Elektrischer Schnellschalter

Abstract

 Es wird ein einfacher und kostengünstig herstellbarer Schnellschalter für abzuschaltende Wechselströme angegeben, der mittels einer gaserzeugenden Sprengladung (4) innerhalb einer Halbschwingung beim Nulldurchgang des Stromes diesen abschaltet. Dabei wird ein Schaltkolben (2), der im Schließzustand des Schnellschalters mit einem Abbrandkontaktstift (K1) einer 1. Elektrode (E1) in Gleitkontakt steht, in Richtung einer Hohlelektrode (E2) bewegt. Der Schaltkolben (2) weist ein Kontaktrohr (2') mit einer Auspufföffnung (3) auf, welche im Schließzustand des Schnellschalters durch die Hohlelektrode (E2) verschlossen und in einem Öffnungszustand des Schnellschalters (linke Bildhälfte) zu einer Auspuffkammer (8) hin geöffnet ist. Das Kontaktrohr (2') ist in einer Aussparung der Hohlelektrode (E2) gleitend beweglich. In der 1. Elektrode (E1) können mehrere Sprengladungen (4) untergebracht sein. Zusätzlich können zwischen der 1. Elektrode (E1) und dem Schaltkolben (2) vorgesehene Nennstromkontakte einen Dauerstrom im eingeschalteten Zustand übernehmen. Der Schnellschalter eignet sich besonders als zusätzlicher Schalter zu einem Leistungsschalter, wobei eine Auslösung des Schnellschalters unabhängig von einem Auslösesignal für den Leistungsschalter erfolgen kann.

Beschreibung

TECHNISCHES GEBIET

[0001] Bei der Erfindung wird ausgegangen von einem elektrischen Schnellschalter nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Die Erfindung betrifft auch eine Verwendung des Schnellschalters.

STAND DER TECHNIK

[0002] Mit dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 nimmt die Erfindung auf einen Stand der Technik Bezug, wie er aus der DE 3 537 314 A1 bekannt ist. Dort ist eine Vorrichtung zum Unterbrechen von Strom beschrieben, bei der eine elektrische Verbindung durch die Explosion einer Sprengladung aufgetrennt wird. Ein rohrförmiger Überbrückungskontakt aus duktilem Material zwischen einer 1. und 2. Elektrode weist innenseitig Einkerbungen als Sollbruchstellen und außen eine Sprengladung innerhalb einer Druckkammer auf. Überschreitet der zu überwachende Strom einen vorgebbaren Stromgrenzwert, so wird die Sprengladung gezündet. Ein dabei entstehender Lichtbogen wird durch das aus der Druckkammer ausströmende Mischgas beblasen und beim nächsten Stromnulldurchgang gelöscht. Nachteilig dabei ist, daß außer der Sprengladung auch die Elektroden und der Überbrückungskontakt nach jeder Ausschaltung ersetzt werden müssen. Durch den Lichtbogen wird elektronegatives Gas, als Bestandteil des Mischgases, aus der Auskleidung der Innenwand der Druckkammer ausgelöst, was zu deren Aufbrauch führt.

[0003] Aus der DE 19 613 568 A1 ist ein Leistungsschalter für Betriebsspannungen bis 30 kV bekannt, bei dem 1. und 2. Elektroden im Schließzustand durch einen beweglichen, kreiszylindrischen Schaltstift als Überbrückungskontakt elektrisch leitend verbunden sind. Zwischen den Elektroden ist der Schaltstift umfangseitig von einer Druckkammer umgeben. Parallel zur Leistungsstrombahn kann eine mit beweglichen Nennstromkontakten versehene Nennstrombahn angeordnet sein. Beim Ausschalten des Leistungsschalters wird zuerst die Nennstrombahn unterbrochen, wodurch der Strom auf die Leistungsstrombahn kommutiert. Danach wird die Leistungsstrombahn unterbrochen. Dabei bildet sich ein Lichtbogen, der dann gelöscht wird. Der Antrieb für den Schaltstift, welcher beim Schalten eine Geschwindigkeit im Bereich von 10 m/s - 20 m/s erreichen kann, ist nicht näher angegeben. Der Schaltstift, der mit einem relativ aufwendigen Schaltantrieb für Nennstrom-Kontaktfinger verbunden ist, wird beim Schalten einer hohen Belastung ausgesetzt.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

[0004] Die Erfindung, wie sie im Patentanspruch 1 definiert ist, löst die Aufgabe, einen elektrischen Schnellschalter der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, daß der konstruktive Aufwand für Leitungen und Schaltgeräte reduziert wird.

