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Dokumentenidentifikation DE69016967T2 07.09.1995
EP-Veröffentlichungsnummer 0433184
Titel Hybrid-Mittelspannungsschalter.
Anmelder Merlin Gerin, Meylan, FR
Erfinder Malkin, Peter, F-38050 Grenoble Cedex, FR;
Bolongeat-Mobleu, Roger, F-38050 Grenoble Cedex, FR
Vertreter derzeit kein Vertreter bestellt
DE-Aktenzeichen 69016967
Vertragsstaaten AT, CH, DE, ES, GB, IT, LI, SE
Sprache des Dokument Fr
EP-Anmeldetag 20.11.1990
EP-Aktenzeichen 904204989
EP-Offenlegungsdatum 19.06.1991
EP date of grant 15.02.1995
Veröffentlichungstag im Patentblatt 07.09.1995
IPC-Hauptklasse H01H 33/12
IPC-Nebenklasse H01H 33/66   H02B 13/02   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft einen Mittelspannungs-Leistungsschalter in einem dichtgekapselten, mit Schwefelhexafluorid gefüllten Gehäuse mit zwei in dem genannten Gehäuse montierten Hauptkontakten, einem im genannten Gehäuse angeordneten Vakuumeinsatz mit zwei fluchtend angeordneten, zu den genannten Hauptkontakten parallel geschalteten Lichtbogenkontakten, wobei die Isolierstoffhülle des Vakuumeinsatzes eine die Lichtbogenkontakte koaxial umgebende zylindrische Mantelfläche aufweist, sowie einem den genannten Kontakten zugeordneten Schaltmechanismus zur Abschaltung der Lichtbogenkontakte nach den Hauptkontakten und zu ihrer Einschaltung vor den Hauptkontakten.

Normalerweise werden im Mittelspannungsbereich zwei Verfahren zur Stromabschaltung eingesetzt, und zwar die Vakuumabschaltung (z.B. gemäß der Druckschrift EP-A-0 204 262) und die Abschaltung in Schwefelhexafluorid, wobei beide Verfahren jeweils Vor- und Nachteile aufweisen. Vakuumeinsätze können in großen Serien hergestellt werden, ihr Ausschaltvermögen ist jedoch begrenzt und kann nur durch komplizierte Zusatzmaßnahmen verbessert werden. Die Abschaltung in Schwefelhexafluorid ist einfacher durchzuführen, jedoch schwieriger zu standardisieren. Bei metallgekapselten gasisolierten Mittelspannungsanlagen wurden bereits Vakuumeinsätze in das dichtgekapselte, mit Schwefelhexafluorid gefüllte Gehäuse integriert, wobei die Vakuumeinsätze zur Stromunterbrechung dienten und das Schwefelhexafluorid zur Isolierung der Anlagenteile verwendet wurde. Diese bekannte Anordnung führt nicht zu einer optimalen Ausnutzung beider Abschaltverfahren.

Ein anderer gemäß der Druckschrift GB-A-1,126,362 bekannter Leistungsschalter weist in einem Vakuumeinsatz angeordnete Lichtbogenkontakte sowie Hauptkontakte auf, die parallel zu den Lichibogenkontakten geschaltet und in dem gleichen, mit Schwefelhexafluorid gefüllten Gehäuse montiert sind. Dabei sind die nach den Lichtbogenkontakten öffnenden Hauptkontakte vor der Lichtbogenwirkung geschützt und in der Lage, hohe Ströme zu führen. Das Funktionsprinzip sowie der Aufbau des Vakuumeinsatzes sind standardmäßig ausgeführt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Vorteile der beiden Abschaltverfahren unter Vakuum bzw. in Schwefelhexafluorid zu kombinieren, und diese Aufgabe wird durch Schaffung eines Leistungsschalters mit den in Anspruch 1 genannten kennzeichnenden Merkmalen erfüllt.

