig geführt.
Vorzugsweise wird das Kraftübertragungselement, das sich bezüglich des Kraftflusses zwischen Isolierstoffdüse und Umlenkhebel befindet, gemäß Anspruch 5 in einem größeren Abstand zu dem gegenüberliegenden Kontaktkörper im Inneren des Kontakteinheitskörpers angeordnet. Dadurch sind die metallischen Verbindungselemente des Kraftübertragungselementes elektrisch geschirmt. Diese richtigen Übertragungselemente können damit ohne Rücksicht auf die elektrische Feldstärke optimal gestaltet werden. Weitere Vorteile dieser Ausführung sind:
Der bzw. die Polytetrafluorethylen-Ringe nach Anspruch 8 sorgen für ein wartungsfreies gutes Gleiten des Kraftübertragungselements an der Innenwand des Hohlzylinders.
Wenn die Stromzuführung die Form eines Rohres hat und gemäß Anspruch 9 der Umlenkhebel in diesem Rohr untergebracht ist, ist dieser mit einfachen Mitteln und dabei besonders wirkungsvoll dielektrisch abgeschirmt. Den Hebelmechanismus zusätzlich gegen Zersetzungsprodukte zu schützen, ist sehr einfach möglich. Als rohrförmige Stromzuführung kann eine solche benutzt werden, wie sie in herkömmlichen Druckgasschaltern verwendet wird (beispielsweise in einem Druckgasschalter nach der Seite 4 im Firmenprospekt "SF6-Leistungsschalter mit Federenergieantrieb. 72,5-170 kV", A22 V.7.104/0993 DE der AEG Aktiengesellschaft, D-34123 Kassel-Bettenhausen). Der Durchmesser des mit einem Hebelmechanismus ausgerüsteten Druckgasschalters bleibt also gegenüber herkömmlichen Druckgasschaltern unverändert.
Durch die Kapselung nach Anspruch 12 werden die Gleitlager insbesondere gegen das Eindringen von Zersetzungsprodukten geschützt, die unter Einwirkung der Lichtbogenenergie entstehen. Damit ist ein solcher Hebelmechanismus im Hinblick auf eine langjährige Benutzung zuverlässiger als ein Getriebe mit Zahnrädern.
Ein Hebelmechanismus aus Metall nach Anspruch 13 zeichnet sich durch seine Stabilität aus; dies wirkt sich besonders vorteilhaft bei den beiden (langen) Stangen aus, die an dem Umlenkhebel angebracht sind.
Wenn beide Kontaktstücke mittels des Hebelmechanismus sich gegenläufig zueinander verschieben, ist die Relativgeschwindigkeit zwischen ihnen größer als die Geschwindigkeit, mit der der Antrieb das eine der beiden Kontaktstücke in Bewegung versetzt. Auf diese Weise wird mit geringer Antriebsenergie eine hohe Kontakttrenngeschwindigkeit erreicht.
Dies ist vor allem bei Druckgasschaltern gemäß Anspruch 14 von großem Nutzen, die nach dem Druckkammerprinzip arbeiten. Bei derartigen Schaltern liefert der Lichtbogen die Energie für seine Beblasung beim Ausschalten großer Ströme. Dazu dringt vom Lichtbogen erhitztes Isoliergas zunächst in eine Druckkammer ein. In der Nähe des Stromnulldurchgangs löst dieses erhitzte Isoliergas dann eine Isoliergasströmung aus der Druckkammer in den Bereich zwischen den Kontaktstücken aus. Nur für die Unterbrechung kleiner Ströme ist eine Kompressionseinrichtung erforderlich, die aber nur geringe Löschdrücke erzeugen muß und mit entsprechend geringer Geschwindigkeit bewegt werden kann. Für eine Lichtbogenbeblasung ist bei derartigen Hochspannungsschaltern somit lediglich eine recht niedrige Antriebsgeschwindigkeit erforderlich. Eine hohe Kontaktrenngeschwindigkeit ist aber auch bei derartigen Schaltern für das rückzündungsfreie Unterbrechen von kapazitiven Strömen notwendig.