[0005] Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen definiert.

[0006] Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, daß Elektroden und Überbrückungskontakt nicht nach jeder Schalthandlung erneuert werden müssen. Die einfache Konstruktion führt zu Kosteneinsparungen.

[0007] Der erfindungsgemäße Schnellschalter kann vorteilhaft als Reserveschalter zu einem Leistungsschalter verwendet werden.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

[0008] Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1

schematisch einen Querschnitt durch die Kontaktbereiche eines Schnellschalters mit einer Sprengladung, rechts im eingeschalteten, links im ausgeschalteten Zustand,

Fig. 2

schematisch einen Querschnitt durch einen Kontaktbereich eines Schnellschalters mit 3 Sprenqladunqen und

Fig. 3

schematisch einen Querschnitt durch die rechte Hälfte der Kontaktbereiche eines Schnellschalters mit zusätzlichen Nennstromkontakten.

WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

[0009] In den Figuren sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.

[0010] Fig. 1 zeigt schematisch eine Querschnittsansicht durch die Kontaktbereiche eines Schnellschalters mit einer Symmetrieachse bzw. Schalterachse (A), rechts in seinem eingeschalteten, links in seinem ausgeschalteten Zustand.

[0011] Im oberen Teil eines kreiszylindrischen Schaltergehäuses (1) ist eine 1. Elektrode (E1) mit einem Abbrandkontakt bzw. Abbrandkontaktstift (K1) und einer gaserzeugenden Ladung bzw. Sprengladung (4), an welcher eine Zündvorrichtung (4') angebracht ist, gasdicht gegenüber einer darunter befindlichen Hochdruckkammer (6) angeordnet. Im unteren Bereich des Schaltergehäuses (1) befindet sich eine 2. Elektrode bzw. Hohlelektrode (E2) mit einer Entlüftungsleitung (9) zur Entlüftung einer Niederdruckkammer bzw. Kolbenkammer (7) in eine Auspuffkammer (8) unterhalb der Hohlelektrode (E2). Ein rohrförmiger Überbrückungskontakt bzw. Schaltkolben (2) steht in Einschaltposition des Schnellschalters einerseits über ein Stromkontaktelement (K2) mit dem Abbrandkontaktstift (K1) in elektrisch gutleitender Gleitverbindung und andererseits mit der Innenwand des Schaltergehäuses (1) in gleitender Verbindung. Dieser Schaltkolben (2) weist ein axiales, elektrisch gutleitendes Kontaktrohr (2') auf, das in einer zentralen Öffnung der Hohlelektrode (E2) beweglich angeordnet ist und mit der Wandung dieser zentralen Öffnung in elektrisch gutleitendem Kontakt steht. Das Kontaktrohr (2') weist in seinem unteren Bereich eine Gasaustrittsöffnung bzw. Auspufföffnung (3) auf, welche in Einschaltposition des Schnellschalters unterhalb der oberen Fläche der Hohlelektrode (E2) liegt und somit durch diese verschlossen ist. Gas aus der Hochdruckkammer (6) kann in dieser Einschaltposition durch die Auspufföffnung (3) nicht entweichen.

[0012] Durch Zünden dieser Sprengladung (4) wird durch eine chemische Reaktion, wie bei einem Sicherheitsluftsack (airbag) eines Kraftfahrzeuges, kurzzeitig eine große Gasmenge freigesetzt, die durch Öffnungen bzw. Explosionsgaseintrittsöffnungen (5) in der 1. Elektrode (E1) in die Hochdruckkammer (6) strömt und dort einen Druck im Bereich von 5 MPa - 10 MPa erzeugt. Dieser Druck treibt den rohrförmigen Schaltkolben (2) in Bewegungsrichtung eines Pfeiles (B) nach unten. Dabei wird der elektrische Kontakt zwischen dem Abbrandkontaktstift (K1) und dem Stromkontaktelement (K2) unterbrochen, so daß sich zwischen dem Abbrandkontaktstift (K1) und der Innenwand des Kontaktrohres (2') ein Lichtbogen (10) ausbildet, der im weiteren Verlauf der Kolbenbewegung verlängert wird. Wenn der Schaltkolben (2) seine untere Position, vgl. die linke Seite von Fig. 1, erreicht, dann ist die Auspufföffnung (3) nach außen frei, und die Explosionsgase aus der Hochdruckkammer (6) können in die Auspuffkammer (8) entweichen. Dabei wird der Lichtbogen (10) beblasen und innerhalb einer Halbperiode des zu unterbrechenden Wechselstromes beim nächsten Stromnulldurchgang zum Erlöschen gebracht. Die Entlüftungsleitung (9) in der Hohlelektrode (E2) gewährleistet, daß der Schaltkolben (2) nicht durch das in der Kolbenkammer (7) komprimierte Gas in seinem Bewegungsablauf abgebremst wird.

