Schnelle mechanische Schaltstelle

Abstract

 Die Schaltstelle eines Hoch- oder Mittelstromschalters enthält zwei feststehende Schaltstücke (1, 2), die zylinderförmig ausgebildet sind und koaxial ineinandergeführt einen ringförmigen Spalt (81) bilden. Ein bewegliches, in Form eines Kontaktrings (3) ausgebildetes Brückenschaltstück ist im geschlossenen Zustand der Schaltstelle in den ringförmigen Spalt (81) eingepasst. Ein zwei Spulen umfassender, elektrodynamischer Antrieb bewegt den Kontaktring (3) in axialer Richtung.
Dank der geringen Masse des Kontaktrings (3), dem einzigen bewegten Teils der Schaltstelle, lässt sich die Schaltstelle sehr schnell und effizient ein- und ausschalten.

Beschreibung

TECHNISCHES GEBIET

[0001] Bei der Erfindung wird ausgegangen von einer Schaltstelle eines Hoch- oder Mittelspannungsschalters nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.

STAND DER TECHNIK

[0002] Eine Schaltstelle der obengenannten Art ist in EP 0 147 036 beschrieben. Ein an einer elektrisch leitenden Scheibe befestigtes Brückenschaltstück schliesst zwei feststehende Schaltstücke im geschlossenen Zustand der Schaltstelle kurz. Auf beiden Seiten der Scheibe ist je eine flache Spule derart angebracht, dass die Scheibe zwischen den beiden Spulen mittels elektrodynamischer Kräfte bewegt werden kann, wodurch das Brückenschaltstück den Kurzschluss zwischen den feststehenden Schaltstücken aufhebt, beziehungsweise wieder herstellt. Im geschlossenen Zustand der Schaltstelle wird in die erste Spule ein Strom eingespiesen, der in der Scheibe einen dem Strom in der Spule entgegengesetzt gerichteten Wirbelstrom bewirkt. Die beiden Ströme haben aufeinander eine abstossende Wirkung, wodurch sich die bewegliche Scheibe von der feststehenden Spule entfernt und das Brückenschaltstück den Kurzschluss zwischen den feststehenden Schaltstücken aufhebt. Um die Scheibe zurückzubewegen und das Brückenschaltstück wieder kurzschliessend an die feststehenden Schaltstücke zu bringen, wird in die zweite Spule ein Strom eingespiesen.

KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

[0003] Der Erfindung, wie sie in den Patentansprüchen angegeben ist, liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltstelle der eingangs genannten Art anzugeben, welche schnell und mit geringem Energieaufwand geöffnet und geschlossen werden kann.

[0004] Die erfindungsgemässe Schaltstelle ist axialsymmetrisch ausgebildet. Dadurch gelingt es, unerwünschte Streuinduktivitäten weitgehend zu vermeiden, was besonders bei einer allfälligen Kommutierung des Stroms auf ein Parallelpfad vorteilhaft ist. Der zur Bildung der Kräfte eines elektrodynamischen Kontaktantriebs notwendige Induktionsstrom wird im nennstromführenden, beweglichen Brückenschaltstück generiert, wodurch ein sonst üblicherweise vorgesehenes scheibenförmiges Teil zur Führung des Induktionsstroms und damit zusätzliche zu beschleunigende Masse eingespart werden kann. Hierdurch wird die zum Erzielen einer bestimmten Öffnungs- bzw. Schliessgeschwindigkeit der Schaltstelle notwendige Antriebsenergie minimiert. Beim Öffnen entstehen zudem zwei Kontaktspalte, welche jeweils von einem von zwei in Serie geschalteten Teillichtbögen überbrückt sind. Durch diese Serienschaltung von Teillichtbögen erhöht sich die an einer Kontaktanordnung der Schaltstelle abfallende Lichtbogenspannung, womit wiederum bei einem allfälligen Parallelpfad besonders rasch und wirkungsvoll kommutiert werden kann.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

[0005] Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung und die damit erzielbaren weiteren Vorteile werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigt:

Fig. 1

eine Aufsicht auf einen längs einer Achse geführten Schnitt durch eine Kontaktanordnung und zwei Spulen der Schaltstelle nach der Erfindung im geschlossenen Zustand,

Fig. 2

die Kontaktanordnung und die Spulen der Schaltstelle nach Fig. 1 im geöffneten Zustand,

Fig. 3

eine erste Ausführungsform der Schaltstelle nach der Erfindung mit einem vergrössert dargestelltem Teil der Kontaktanordnung nach Fig. 2 mit einem Teil einer ersten leistungselektronischen Steuereinheit zu Beginn eines Schliessvorgangs,

Fig. 4

eine schematische Darstellung der Schaltstelle nach Fig. 3 mit der ersten Steuereinheit, und

Fig. 5

eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der Schaltstelle nach der Erfindung mit einer zweiten leistungselektronischen Steuereinheit.

