Technisches Gebiet
[0001] Die Erfindung betrifft einen Leistungsschalter, wie sie in Kraftwerken, Umspannwerken
und anderen Einrichtungen der Elektroenergieversorgung zum Ein- und Ausschalten von
Betriebs- und Ueberströmen eingesetzt werden.
Stand der Technik
[0002] Es sind seit langem gattungsgemässe Leistungsschalter bekannt, bei denen der bei
einer Ausschaltung zwischen den Schaltstücken gezogene Lichtbogen durch Löschgas aus
einem Druckvolumen gelöscht wird. Der Druck wird dabei durch einen Kolben erzeugt,
der gleichzeitig mit dem zweiten Schaltstück durch einen Schaltantrieb angetrieben
wird oder sogar durch einen Teil desselben gebildet wird, s. z. B. DE-A-196 13 568.
Dadurch wird jedoch der Schaltantrieb einer hohen Belastung ausgesetzt, die eine grosszügige
Dimensionierung desselben erfordert. Dies wirkt sich natürlich auf die Herstellungskosten
des Leistungsschalters aus.
[0003] Aus der EP-B-0 548 390 und der US-A-4 617 436 sind auch Schalteinrichtungen bekannt,
bei welchen im Schaltantrieb Ladungen von Explosivstoff eingesetzt werden, die zur
Auslösung einer Ausschaltung gezündet werden. Das bei der Explosion entstehende Gas
wirkt auf einen Kolben ein, der mit einem beweglichen Schaltstück in Wirkverbindung
steht und dasselbe unter der Einwirkung des Gasdrucks in die Ausschaltstellung treibt.
Die bei der Explosion entstehenden Gase werden jedoch von den Schaltstücken ferngehalten
und nicht für die Beblasung eines allfällig zwischen denselben gezogenen Lichtbogens
genutzt.
[0004] Es sind auch Sicherungen bekannt, bei denen eine elektrische Verbindung durch die
Explosion einer Sprengladung aufgetrennt wird. In der DE-A-35 37 314 etwa ist eine
solche Sicherung beschrieben mit einem rohrförmigen, mittig eingeschnürten und von
einer Druckkammer umgebenen Brückenleiter, an dessen Aussenseite in der Druckkammer
eine Sprengladung umlaufend angebracht ist. Die Druckkammer ist mit einem Material
ausgekleidet, das nach Zündung der Sprengladung und Aufsprengung des Brückenleiters
unter dem Einfluss eines sich bildenden Lichtbogens elektronegatives Gas abgibt, das
zusammen mit den durch die Explosion erzeugten Gasen ein unter hohem Druck stehendes
Löschgas bildet, das unter Beblasung des Lichtbogens in einen Expansionsraum abströmt.
Die Verwendung von Löschgas bildenden Pulvern in Sicherungen ist ausserdem aus der
EP-A-0 657 910 und der EP-A-0 641 005 bekannt.
[0005] Sicherungen müssen jedoch nach einer einzigen Ausschaltung mindestens teilweise ersetzt
werden. Bei der in der DE-A-35 37 314 beschriebenen werden nicht nur die Sprengladung
verbraucht und der Brückenleiter zerstört, das Löschgas wird zudem wesentlich durch
die Einwirkung des Lichtbogens auf die Auskleidung der Druckkammer erzeugt, die dabei
ebenfalls aufgebraucht wird. Ausserdem dürfte sich zwischen der Entstehung der unter
hohem Druck stehenden Explosionsgase und der vor allem durch sie ausgelösten Strömung
und der erst durch den Lichtbogen ausgelösten Abgabe elektronegativen Gases eine zeitliche
Verzögerung ergeben, die einer wirksamen Beblasung nicht förderlich ist.
Darstellung der Erfindung
[0006] Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, gattungsgemässe Leistungsschalter
derart zu verbessern, dass der Lichtbogen einer starken Löschgasströmung ausgesetzt
wird, ohne dass dies zu einer zusätzlichen Belastung des Schaltantriebs führt.