[0013] Durch geeignete Bemessung der gaserzeugenden Sprengladung (4) kann der Druck in der Hochdruckkammer (6) so eingestellt werden, daß

1. die Bewegung des Schaltkolbens (2) und damit die Trennung des Abbrandkontaktstiftes (K1) von dem Stromkontaktelement (K2) in der gewünschten kurzen Zeit von wenigen ms erfolgt und

2. daß die durch das Abströmen des Explosionsgases erzeugte Beblasung des Lichtbogens (10) ausreicht, um den Strom zu unterbrechen und ggf. eine gewünschte hohe Lichtbogenspannung zu erzeugen.

[0014] Drücke im Bereich von 5 MPa - 10 MPa lassen sich leicht erreichen; sie erlauben Kontakttrennzeiten von einigen ms bei einer Distanz zwischen 1. Elektrode (E1) und Hohlelektrode (E2) von etwa 10 cm.

[0015] Das Volumen der Auspuffkammer (8) ist so dimensioniert, daß der Restdruck in der Hochdruckkammer (6) ausreicht, um die gewünschte dielektrische Festigkeit der offenen Kontaktstrecke zu gewährleisten.

[0016] Nach einer Schaltoperation kann der Schnellschalter durch Rückstellen des Kontaktrohres (2') und Ersetzen der gaserzeugenden Sprengladung (4) wieder schaltbereit gemacht werden. Im einfachsten Fall erfolgt dies durch eine manuelle Revision. Die Abschaltbereitschaft kann aber auch durch einen mechanischen Rückstellantrieb und eine automatische Nachladevorrichtung für die Sprengladung (4) (nicht dargestellt) automatisiert werden.

[0017] Fig. 2 zeigt schematisch in einer Querschnittsansicht eine 1. Elektrode (E1') mit mehreren gaserzeugenden Sprengladungen (4a, 4b, 4c), welche bei Bedarf separat nacheinander gezündet werden können und über separate Zuführkanäle an die Hochdruckkammer (6) angeschlossen sind. Dadurch erübrigt sich für Anwendungsfälle mit selten auftretenden Schaltfällen eine automatische Nachladevorrichtung.

[0018] Fig. 3 zeigt schematisch in einer Querschnittsansicht die rechte Hälfte der Kontaktbereiche eines Schnellschalters, bei welchem zur Erhöhung der Nennstromtragfähigkeit zu Lichtbogenlöschkontakten (K1', K2) mehrere Fingerkontakte bzw. Nennstromkontakte (11), von denen nur einer zu sehen ist, parallelgeschaltet sind. Diese Nennstromkontakte (11) sind randseitig zwischen einer ruhenden 1. Elektrode (E1") und dem beweglichen Schaltkolben (2) angeordnet und durch je eine Druckfeder (12) angedrückt. Der bewegliche Schaltkolben (2) dient somit zur Nennstromführung. Von diesem Schaltkolben (2) wird der Strom über mehrere mit dem Schaltkolben (2) starr verbundene Stege (2a), von denen einer im Querschnitt dargestellt ist, auf einen Gleitkontakt (13) geleitet, von wo er auf die ruhende Hohlelektrode (E2) übertragen wird. Die großen Radien, bei denen die Kontaktübergänge stattfinden, erlauben das Führen hoher Nennströme.

[0019] Um eine sichere Kommutation von den Nennstromkontakten (11) auf den Abbrandkontaktstift (K1') zu gewährleisten, ist dieser um eine Überlappungsdistanz (a) von z. B. 1 cm gegenüber dem Abbrandkontaktstift (K1) gemäß Fig. 1 verlängert.