WEG ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

[0006] In allen Figuren beziehen sich gleiche Bezugszeichen auf gleichwirkende Teile. Fig. 1 zeigt eine Kontaktanordnung der erfindungsgemässe Schaltstelle in geschlossenem Zustand. Ein Nennstrom IN fliesst von einem ersten Anschluss 11 durch ein feststehendes Schaltstück 1, ein bewegliches, als Kontaktring 3 ausgebildetes Brückenschaltstück sowie ein feststehendes Schaltstück 2 zu einem zweiten Anschluss 21. Das feststehende Schaltstück 1 ist als Scheibe ausgebildet und von dem feststehende Schaltstück 2 umgeben, welches im wesentlichen zylinderförmig ausgebildet ist. Die beiden koaxial ineinandergeführten, feststehenden Schaltstücke 1 und 2 sowie der dazwischen eingepasste Kontaktring 3 bilden zusammen die Kontaktanordnung. Die Kontaktanordnung wird von einem elektrisch isolierenden Kontaktträger 7 getragen. Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, lässt sich der Kreisring 3 in axialer Richtung bewegen. Dadurch kann die Kontaktanordnung geöffnet und der Nennstrom IN unterbrochen werden. Um den Kontaktring 3 anzutreiben enthält die Schaltstelle einen elektrodynamischen Antrieb, mit zwei ringförmigen, flachen Spulen 5 und 6. Die beiden Spulen 5 und 6 begrenzen in der axialen Richtung einen Ringraum 8, in welchem sich der Kreisring 3 hin- und herbewegt. In radialer Richtung wird der Ringraum 8 durch einen Isolierkörper 4 begrenzt, welcher zudem die Spule 6 trägt.

[0007] Die genaue geometrische Ausführung der Kontaktanordnung ist aus Fig. 3 ersichtlich. Die beiden feststehenden Schaltstücke 1 und 2 bilden einen Spalt 81. Dieser Spalt ist so breit, dass im geschlossenen Zustand der Schaltstelle der Kontaktring 3 genau hineinpasst und beidseitig guten, elektrischen Kontakt mit den feststehenden Schaltstücken 1 und 2 hat. Die Schaltstücke 1 und 2 sind gegen den Spalt 81 hin mit Kontaktfingern K versehen. Die Kontaktfinger K sind durch Schlitze L voneinander getrennt und haben eine geringe Federwirkung in radialer Richtung. Dadurch wird der mechanische Halt des Kontaktrings 3 im Spalt 81 sowie der elektrische Kontakt verbessert. Unterhalb des Spalts 81 ist die erste Spule 5 angebracht, die für das Öffnen der Kontaktanordnung benötigt wird. Im dargestellten, geöffneten Zustand der Schaltstelle befindet sich der Kontaktring 3 am anderen Ende des Ringraums 8, in einer Haltevorrichtung 10, deren Aufgabe es ist, den Kontaktring 3 festzuhalten. Oberhalb der Haltevorrichtung 10 ist die zweite Spule 6 angebracht, die für das Schliessen der Kontaktanordnung benötigt wird. Der Isolierkörper 4 ist druckfest und ist gasdicht auf den feststehenden Schaltstücken 1 und 2 befestigt. Der Ringraum 8 weist zwischen dem Spalt 81 und der Haltevorrichtung 10 einen in radialer Richtung aufgeweiteten Bereich 82 auf. Der Ringraum 8 ist mit einem gasförmigen Medium gefüllt, zum Beispiel Luft oder SF₆ unter atmosphärischem oder höherem Druck.

[0008] Die beiden Spulen 5 und 6 werden von einer leistungselektronischen Steuereinheit 9 gespiesen. Fig. 3 und Fig. 4 zeigen eine erste Ausführungsform der Steuereinheit 9 der erfindungsgemässen Schaltstelle. Ein erster Kondensator C_S und zwei Thyristoren T_S1 und T_S2 mit antiparallel geschalteten Freilaufdioden D_S2 und D_S1 sind mit der Spule 6 zu einem ersten Kreis geschaltet. Analog dazu sind ein zweiter Kondensator C_O und zwei weitere Thyristoren T_O1 und T_O2 mit antiparalell geschalteten Freilaufdioden D_O2 und D_O1 mit der Spule 5 zu einem zweiten Schwingkreis geschaltet.