[0007] Dies wird erfindungsgemäss durch die Merkmale des Anspruchs 1 erreicht, welche sicherstellen,
dass der Lichtbogen auch ohne den Einsatz mechanischer Mittel einer starken Löschgasströmung
ausgesetzt wird. Bei geeigneten Weiterbildungen des erfindungsgemässen Leistungsschalters
wird der Schaltantrieb nicht nur entlastet, sondern auch unterstützt und kann entsprechend
klein dimensioniert werden, was den Leistungsschalter wesentlich verbilligt. Unter
Umständen kann der Schaltantrieb sogar ganz entfallen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
[0008] In den Zeichnungen sind mehrere Ausführungsbeispiele dargestellt, die lediglich der
Erläuterung der Erfindung dienen. Es zeigen
- Fig. 1
- schematisch einen teilweisen axialen Längsschnitt durch die Abbrandschaltanordnung
eines Leistungsschalters gemäss einer ersten Ausführungsform der Erfindung,
- Fig. 2
- schematisch einen teilweisen axialen Längsschnitt durch die Abbrandschaltanordnung
eines Leistungsschalters gemäss einer zweiten Ausführungsform der Erfindung und
- Fig. 3
- schematisch einen teilweisen axialen Längsschnitt durch die Abbrandschaltanordnung
eines Leistungsschalters gemäss einer dritten Ausführungsform der Erfindung.
Wege zur Ausführung der Erfindung
[0009] Die in Fig. 1 schematisch in der Einschaltstellung dargestellte Abbrandschaltanordnung
eines Leistungsschalters gemäss einer ersten Ausführungsform der Erfindung weist ein
feststehendes erstes Schaltstück auf, welches als Kontakttulpe 1 mit federnden Kontaktfingern
ausgebildet ist, die eine Schaltachse 2 umgibt. Als bewegliches zweites Schaltstück
ist ein Schaltstift 3 vorgesehen, der längs der Schaltachse 2 zwischen der dargestellten
Einschaltstellung und einer Ausschaltstellung, in der er hinter eine ihn in der Einschaltstellung
kontaktierende Gleittulpe 4 zurückgezogen ist, umstellbar ist. Zwischen der Kontakttulpe
1 und der Gleittulpe 4 liegt ein Lichtbogenraum 5, der in der Einschaltstellung vom
Schaltstift 3 eingenommen wird und allseitig von einem Druckraum 6 umgeben ist. Der
Lichtbogenraum 5 und der Druckraum 6 sind über eine ringförmige Blasöffnung 7 verbunden.
In Richtung der Schaltachse 2 schliessen an den Lichtbogenraum 5 einschaltseitig ein
erstes Auspuffvolumen 8a und ausschaltseitig ein zweites Auspuffvolumen 8b an, die
in der Ausschaltstellung durch von der Kontakttulpe 1 bzw. der Gleittulpe 4 umgebene
Auspuffe 9a, 9b mit demselben verbunden sind, während sie in der Ausschaltstellung
durch den Schaltstift 3 verschlossen sind. Der Leistungsschalter kann ausserdem nicht
dargestellte Nennstromkontakte aufweisen, welche bei einer Ausschaltung jeweils vor
den Schaltstücken der Abbrandkontaktanordnung getrennt werden.
[0010] An der Aussenwand des Druckraums 6 ist eine Ladung 10 eines Explosivstoffs angeordnet,
die denselben zum Teil ausfüllt und die mindestens unter bestimmten Umständen bei
einer Ausschaltung gezündet wird. Es kann auch eine Mehrzahl von über den Umfang des
Druckraums 6 verteilten Ladungen vorgesehen sein. Die Ladung 10 kann jedenfalls gepresst
in Tablettenform vorliegen oder auch patronenartig mit in einem Gehäuse abgefülltem
pulverigem Explosivstoff. Dieser kann die verschiedensten Zusammensetzungen aufweisen.