[0020] Für die 2. Nennstromübertragung vom Schaltkolben (2) auf die Hohlelektrode (E2) können statt der Gleitkontakte (13) auch Nennstromkontakte (11), wie bei der 1. Nennstromübertragung von der 1. Elektrode (E1") auf den Schaltkolben (2), verwendet werden.

[0021] Es versteht sich, daß die Stromkontakte auch anders als dargestellt ausgeführt sein können. So kann z. B. anstelle eines aus der 1. Elektrode (E1) hervorragenden Abbrandkontaktstiftes (K1) eine Aussparung in der 1. Elektrode (E1) vorgesehen sein, welche randseitig mit einem Stromkontaktelement (K2) des Schaltkolbens (2) in elektrisch leitender Gleitverbindung steht (nicht dargestellt). Eine derartige Kontaktaussparung könnte auch im Abbrandkontaktstift (K1) vorgesehen sein.

[0022] Der erfindungsgemäße Schnellschalter kann als zusätzlicher bzw. Entlastungsschalter (back-up) zu einem nicht dargestellten Leistungsschalter verwendet werden, dessen Schaltvermögen für einen zu erwartenden maximalen Kurzschlußstrom nicht ausreicht. In einer derartigen Situation könnte der Schnellschalter etwa in der Mitte einer Sammelschiene, gleich zu Beginn eines Kurzschlusses, einen Teil der eingespeisten Kurzschlußenergie wegschalten, so daß der vorhandene Leistungsschalter erst nach Beendigung des Schaltvorganges im Schnellschalter zu schalten braucht und mit dem reduzierten Kurzschlußstrom nicht mehr überlastet ist.

[0023] Der erfindungsgemäße Schnellschalter kann auch als Sicherungs-oder Reserveschalter (back-up) zu einem für eine relativ geringe Leistung ausgelegten, kostengünstigen, "intelligenten" Leistungsschalter verwendet werden, welcher in Abhängigkeit von günstigen Phasenbedingungen des abzuschaltenden Stromes abschaltet. Bei einem Versagen eines derartigen Leistungsschalters, was z. B. an einer zu langen Lichtbogendauer erkannt werden kann, wird der Schnellschalter gezündet bzw. ausgelöst. Dadurch kann die Zuverlässigkeit eines Überstromschutzes mit kostengünstigen "intelligenten" Leistungsschaltern erheblich verbessert werden. Wegen des sehr seltenen Auftretens eines derartigen Versagens des Leistungsschalters braucht der Schnellschalter in diesem Fall nur für wenige Schalthandlungen ausgelegt zu sein. In den meisten Fällen wird eine einmalige Funktion mit anschließender Revision ausreichend sein.

[0024] Vorzugsweise wird ein als Reserveschalter verwendeter Schnellschalter unabhängig vom normalen Anlagenschutzsystem ausgelöst, z. B. von einer Auslösevorrichtung, die aus dem lokalen Stromverlauf gespeist wird (nicht dargestellt), d. h., unabhängig von einem Auslösesignal für den Leistungsschalter.

[0025] Wenn, etwa in der Nähe eines Generators, durch eine Asymmetrie und damit fehlende Nulldurchgänge des abzuschaltenden Stromes keine rechtzeitige Unterbrechung von sehr hohen Kurzschlußströmen erzielt werden kann, dann kann ein Schnellschalter mit hohem Bogenspannungsaufbau einen vorzeitigen Stromnulldurchgang erzwingen und damit eine rechtzeitige Stromunterbrechung gewährleisten.

[0026] Der erfindungsgemäße, einfach aufgebaute Schnellschalter kann auch als wiedereinschaltbares Sicherungselement in Hochspannungsanlagen verwendet werden, da er gleichzeitig eine hohe Nennstromtragfähigkeit und eine hohe Ansprechempfindlichkeit aufweist. Er kann für den höchstmöglichen Kurzschlußstrom in der zu schützenden Anlage ausgelegt werden und diesen, falls erforderlich, nach einer Halbperiode abschalten.

[0027] Der Zeitverzug zwischen dem Eintreffen eines Auslösesignals und dem Beginn der Bewegung des Schaltkolbens (2) kann aufgrund der schnellen elektrischen Zündung und der schnellen chemischen Reaktion wesentlich kleiner als eine Halbperiode gehalten werden.