Die Abschaltung des Stroms erfolgt im Innern des Vakuumeinsatzes, und die in diesem Vakuumeinsatz angeordneten Lichtbogenkontakte erfüllen ihre übliche Funktion des Schutzes der Hauptkontakte, die ohne Ausbildung eines Lichtbogens öffnen und schließen. Der Vakuumeinsatz besitzt keine weitere Funktion und seine Abmessungen, insbesondere seine Ausdehnung in der Längsachse, sind auf einen Wert reduziert, der die dielektrische Festigkeit des mit Schwefelhexafluorid gefüllten Gehäuses gewährleistet und dabei wesentlich kleiner ist als dies bei einem in Luft verwendeten Vakuumeinsatz erforderlich wäre. Das Ausschaltvermögen des Vakuumeinsatz wird durch Erzeugung eines axialen Magnetfeldes in der Lichtbogenzone erhöht, welches eine Wanderung des Lichtbogens bewirkt und jede Konzentration der Energie auf einen bestimmten Punkt verhindert. Dieses axiale Magnetfeld kann durch eine einfache Spule erzeugt werden, da die Streufelder aufgrund der in den Kontakten induzierten Ströme durch den hohen spezifischen Widerstand der z.B. aus einem hitzebeständigen Werkstoff bestehenden Kontakte stark gedämpft oder sogar auf einen vernachlässigbar kleinen Wert reduziert werden. Die Verwendung solcher Werkstoffe erhöht die Lichtbogenfestigkeit der Kontakte und begünstigt die Abschaltung. Die Kombination aus hitzebeständigem Kontaktwerkstoff, axialem Magnetfeld zur Beblasung des Lichtbogens und Anordnung eines Vakuumeinsatzes in einem mit Schwefelhexafluorid gefüllten Gehäuse ermöglicht es, ein hohes Ausschaltvermögen mit einem vereinfachtem Vakuumeinsatz mit kleinen Abmessungen zu gewährleisten und einen Leistungsschalter oder eine Mittelspannungsanlage mit separaten Hauptkontakten und Gasisolierung zu schaffen. Dabei kann ein Vakuumeinsatz für eine ganze Schalterbaureihe verwendet werden, so daß eine wirtschaftlichere Fertigung möglich ist.

Der Vakuumeinsatz weist eine zylindrische Hülle aus Keramik oder Glas auf, die durch zwei, vorzugsweise aus Metall bestehenden Böden abgeschlossen ist. Die von der jeweiligen Spannung und/oder dem Druck des im Gehäuse vorhandenen Schwefelhexafluorid abhängige axiale Länge des Vakuumeinsatzes beträgt im allgemeinen weniger als 15 cm und ist damit wesentlich kürzer als bei Standard-Vakuumeinsätzen.

Die scheibenförmigen Lichtbogenkontakte bestehen aus Wolfram, Chrom oder einer Legierung dieser beiden Metalle, wobei jedoch auch andere hitzebeständige Werkstoffe verwendet werden können. Die Lichtbogenkontakte sind axial in dem zylinderförmigen Vakuumeinsatz angeordnet, wobei einer der Kontakte gleitend gelagert ist und über einen Kupplungsmechanismus verschoben werden kann, der die Trennung und die vor den Hauptkontakten erfolgende Wiedereinschaltung der Lichtbogenkontakte auf bekannte Art und Weise gewährleistet.

Das axiale Magnetfeld in der Trennzone wird durch eine stromdurchflossene Spule erzeugt, die fest mit dem auf der Seite des feststehenden Lichtbogenkontakts angeordneten Boden des Vakuumeinsatzes verbunden ist. Diese koaxial zum Vakuumeinsatz angeordnete Flachspule kann durch einen am genannten Boden befestigten Leiter gebildet werden oder als in das Material, insbesondere auf der Innenseite des Vakuumeinsatzes in die Dickenebene des Bodens eingearbeitete Spirale ausgebildet sein. Diese Spule ist in Reihe zu den Lichtbogenkontakten in den Lichtbogenkreis geschaltet und wird in der Einschaltstellung durch die Hauptkontakte kurzgeschlossen. Sobald sich die Hauptkontakte trennen, wird der Strom auf die Spule umgeschaltet und erzeugt ein axiales Magnetfeld, das die Wanderung des Lichtbogens bewirkt und so die Abschaltung begünstigt.