Er sollte allerdings bei seiner Explosion in Reaktionsprodukte umgesetzt werden, die
mindestens überwiegend zur Lichtbogenlöschung geeignet sind. Zwecks Vermeidung von
Umweltbelastungen wird dabei als Löschgas Stickstoff bevorzugt.
[0011] Zum Einsatz in erfindungsgemässen Schaltern geeignete für die Umwelt unschädliche
Explosivstoffe, deren Reaktionsprodukte einen hohen Anteil an Stickstoff aufweisen,
sind vor allem von sogenannten airbags, die als Sicherheitseinrichtungen in Kraftfahrzeugen
weit verbreitet sind, bekannt und auch zum Einsatz in erfindungsgemässen Schaltern
geeignet. Ein Beispiel ist 21NaN
3 + KNO
3 + 4Fe
2O
3 + 2,5SiO
2, das bei der Explosion in 10,5Na
2O + 0,5K
2O + 4Fe + 2,5SiO
2 + 4FeO + 32N
2 umgesetzt wird. Dieser Explosivstoff enthält keine Halogene und ist auch sonst umweltfreundlich,
so dass die Auspuffvolumina 8a,b auch offen sein können. Ein weiteres Beispiel eines
geeigneten Explosivstoffs ist eine Mischung von 71,6% SrNiO
3, 3,77% V6MO15O60, 3% Paraffin, 21,6% Guanidin-5,5'-Azotetrazolat, das in 8,2% CO
2, 31,1% H
2O, 43,7% N
2 und 15,6% SrCO
3 umgesetzt wird.
[0012] Bei einer Ausschaltung wird der Schaltstift 3 durch einen nicht dargestellten Schaltantrieb
nach unten bewegt, wobei er den Auspuff 9a, der den Lichtbogenraum 5 mit dem ersten
Auspuffvolumen 8a verbindet, freigibt. Zwischen dem Schaltstift 3 und der Kontakttulpe
1 wird dabei ein Lichtbogen gezogen, der, wenn die Spitze des Schaltstifts 3 die Gleittulpe
4 passiert, auf dieselbe kommutiert, so dass er zwischen der Kontakttulpe 1 und der
Gleittulpe 4 brennt. Der Schaltstift 3 wird weiter nach unten bewegt, bis er den Auspuff
9b zwischen dem Lichtbogenraum 5 und dem zweiten Auspuffvolumen 8b freigibt.
[0013] Durch Temperatur und Druck des Lichtbogens wird nun die Ladung 10 gezündet, worauf
der in derselben enthaltene Explosivstoff in sehr kurzer Zeit - ca. 10 bis 30 ms,
normalerweise jedenfalls höchstens 50 ms - in Gas umgesetzt wird, das einen hohen
Anteil an Löschgas - im oben angeführten Beispiel Stickstoff - enthält. Die Gasausbeute
liegt gewöhnlich bei mindestens 0,2 l/g, normalerweise bei 0,5 bis 1 l/g, so dass
im Druckraum 6 sehr rasch ein hoher Druck aufgebaut wird, der sich dann in einer starken
Gasströmung vom Druckraum 6 über den Lichtbogenraum 5 und die beiden Auspuffe 9a,b
in die beiden Auspuffvolumina 8a,b entlädt. Der Lichtbogen wird dabei intensiv beblasen
und gelöscht.
[0014] Statt durch direkte Einwirkung des Lichtbogens auf die Ladung 10 kann die Zündung
derselben auch durch eine separate Zündvorrichtung ausgelöst werden, die auf geeignete
Kriterien anspricht. Dies bietet die Möglichkeit, eine Zündung etwa nur dann auszulösen,
wenn die Stromstärke eine bestimmte Schwelle überschreitet, z. B. 10-fachen Nennstrom
erreicht, falls unterhalb der Schwelle eine Beblasung nicht nötig ist oder eine schwache,
für niedrige Fehlerströme ausreichende Beblasung durch andere Mittel vorgesehen ist.