BEZEICHNUNGSLISTE

[0028] 

1

Schaltergehäuse

2

Schaltkolben, Überbrückungskontakt

2'

Kontaktrohr von 2

2a

Steg von 2

3

Gasaustrittsöffnung, Auspufföffnung von 2

4, 4a - 4c

gaserzeugende Ladungen, Sprengladungen

4'

Zündvorrichtung für 4

5

Öffnungen, Explosionsgaseintrittsöffnungen

6

Hochdruckkammer

7

Niederdruckkammer, Kolbenkammer

8

Auspuffkammer

9

Entlüftungsleitung in E2

10

Lichtbogen

11

Fingerkontakt, Nennstromkontakt

12

Druckfeder

13

Gleitkontakt, Druckfeder

A

Symmetrieachse von 1, Schalterachse

a

Überlappungsdistanz von K1' bezüglich K1

B

Pfeil, Bewegungsrichtung von 2 beim Öffnen des Schnellschalters

E1, E1', E1"

1. Elektrode

E2

2. Elektrode, Hohlelektrode

K1, K1'

Abbrandkontaktstifte von E1, Lichtbogenlöschkontakte

K2

Stromkontaktelement von 2

Ansprüche

1. Elektrischer Schnellschalter

a) mit einer feststehenden 1. Elektrode (E1, E1', E1") und

b) mit einer von dieser beabstandeten feststehenden 2. Elektrode (E2),

c) ferner mit einem elektrisch leitenden Überbrückungskontakt (2), der im Schließzustand des Schnellschalters die 1. Elektrode (E1, E1', E1") mit der 2. Elektrode (E2) elektrisch leitend verbindet,

d) ferner mit mindestens einer gaserzeugenden Sprengladung (4, 4a - 4c) zum Löschen eines Lichtbogens (10),

dadurch gekennzeichnet,

e) daß der Überbrückungskontakt ein Schaltkolben (2) mit einem Kontaktrohr (2') ist,

f) welches in eine Aussparung in der 2. Elektrode (E2) hineinragt und darin gleitend beweglich ist,

g) welches Kontaktrohr (2') umfangseitig mindestens eine Auspufföffnung (3) aufweist,

h) die im Schließzustand des Schnellschalters durch die 2. Elektrode (E2) verschlossen und

i) in einem Öffnungszustand des Schnellschalters zu einer Auspuffkammer (8) geöffnet ist.

2. Elektrischer Schnellschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

a) daß die 1. Elektrode (E1, E1', E1") ein Abbrandkontaktelement (K1, K1') aufweist, das im Schließzustand des Schnellschalters mit einem Stromkontaktelement (K2) des Schaltkolbens (2) in elektrisch leitender Gleitverbindung steht und

b) daß der Schaltkolben (2) dieses Abbrandkontaktelement (K1, K1') gegenüber einem Schaltergehäuse (1) des Schnellschalters gasdicht abschließt.

3. Elektrischer Schnellschalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,

a) daß der Schaltkolben (2) einerseits eine Hochdruckkammer (6) und

b) andererseits eine Kolbenkammer (7) begrenzt, welche über eine Entlüftungsleitung (9) in der 2. Elektrode (E2) mit der Auspuffkammer (8) in Verbindung steht.

4. Elektrischer Schnellschalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Sprengladung (4, 4a - 4c) in einer Aussparung der 1. Elektrode (E1, E1', E1") gelagert ist.

5. Elektrischer Schnellschalter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jede Sprengladung (4, 4a - 4c) über einen separaten Zuführungskanal mit einer bzw. der Hochdruckkammer (6) in Verbindung steht.

6. Elektrischer Schnellschalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die 1. Elektrode (E1, E1', E1") im Schließzustand des Schnellschalters über mindestens einen Nennstromkontakt (11) mit dem Schaltkolben (2) in elektrisch leitender Gleitverbindung steht.

7. Verwendung eines elektrischen Schnellschalters nach einem der vorhergehenden Ansprüche als zusätzlicher Schalter zu mindestens einem Leistungsschalter, wobei eine Auslösung des Schnellschalters in Abhängigkeit von einem Versagen des Leistungsschalters erfolgt.

Zeichnung