Mit dem erfindungsgemäßen Schaltertyp wird eine hohe Kontakttrenngeschwindigkeit bei einem Ausschaltvorgang bei geringer Antriebsleistung erreicht. Die Energie für die Ausschaltung ist erheblich reduziert, wobei trotzdem eine recht hohe Ausschaltleistung erzielt wird. Bei Schaltern nach dem Druckkammerprinzip kommen die Vorteile des erfindungsgemäßen Hebelmechanismus also besonders gut zur Geltung.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den übrigen Unteransprüchen gekennzeichnet.
Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand zweier Zeichnungen, aus denen sich weitere Einzelheiten und Vorteile ergeben, näher beschrieben.
Es zeigen
Es zeigt die Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen senkrecht stehenden Schalterpol eines Druckgasschalters in der Ausschaltstellung.
Der Druckgasschalter ist mit Isoliergas, beispielsweise SF6, gefüllt und seitlich von einem rohrförmigen Isolator 1 umgeben. Bezüglich des Schaltertyps handelt es sich um einen Freiluftschalter.
Der Druckgasschalter weist zwei gegenläufig entlang seiner Mittelachse M verschiebbare Kontaktstücke 2 und 3 auf, die eine Unterbrechungsstelle bilden. Das Kontaktstück 2 ist ein Kontaktstift und am Boden eines topfförmigen Kontakteinheitskörpers 4 angebracht.
Der Kontakteinheitskörper 4 umgibt das Kontaktstück 2 und die Mittelachse M des Druckgasschalters koaxial und weist mit seiner Öffnung in Richtung der Unterbrechungsstelle, und zwar nach unten.
Der Kontakteinheitskörper 4 ragt teleskopartig in einen rohrförmigen, in Richtung der Unterbrechungsstelle offenen Teil einer Stromzuführung 5 (für das Kontaktstück 2) hinein und ist aus ihr heraus bewegbar. Die Stromzuführung 5 umgibt ebenfalls koaxial die Mittelachse M des Druckgasschalters.
Innerhalb dieser Stromzuführung 5 ist oberhalb des Kontakteinheitskörpers 4 ein Umlenkhebel 6 angeordnet, dessen Drehachse 17 die Längsachse des Druckgasschalters in einem rechten Winkel schneidet.
Der Umlenkhebel 6 weist zwei Hebelarme auf, an deren äußeren Enden jeweils drehbar eine Stange 7, 8 angebracht ist. Beide Stangen 7, 8 ragen nach unten. Die Stange 7 ist an ihrem unteren Ende drehbar im oberen Endbereich einer Isolierstoffdüse 9 befestigt. Die Isolierstoffdüse 9 umgibt seitlich die einander zugewandten Enden des Kontaktstücks 3 und des Kontaktstücks 2.
Die Isolierstoffdüse 9 ist am oberen Abschluß eines hohlzylinderförmigen rnetallenen Kontaktkörpers 10 befestigt, welcher koaxial sowohl die Mittelachse M des Druckgasschalters als auch zum Teil das Kontaktstück 3 umschließt.
Bei diesem Kontaktstück 3 handelt es sich um einen Tulpenkontakt, der im Einschaltzustand des Druckgasschalters das Kontaktstück 2 an seinem Endbereich am Umfang berührt.
Das Kontaktstück 3 ist am Boden des Kontaktkörpers 10 befestigt und mit ihm elektrisch leitend verbunden.
Zwischen dem Kontaktstück 3 und der Isolierstoffdüse 9 ist ein kleiner Spalt vorhanden, der eine Verbindung zwischen dem Bereich zwischen den Kontaktstücken 2 und 3 (Schaltstrecke) einerseits und dem Inneren des Kontaktkörpers 10 andererseits herstellt.