[0009] Die Funktionsweise des Antriebs der Schaltstelle wird anhand eines Schliessvorgangs erläutert, wie er in Fig. 3 dargestellt ist. Der Kontaktring 3 befindet sich in der Haltevorrichtung 10, der Kondensator C_S ist positiv geladen und die beiden Thyristoren T_S1 und T_S2 sind gesperrt. Durch Zünden des bezüglich der Ladespannung des Kondensators C_S positiv gepolten Thyristors T_S1 wird der Kondensator C_S über T_S1, die Spule 6 und die Freilaufdiode D_S1 entladen. Es ergibt sich ein sinusförmiger Stromimpuls I_S in der Antriebsspule 6, welcher in dem direkt darunterliegenden Kontaktring 3 einen Wirbelstrom I_W bewirkt. Der Antriebsstrom Is und der Wirbelstrom I_W haben entgegengesetzte Richtung, wodurch sich eine abstossende Wirkung Fs zwischen Kontaktring 3 und Spule 6 ergibt. Die Spule 6 ist mit dem Isolierkörper 4 fest verbunden. Der Kontaktring 3 wird nach unten beschleunigt und erst beim Eintreten in den Spalt 81 durch ein im Spalt 81 eingeschlossenes Luftpolster sowie durch Reibwirkung gedämpft. Beim Auftreffen auf der darunter angebrachten Spule 5 wird er schliesslich endgültig gebremst. Der Kondensator C_S bildet mit der Spule 6 einen Serienschwingkreis. Ein einmaliges Zünden des Thyristors T_S1 hat also einen Umschwingvorgang des Kondensators C_S zur Folge. Der Kondensator C_S ist nun negativ mit einer etwas kleineren als der ursprünglichen Spannung geladen, da die ohmschen Widerstände im Kreis elektrische Verluste ergeben. Um nun ein Zurückprallen des Kontaktringes 3 aus der vollständig geschlossenen Position im Spalt 81 zu verhindern, wird der Thyristor T_S2 gezündet, womit sich der Kondensator C_S über T_S2, der Spule 6 und der Freilaufdiode D_S2 ein zweites Mal umlädt. Aufgrund des grösseren Abstandes des Kontaktringes 3 zur Spule 6 ergibt sich nun ein geringerer Kraftimpuls F_S auf den Kontaktring. Dieser reicht aber aus, um das Zurückprallen des Ringes aus der vollständig geschlossenen Position zu verhindern.

[0010] Das aufeinanderfolgende Zünden der Thyristoren T_S1 und T_S2 hat den wesentlichen Vorteil, dass die feststehenden Schaltstücke 1 und 2 nicht nach der Bremskraft auf den Kontaktring 3 beim Schliessvorgang dimensioniert werden müssen. Der Kontaktring 3 muss nur genügend kinetische Energie besitzen, um entgegen der Reibung der feststehenden Schaltstücke 1 und 2 die vollständig geschlossene Position zu erreichen. Ein Zurückprallen von dort ist wegen des nun folgenden zweiten Kraftstosses nicht möglich. Weiter hat das zweite Auslösen den Vorteil, dass der Kondensator C_S dabei wieder umschwingt und also wieder positiv geladen ist. Eine Ladeeinrichtung, welche nur positive Ladespannungen erzeugen kann, kann nun direkt wieder zugeschalten werden, um den Kondensator C_S nachzuladen. Wegen der schon vorhandenen Restladespannung wird dieser Wiederaufladevorgang auch deutlich schneller sein als ein Neuladevorgang. Für Anwendungen, bei denen ein wiederholtes Auslösen vonnöten ist, kann damit die Ladevorrichtung niedriger dimensioniert werden.