Eine Zündung der Ladung 10, die ja ein Nachladen erforderlich macht, kann so auf diejenigen
Fälle beschränkt werden, in denen sie wirklich nötig ist.
[0015] Eine weitere Möglichkeit, mit welcher ein aufwendiger Nachlademechanismus vermieden
werden kann,ist eine schichtweise Konfektionierung der Ladungen des Explosivstoffs.
Zwischen den einzelnen Schichten des Explosivstoffs sind Schichten eines elektrisch
isolierenden Materials definierter Stärke zur räumlichen Trennung derselben vorgesehen.
Unter der Einwirkung eines Lichtbogens verdampft jeweils die oberste Schicht des isolierenden
Materials und gibt so die nächste Schicht des Explosivstoffs frei, die dann gezündet
wird und gasbildend abbrennt. Diese Zündung erfolgt in der Regel durch den Lichtbogen,
es sind jedoch auch andere Zündmechanismen vorstellbar. Bei einem besonders stromstarken
und lange brennenden Lichtbogen können nacheinander mehrere Schichten abdampfen und
abbrennen. Diese Anordnung des Explosivstoffs hat den besonderen Vorteil, dass die
Gaserzeugung über einen grösseren Zeitraum verteilt wird, sodass eine besonders intensive
und lange dauernde Beblasung des Lichtbogens erreicht wird.
[0016] Daneben kann ein erfindungsgemässer Leistungsschalter auch mit einem konventionellen,
auf niedrige Fehlerströme ausgelegten Leistungsschalter in Reihe gelegt werden, der
die Unterbrechung derselben bis zu einer bestimmten Stromstärke übernimmt, während
eine Ausschaltung des erfindungsgemässen Leistungsschalters nur dann ausgelöst wird,
wenn ein höherer Fehlerstrom auftritt.
[0017] Die in Fig. 2 schematisch dargestellte Abbrandschaltanordnung eines erfindungsgemässen
Leistungsschalters gemäss einer zweiten Ausführungsform entspricht in seinem grundsätzlichen
Aufbau demjenigen gemäss der ersten Ausführungsform. Insoweit wird auf die Beschreibung
des letzteren verwiesen. Er weist jedoch zusätzlich mehrere ausschaltseitig an den
Druckraum 6 anschliessende, die Schaltachse 2 umgebende und zu derselben parallele
Zylinder 11 auf, in welchen mit dem Schaltstift 3 fest verbundene Kolben 12 verschieblich
angeordnet sind.
[0018] Bei Zündung der Ladung 10 wirkt sich der Druckaufbau im Druckraum 6 auch dahingehend
aus, dass die Kolben 12 in den Zylindern 11 mit einer in Ausschaltrichtung wirkenden
Kraft beaufschlagt werden. Dies bewirkt oder unterstützt die Ausschaltbewegung des
Schaltstiftes 3. Bezüglich der Zündung der Ladung 10 bestehen dabei weiterhin die
oben beschriebenen Möglichkeiten. Es kann zuerst durch einen mechanischen Antrieb
der Schaltstift 3 so weit gegen die Ausschaltstellung bewegt werden, bis sich ein
Lichtbogen bildet, der für die Auslösung der Zündung ausreicht. Die auf die Kolben
12 wirkende Kraft unterstützt dann nur einen Teil der Ausschaltbewegung. Daneben kann
die Zündung auch anderweitig ausgelöst werden, z. B. wenn sich der Schaltstift 3 noch
in der Einschaltstellung befindet. Der einsetzende Druckaufbau führt dann von Anfang
an zu einer auf die Kolben 12 wirkenden Kraft, welche die gesamte Ausschaltbewegung
unterstützt oder bei ausreichender Dimensionierung von Zylindern, Kolben und Ladung
sogar allein bewirkt, sodass auf einen mechanischen Schaltantrieb ganz verzichtet
werden kann.