Der Druckgasschalter arbeitet nach dem Druckkammerprinzip. Der Innenraum des Kontakkörpers 10 ist an dem der Unterbrechungsstelle abgewandten Ende durch einen Boden verschlossen. Der Innenraum des Kontaktkörpers 10 dient hierbei als Druckkammer 19. In diese Druckkammer 19 dringt bei einem Ausschaltvorgang zunächst vom Lichtbogen erhitztes Isoliergas ein. In der Nähe des Stromnulldurchgangs nimmt der Gasdruck in der Schaltstrecke ab, und es strömt das in der Druckkammer 19 zwischengespeicherte Isoliergas durch eine in der Isolierstoffdüse 9 befindliche Engstelle in den Bereich der Schaltstrecke und bebläst den Lichtbogen.
Bei kleinen Ausschaltströmen wird die Beblasung des Lichtbogens mittels einer Kompessionseinrichtung erzeugt, die aus dem als feststehender Zylinder ausgebildeten vorderen Teil der Stromzuführung 14 und einem beweglichen Kolben 21 besteht, der zugleich der Boden der Druckkammer 19 ist. Der bewegliche Kolben 21 und der Zylinder umschließen einen Kompressionsraum 20.
Das Löschgas strömt bei der Beblasung des Lichtbogens von dem Kompressionsraum 20 über Rückschlagventile 23 zur Druckkammer 19 und von dort zur Isolierstoffdüse 9. Überdurckventile 24 begrenzen den Druck in dem Kompressionsraum 20 und entlasten damit den Antrieb 11.
Rückschlagventile 25 geben bei der Einschaltung die Gasströme in den Kompressionsraum 20 frei.
Mittels eines motorischen Antriebs 11 , der im unteren Teil des Druckgasschalters angeordnet ist, wird eine senkrecht in der Mittelachse M des Druckgasschalters angeordnete Antriebsstange 12 während eines Einschaltvorgangs nach oben und während eines Ausschaltvorgangs nach unten bewegt. Die Antriebsstange 12 stetzt sich in Richtung der Unterbrechungsstelle in einem Rückblasrohr 26 fort. Die Antriebsstange 12 ist koaxial von einem rohrförmigen Isolator 13 umgeben. Oben schließt sich an den Isolator 13 das Ende einer Stromzuführung 14 für das Tulpenkontaktstück an.
Die Stromzuführung 14 umgibt koaxial die Mittelachse M des Druckgasschalters und ist rohrförmig ausgebildet, wobei ihr unteres Ende tellerförmig waagerecht nach außen geführt ist. Dort sind zum Außenbereich des Druckgasschalters elektrische Anschlußmöglichkeiten vorhanden. Innen ist in dem tellerförmigen Ende der Stromzuführung 14 eine Öffnung für die Antriebsstange 12 vorhanden. Diese Öffnung stimmt mit der inneren Querschnittsfläche des rohrförmigen Teils der Stromzuführung 14 überein.
Auf dem tellerförmigen Ende dieser Stromzuführung 14 ist der Isolator 1 angebracht. Die Übergänge vom Isolator 1 und vom Isolator 13 zum tellerförmigen Ende der Stromzuführung 14 sind jeweils gasdicht ausgeführt.
Der Kontaktkörper 10 läßt sich bei Schaltvorgängen teleskopartig in die Stromzuführung 14 hinein- und aus ihr herausbewegen. Über Federkontakte, die am oberen Rand der Stromzuführung 14 angebracht sind, besteht in jeder Schalterstellung ein leitender Kontakt zwischen der Stromzuführung 14 und dem Kontaktkörper 10 mit dem Kontaktstück 3.
An dem dem Antrieb 11 abgewandten Ende der Antriebsstange 12 ist der Kontaktkörper 10 mit der Isolierstoffdüse 9 befestigt. Die Isolierstoffdüse 9 weist an ihrem von dem Kontaktstück 3 abgewandten Ende ein tellerförmiges Kraftübertragungselement 15 aus Metall auf, das sich von der Isolierstoffdüse 9 radial bis zur Innenwand des topfförmigen Kontakteinheitskörpers 4 erstreckt. Dabei besteht zur Innenwand des Kontakteinheitskörpers 4 eine gleitende Verbindung mit einem oder mehreren Ringen aus PTFE. Auf diese Weise wird die Isolierstoffdüse 9 mit der daran drehbar angebrachten Stange 7 geführt.