[0011] Ein Öffnungsvorgang entspricht im wesentlichen dem Schliessvorgang. Der Kontaktring 3 befindet sich in dem Spalt 81, der Kondensator C_O ist positiv geladen und die beiden Thyristoren T_O1 und T_O2 sind gesperrt. Durch Zünden des bezüglich der Ladespannung des Kondensators C_O positiv gepolten Thyristors T_O1 (oder T_O2) wird der Kondensator C_O über T_O1 (T_O2), die Spule 5 und die Freilaufdiode D_O1 (D_O2) entladen. Der Strom bewirkt wiederum einen Wirbelstrom im Kontaktring 3, der daraufhin in axialer Richtung beschleunigt und von den feststehenden Schaltstücken 1 und 2 unter Bildung von zwei in Serie geschalteten Teillichtbögen losgelöst wird. Der Kontaktring 3 bewegt sich im Ringraum 8 in axialer Richtung und wird erst wieder von der Haltevorrichtung 10 verzögert. In der dargestellten Ausführungsform ist die Haltevorrichtung 10 in Form einer Verengung des Ringraums 8 ausgebildet. Der Kontaktring wird bei Erreichen der Ringraumverengung 10 durch Reibung vollständig abgebremst und festgehalten. Die Schlitze L in den feststehenden Schaltstücken 1 und 2 verhindern eine Wirbelstrombildung in den feststehenden Schaltstücken 1 und 2. Die Schlitze L verlaufen vom Spalt 81 weg in radialer Richtung und haben eine Länge von etwa 1 cm.

[0012] Sowohl für den Schliessvorgang wie für den Öffnungsvorgang basiert der Antrieb auf dem Prinzip der elektrodynamischen Abstossung. Besonders vorteilhaft ist, dass ausschliesslich der Kontaktring 3 mechanisch bewegt wird. Es bedarf keiner weiteren bewegten Teile für Kraftübertragung, Auslösung oder Energiespeicherung. Der elektrodynamische Antrieb hat weiter die Vorteile der exakten Triggerbarkeit durch Zünden eines Thyristors, der kurzzeitigen, schnell wirkenden und sehr hohen Impulskraft und der gleichmässigen Kraftwirkung auf den Kontaktring. Dank der axialsymmetrischen Ausbildung der Kontaktanordnung der Schaltstelle nach der Erfindung wird der Kontaktring 3 ohne mechanische Führungselemente durch den erweiterten Bereich 82 des Ringraums 8 geführt. Die Haltevorrichtung mit der konisch verlaufenden Ringraumverengung 10 am oberen Ende des Ringraums 8 und die konisch geschrägten, feststehenden Schaltstücke 1 und 2 am unteren Ende des Ringraums 8 bewirken inhärent eine Zentrierung des Kontaktrings 3.

[0013] Die innere Geometrie des Ringraums 8 kann mit Vorteil dazu benutzt werden, den Kontaktring 3 während dem Öffnungsvorgang zu verzögern oder auch um im Ringraum 8 eine geeignete Strömung des dort vorhandenen gasförmigen Mediums zu erreichen. Das ist von entscheidender Bedeutung, wenn der Kontaktring 3 zu einem Zeitpunkt Kontakt verliert, an dem der Nennstrom IN nicht Null ist. Auch bei Vorhandensein eines niederohmigen und niederinduktiven Parallelpfades werden sich Kommutierungslichtbögen zwischen den feststehenden Schaltstücken 1 und 2 und dem Kontaktring 3 ausbilden, welche durch die Strömung im Ringraum 8 und durch den Isolierkörper 4 gekühlt werden. Dies hat eine höhere Lichtbogenspannung zur Folge, was wiederum den Kommutierungsvorgang beschleunigt.

[0014] In einer zweiten Ausführungsform der Steuereinheit der erfindungsgemässen Schaltstelle gemäss Fig. 5 ist nur eine Kapazität C vorgesehen, die über Thyristoren T1 und T2 mit antiparallel geschalteten Dioden D2 und D1 mittels einem Schalter S wahlweise mit einer der Spulen 5 oder 6 zu einem Kreis geschaltet werden kann.

[0015] Die geometrischen Masse der Kontaktanordung der erfindungsgemässen Schaltstelle hängen von den elektrischen Nenndaten der Schaltstelle ab. Bei einem Nennstrom IN der Schaltstelle von 5 kA und einer Nennspannung von 12 kV beträgt der Durchmesser des Kontaktrings 3 ca. 250 mm. Seine der Breite des Spalts 81 entsprechende Dicke beträgt 8 mm. Bei einer Höhe von einigen Milimetern hat der aus versilbertem Aluminium aufgebaute Kontaktring 3 eine Masse von einigen 10 bis zu 100 Gramm. Die Schaltzeit für eine Schaltstelle dieser Grösse beträgt ca. 1 ms pro Schaltvorgang.