Der erfindungsgemäße Leistungsschalter eignet sich insbesondere für gasisolierte Mittelspannungsanlagen, wobei die drei Schalterpole in einem gemeinsamen Gehäuse mit geerdeter Metallumhüllung montiert sein können. Die Isolation wird durch das unter normalem atmosphärischem Druck stehende oder verdichtete Schwefelhexafluorid gewährleistet, und es besteht keine Gefahr, daß dieses Gas durch den Lichtbogen verunreinigt wird. Die Trennzone ist in dem kleinen Vakuumeinsatz eingeschlossen, wodurch der Aufbau und die Gesamtkonzeption der Anlage vereinfacht werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den beigefügten Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung unter Angabe weiterer Vorteile und Merkmale näher erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1 in schematischer Darstellung einen Axialschnitt durch den erfindungsgemäßen Leistungsschalter in der Einschaltstellung;

Fig. 2 eine zu Fig. 1 analoge Ansicht mit Darstellung des Leistungsschalters während der Ausschaltphase;

Fig. 3 eine Schnittansicht entlang der Linie III-III aus Fig. 4 mit Darstellung eines vergrößerten Details aus Fig. 1;

Fig. 4 eine Unteransicht des in Fig. 3 gezeigten Bodens.

Die Figuren zeigen einen Mittelspannungs-Leistungsschalter in einem dichtgekapselten Gehäuse 10, dessen Metall- oder Isolierstoffwand 12 die Wand einer gasisolierten Schaltanlage oder Station oder die Wand eines bzw. der drei Pole des Leistungsschalters sein kann. Der in Fig. 1 gezeigte Pol umfaßt zwei gasdichte Durchführungen 14, 16 für den Einspeiseleiter 18 bzw. den Abgangsleiter 20, die außerhalb des Gehäuses 12 in Anschlüsse 22 und im Innern des Gehäuses in den Träger 24 eines feststehenden Hauptkontakts 26 bzw. den Träger 28 eines beweglichen Hauptkontakts 30 übergehen, der als schwenkbar auf einer ortsfesten Achse 32 gelagertes Kontaktmesser ausgeführt ist. In der Einschaltstellung liegt der bewegliche Hauptkontakt 30 in einer Flucht mit dem feststehenden Hauptkontakt 26 und steht in Kontakt mit diesem, um den aus dem Einspeiseleiter 18, dem Träger 24, dem feststehenden Hauptkontakt 26, dem beweglichen Hauptkontakt 30, dem Träger 28 und dem Abgangsleiter 20 bestehenden Hauptstromkreis zu schließen. Die Kontaktträger 24, 28 sind durch in Querrichtung angeordnete Kontaktarme 34, 36 verlängert, deren freie Enden einen Vakuumeinsatz 38 umfassen. Die zylindrische Hülle 40 des Vakuumeinsatzes 38 ist an ihren beiden Enden durch zwei gasdichte Metallböden 42, 44 abgeschlossen, die jeweils mechanisch und elektrisch mit dem freien Ende des zugeordneten Kontaktarms 34, 36 verbunden sind. Die Längsachse des Vakuumeinsatzes verläuft annähernd parallel zu den in der Einschaltstellung fluchtenden Hauptkontakten 26, 30, und im Innern des Einsatzes 38 sind zwei längliche Lichtbogenkontakte 46, 48 koaxial angeordnet. Die Lichtbogenkontakte, von denen der eine Kontakt 46 ortsfest ausgeführt und fest mit dem Boden 42 verbunden ist, und der andere Kontakt 48 beweglich ausgeführt ist, tragen jeweils ein scheibenförmiges Kontaktstück 50. Der bewegliche Lichtbogenkontakt 48 durchquert unter Einfügung eines Dichtungsbalgs den Boden 44, mit dem er elektrisch verbunden ist. Es ist leicht erkennbar, daß die Kontaktarme 34, 36, die Böden 42, 44 und die Lichtbogenkontakte 46, 48 mit ihren aufeinanderstoßenden Kontaktstücken 50 einen Lichtbogen- Hilfsstromkreis bilden, der parallel zu den Hauptkontakten 26, 30 liegt.