[0019] Die in Fig. 3 schematisch dargestellte Abbrandschaltanordnung eines erfindungsgemässen
Leistungsschalters gemäss einer dritten Ausführungsform entspricht wiederum in wesentlichen
Zügen demjenigen gemäss der ersten Ausführungsform. Doch ist lediglich ein ausschaltseitig
angeordnetes, mit dem Lichtbogenraum über einen Auspuff 9 verbundenes Auspuffvolumen
8 vorhanden, während einschaltseitig des Lichtbogenraums 5 und mit demselben über
eine von der Kontakttulpe 1 umgebene runde Blasöffnung 7 verbunden, ein Druckraum
6 mit einer Ladung 10 angeordnet ist. In der Einschaltstellung füllt der Schaltstift
den Auspuff 9 und mit seiner Spitze auch den unteren Teil der Blasöffnung 7 im Querschnitt
vollständig aus. Der Lichtbogenraum 5 ist von einem ringförmigen Heizvolumen 13 umgeben,
das gegen denselben offen ist.
[0020] Zur Auslösung einer Ausschaltung wird, wiederum beispielsweise dann, wenn ein Fehlerstrom
auftritt, der eine bestimmte Schwelle überschreitet, die Ladung 10 gezündet. Dies
führt wiederum zu einem raschen Druckaufbau im Druckraum 6, welche den Schaltstift
3, der hier zugleich als Kolben wirkt, mit einer in Ausschaltrichtung wirkenden Kraft
beaufschlagt. Er wird dadurch gegen die Ausschaltrichtung bewegt und aus der Kontakttulpe
1 gedrückt, wobei er einen Lichtbogen zieht. Durch das in den Lichtbogenraum 5 nachströmende
Löschgas wird dieser Lichtbogen von vornherein stark beblasen, doch wird dies in der
Regel für eine Löschung noch nicht genügen. Das Löschgas strömt in das Heizvolumen
13, wo es durch den Lichtbogen stark aufgeheizt wird und der Druck entsprechend ansteigt.
Nachdem der Schaltstift 3 auch den Auspuff 9 zum Auspuffvolumen 8 freigegeben hat,
entlädt sich, insbesondere bei einem Nulldurchgang, der im Heizvolumen 13 herrschende
Druck durch eine starke Gasströmung über den Lichtbogenraum 5 und den Auspuff 9 in
das Auspuffvolumen 8, z. T. auch durch die Blasöffnung 7 in das Druckvolumen 6. Dadurch
wird der Lichtbogen kräftig beblasen und gelöscht.
[0021] Im Rahmen der Erfindung sind viele Abwandlungen der beschriebenen Ausführungen möglich.
So können etwa mehrere Druckräume mit Ladungen vorgesehen sein, die z. B. in vorgesehenen
zeitlichen Abständen oder auch in Abhängigkeit von der Position des Schaltstiftes
gezündet werden. Wie bereits angedeutet, ist auch eine Kombination mit einer konventionellen
Vorrichtung zur Beblasung möglich, die etwa bei geringeren Stromstärken genügt und
eine Zündung von Ladungen nur bei grossen Fehlerströmen erforderlich macht.
[0022] Der Druckraum kann jeweils auch verhältnismässig klein und von der Ladung vollständig
ausgefüllt sein. Bei der Abbrandschaltanordnung gemäss der dritten Ausführungsform
kann auf das Heizvolumen verzichtet werden, falls die Ladung so bemessen ist, dass
die bei der Zündung derselben erzeugte Löschgasströmung für die Löschung des Lichtbogens
sicher ausreicht.
[0023] Es können auch mechanische Vorrichtungen zum automatischen Ersetzen verbrauchter
Ladungen durch neue vorgesehen werden, wie dies z. B. aus der US-A-4 617 436 bekannt
ist. Zur Einschaltung kann ein einfacher mechanischer Antrieb vorgesehen sein oder,
wenn mit dem erfindungsgemässen Leistungsschalter ein weiterer Schalter oder Trenner
in Reihe liegt, eine Rückstellfeder, die den Schaltstift nach einer Ausschaltung gleich
wieder in Einschaltstellung bringt.