BEZUGSZEICHENLISTE

[0016] 

1, 2

Feststehende Schaltstücke

11, 21

Zuleitungen zu den feststehenden Schaltstücken

3

Kontaktring

4

Isolierkörper

5

Antriebsspule Öffnungsantrieb

6

Antriebsspulen Schliessantrieb

7

Isolierender Träger des Kontaktsystems

8

Ringraum

81

Spalt

82

Verbreiterte Stelle des Ringraums

9

Steuereinheit für Antriebsspulen

10

Haltevorrichtung

C, C_S, C_O

Kondensatoren zur Speicherung der Antriebsenergie

D₁, D₂, D_S1, D_S2, D_O1, D_O2

Freilaufdioden

L

Schlitze in den feststehenden Schaltstücken

K

Kontaktfinger

S

Schalter

T₁, T₂, T_S1, T_S2, T_O1, T_O2

Thyristoren

Ansprüche

1. Schaltstelle eines Hoch- oder Mittelspannungsschalters, enthaltend zwei feststehende Schaltstücke (1, 2), ein bewegliches, elektrisch leitendes Brückenschaltstück, welches im geschlossenen Zustand der Schaltstelle die feststehenden Schaltstücke (1, 2) kurzschliesst, und einen zwei Spulen (5, 6) und eine leistungselektronische Steuereinheit (9) zur Speisung der Spulen (5, 6) umfassenden Antrieb zum Bewegen des Brückenschaltstücks, dadurch gekennzeichnet, dass die feststehenden Schaltstücke (1, 2), das Brückenschaltstück (3) und die Spulen (5, 6) symmetrisch bezüglich einer Achse angeordnet sind, dass die feststehenden Schaltstücke (1, 2) als ineinandergeführte Zylinder ausgebildet sind und einen ringförmigen Spalt (81) begrenzen, dass das Brückenschaltstück in Form eines in axialer Richtung bewegbaren Kontaktrings (3) ausgebildet ist, der im geschlossenen Zustand der Schaltstelle in dem ringförmigen Spalt (81) eingepasst ist, und dass die beiden Spulen (5, 6) beidseits des Kontaktrings (3), in axialer Richtung gegeneinander versetzt angeordnet sind.

2. Schaltstelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste der beiden Spulen (6) von einem Isolierkörper (4) gehalten wird, dass der Isolierkörper (4) einen Ringraum (8) zumindest abschnittsweise begrenzt, dass sich der Ringraum (8) in axialer Richtung zwischen den Spulen (5, 6) erstreckt, und dass der Kontaktring (3) im Ringraum (8) angeordnet ist.

3. Schaltstelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Isolierkörper (4) eine Vorrichtung (10) zum Halten des Kontakrings (3) im geöffneten Zustand der Schaltstelle enthält.

4. Schaltstelle nach Anpruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Haltevorrichtung (10) als Verengung des Ringraums (8) im Bereich der ersten Spule (6) ausgebildet ist.

5. Schaltstelle nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der in axialer Richtung ausgedehnte Ringraum (8) einen in radialer Richtung aufgeweiteten Bereich (82) aufweist.

6. Schaltstelle nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Isolierkörper (4) druckfest ausgebildet ist, und dass in dem Ringraum (8) ein gasförmiges Medium eingeschlossen ist.

7. Schaltstelle nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (9) eine Kapazität (C) enthält, welche über einen Schalter (S) wahlweise mit einer der beiden Spulen (5, 6) über richtungsbezogene Ventile zu einem elektrischen Kreis schaltbar ist.

8. Schaltstelle nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (9) zwei Kapazitäten (C_S, C_O) enthält, von denen die erste Kapazität (C_S) mit der ersten Spule (6) über richtungsbezogene Ventile zu einem ersten elektrischen Kreis geschaltet ist, und die zweite Kapazität (C_O) mit der zweiten Spule (5) über richtungsbezogene Ventile zu einem zweiten elektrischen Kreis geschaltet ist.

9. Schaltstelle nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass pro Kreis zwei entgegengesetzt gerichtete Ventile in Serie geschaltet sind.

10. Schaltstelle nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventile als Thyristoren (T₁, T₂, T_S1, T_S2, T_O1, T_O2) mit antiparallel geschalteter Freilaufdiode (D₂, D₁, D_S2, D_S1, D_O2, D_O1) ausgebildet sind.

11. Schaltstelle nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die feststehenden Schaltstücke (1, 2) je mindestens einen, vom Spalt (81) weg in radialer Richtung verlaufenden Schlitz (L) aufweisen.

Zeichnung