Gleichzeitig mit der Stange 7 bewegt sich die andere an dem Umlenkhebel 6 angebrachte Stange 8. Sie ist mit ihrem unteren Ende über ein Drehgelenk am Boden des Kontakteinheitskörpers 4 befestigt, und zwar an der der Unterbrechungsstelle abgewandten Seite.
Der Kontakteinheitskörper 4 wird durch den rohrförmigen Teil der Stromzuführung 5 geführt. Dadurch ist auch für eine geradlinige Führung des Kraftübertragungselements 15 gesorgt, das wiederum innerhalb des Kontakteinheitskörpers 4 gleitend gelagert ist. Federkontakte 22 an der Innenwandung der Stromzuführung 5 sorgen für einen leitenden Kontakt zwischen der Stromzuführung 5 und der Außenwandung des (metallenen) Kontakteinheitskörpers 4.
Die Stromzuführung 5 geht oben über in einen Deckel, der den Isolator 1 nach oben gasdicht abschließt und an dem außen elektrische Anschlußmöglichkeiten vorhanden sind.
Während eines Einschaltvorgangs wird die Antriebsstange 12 mit dem Rückblasrohr 26 und dem Kontaktkörper 10 nach oben bewegt, dabei verschiebt sich der Kontakteinheitskörper 4 nach unten.
Bei Erreichen eines bestimmten Hubes kommen zunächst die Kontaktstücke 2 und 3 miteinander in Berührung. Im Verlauf der weiteren Einschaltbewegung kommen die Nennstromkontakte 16, die im unteren Bereich des Kontakteinheitskörpers 4 befestigt sind, mit der Außenwand des Kontaktkörpers 10 in Berührung und ermöglichen einen Stromfluß über die obere Stromzuführung 5, den Kontaktkörper 10 und die untere Stromzuführung 14. Auch in der Einschaltstellung fließt der (Nenn-)Strom über die genannten Elemente.
Fig. 2 zeigt den Druckgasschalter in der Einschaltstellung. Die einzelnen Teile sind mit denselben Bezugszeichen versehen wie in Fig. 1. Im Vergleich mit dieser Fig. ist deutlich zu sehen, daß der Umlenkhebel 6 nun zur anderen Richtung geneigt ist.
Bei einem Ausschaltvorgang löst sich zunächst die elektrische Verbindung zwischen dem Kontaktkörper 10 und den Nennstromkontakten 16. Der Strom kommutiert dann auf die Kontaktstücke 2 und 3.
Im weiteren Verlauf der Ausschaltbewegung trennen sich auch diese Kontaktstücke 2 und 3, und es bildet sich zwischen ihnen ein Lichtbogen aus.
Die Relativgeschwindigkeit zwischen dem Kontaktkörper 10 und dem Kontakteinheitskörper 4 ist die Summe aus dem Betrag der Absolutgeschwindigkeit des Kontaktkörpers 10 und dem Betrag der Absolutgeschwindigkeit des Kontakteinheitskörpers 4.
Für die rückzündungsfreie Unterbrechung von kapazitiven Strömen ist die Relativgeschwindigkeit der "Kontaktsysteme" (Kontaktkörper 10/Kontaktstück 3 und Kontakteinheitskörper 4/Kontaktstück 2) zueinander ausschlaggebend. Andererseits ist die Absolutgeschwindigkeit der Kompressionseinrichtung bei Schaltern, die nach dem Druckkammerprinzip arbeiten, von untergeordneter Bedeutung. Mit dem beschriebenen Druckgasschalter ist es damit möglich - bei gleichbleibender Ausschaltleistung - die Absolutgeschwindigkeit des Kontaktkörpers 10 erheblich zu reduzieren. Der Antrieb kommt daher mit deutlich weniger Energie aus.