Bezugszeichenliste
[0024]
- 1
- Kontakttulpe
- 2
- Schaltachse
- 3
- Schaltstift
- 4
- Gleittulpe
- 5
- Lichtbogenraum
- 6
- Druckraum
- 7
- Blasöffnung
- 8; 8a,b
- Auspuffvolumina
- 9; 9a,b
- Auspuffe
- 10
- Ladung
- 11
- Zylinder
- 12
- Kolben
- 13
- Heizvolumen
1. Leistungsschalter mit mindestens einer Abbrandschaltanordnung, welche ein erstes Schaltstück
und ein relativ zu demselben längs einer Schaltachse (2) zwischen einer Einschaltstellung,
in welcher es das erste Schaltstück berührt und einer Ausschaltstellung, in welcher
es von demselben in axialer Richtung beabstandet ist und einen zwischen den Schaltstücken
liegenden Lichtbogenraum (5) freigibt, umstellbares zweites Schaltstück umfasst, mit
mindestens einem Auspuff (9; 9a, 9b), über welchen der Lichtbogenraum mit mindestens
einem Auspuffvolumen (8; 8a, 8b) verbunden ist sowie mit mindestens einem Druckraum
(6), welcher über den Lichtbogenraum (5) mit dem mindestens einen Auspuff (9; 9a,
9b) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass im mindestens einen Druckraum (6) mindestens eine bei einer Ausschaltung zündbare
Ladung (10) eines Explosivstoffs angeordnet ist, der bei der Explosion mindestens
zum Teil in Löschgas umgesetzt wird.
2. Leistungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Ladung (10) innerhalb von höchstens 50 ms nach der Zündung abbrennt.
3. Leistungsschalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Explosivstoff zu mindestens 0,2 l/g in Gas umgesetzt wird.
4. Leistungsschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Löschgas mindestens überwiegend aus Stickstoff besteht.
5. Leistungsschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Druckraum (6) von der mindestens einen Ladung (10) nur zum Teil
ausgefüllt wird.
6. Leistungsschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass er mindestens einen Kolben (12) aufweist, auf welchen bei Explosion der mindestens
einen Ladung (10) in mindestens einem Druckraum (6) zur Beaufschlagung des zweiten
Schaltstücks mit einer in Ausschaltrichtung wirkenden Kraft Gas aus dem Druckraum
(6) einwirkt.
7. Leistungsschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Kolben (12) in einem Zylinder (11), welcher mit dem Druckraum
(6) verbunden ist, verschieblich angeordnet ist.
8. Leistungsschalter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Zylinder (11) vom zweiten Schaltstück beabstandet parallel zur
Schaltachse (2) angeordnet ist.
9. Leistungsschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Druckraum (6) den Lichtbogenraum (5) ringförmig umgibt und eine gegen
denselben gerichtete Blasöffnung (7) aufweist.
10. Leistungsschalter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Schaltstück als Schaltstift (3) ausgebildet ist, der zugleich als Kolben
wirkt, indem seine Spitze im Einschaltzustand in eine Blasöffnung (7), welche den
Lichtbogenraum (5) mit mindestens einem Druckraum (6) verbindet, ragt und deren Querschnitt
mindestens annähernd ausfüllt.
11. Leistungsschalter nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Druckraum (6) in Einschaltrichtung an den Lichtbogenraum (5)
anschliessend angeordnet ist.
12. Leistungsschalter nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Heizvolumen (13) seitlich des Lichtbogenraums (5) angeordnet und gegen
denselben offen ist.
13. Leistungsschalter nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizvolumen (13) den Lichtbogenraum (5) ringförmig umgibt.
14. Leistungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine zündbare Ladung (10) schichtweise aufgebaut ist, wobei zwischen
den einzelnen Schichten verdampfbares elektrisch isolierendes Material vorgesehen
ist.