Eine Schaltwelle 52 durchragt die Wand 12 und trägt an ihrem innenliegenden Ende einen Schaltwellenhebel 54, der einerseits über einen Gelenkhebel 56 mit dem Hauptkontaktmesser 30 und andererseits über eine Kupplungsstange 58 und ein Langloch 60 mit dem beweglichen Lichtbogenkontakt 48 verbunden ist. In dem in der Kupplungsstange 58 ausgebildeten Langloch 60 ist ein am Schaltwellenhebel 54 befestigter Zapfen 62 gleitend gelagert, um eine über eine Feder 65 auf Zug beanspruchte Schiebeverbindung mit Totgang zu bilden. Der Mechanismus ist so ausgebildet, daß im Verlauf eines durch Drehung der Schaltwelle 52 im Uhrzeigersinn gesteuerten Öffnungshubs des Leistungsschalters zunächst der bewegliche Hauptkontakt 30 öffnet, während die Lichtbogenkontakte 46, 48 aufgrund der Totgangverbindung 60, 62 (siehe Fig. 2) in einer ersten Phase geschlossen bleiben. Der zunächst über die Hauptkontakte 26, 30 geflossene Strom wird dabei auf den Lichtbogenkreis umgeschaltet, ohne daß zwischen den Hauptkontakten 26, 30 ein Lichtbogen gezogen wird. Die fortgesetzte Drehung der Schaltwelle 52 bewirkt die Öffnung der Lichtbogenkontakte 46, 48 und die endgültige Abschaltung des Leistungsschalters. Beim Einschaltvorgang werden durch Drehung der Schaltwelle 52 in entgegengesetzter Richtung zunächst die Lichtbogenkontakte 46, 48 und danach die Hauptkontakte 26, 30 geschlossen. Die zylindrische Hülle 40 des Vakuumeinsatzes 38 besteht aus Keramik oder Glas und weist eine glatte Oberfläche auf, deren axiale Länge der kritischen Kriechstrecke des Einsatzes 38 entspricht. Diese axiale Länge richtet sich zur Gewährleistung einer ausreichenden dielektrischen Festigkeit nach der Spannung und ist wesentlich geringer als bei Verwendung eines Vakuumeinsatzes in Luft. Im Mittelspannungsbereich beträgt sie annähernd 15 cm oder weniger, wobei die geringe Baugröße des Vakuumeinsatzes 38 seinen Einbau vereinfacht.

Die Kontaktstücke 50 der Lichtbogenkontakte 46, 48 bestehen aus einem hitzebeständigen Material wie z.B. Wolfram, Chrom oder einer Legierung dieser Metalle, um die Lichtbogenfestigkeit der Kontakte zu erhöhen. Der hohe spezifische Widerstand dieser Werkstoffe wirkt sich nicht nachteilig aus, da der Dauerstrom im Betrieb nur über die Hauptkontakte 26, 30 geführt wird. Der hohe spezifische Widerstand stellt sogar einen beträchtlichen Vorteil dar, da er die induzierten Ströme in den Kontaktstücken 50 verringert.

Aus Fig. 3 und 4 geht insbesondere hervor, daß der auf der Seite des feststehenden Lichtbogenkontakts 46 angeordnete Boden 42 auf seiner im Innern des Vakuumeinsatzes 38 liegenden Seite 66 eine tiefe spiralförmige Nut 68 aufweist, die am Nutgrund nur einen geringen Teil der Bodendicke stehenläßt. Die Spiralnut bildet eine Flachspule 70, deren innenliegende Windung 72 mit dem Lichtbogenkontakt 46 und deren außenliegende Windung 74 mit dem Kontaktarm 34 verbunden ist. Der über den Kontaktarm 34 zugeführte Strom durchfließt einen großen Teil der Spule 70, wobei gleichzeitig nur ein kleiner Stromanteil über den Boden 42 fließt, und erzeugt ein axiales Magnetfeld im Bereich der Kontaktstücke 50, in dem bei Trennung der Kontaktstücke 50 ein Lichtbogen gezogen wird. Das axiale Magnetfeld gewährleistet eine Wanderung des Lichtbogens und ermöglicht so die Erzielung eines hohen Ausschaltvermögens. Die aufgrund der in den Kontaktstücken 50 induzierten Ströme erzeugten Streufelder werden stark gedämpft, da der hohe Widerstand der aus einem hitzebeständigen Werkstoff bestehenden Kontaktstücke 50 die Höhe dieser induzierten Ströme begrenzt. Dadurch ist es möglich, mit einfachen Mitteln einen kleinen Vakuumeinsatz mit hohem Ausschaltvermögen zu schaffen. Der Vakuumeinsatz 38 kann selbstverständlich Abschirmungen (nicht dargestellt) zum Schutz der Hülle 40 aufweisen, wobei die Abschirmung, die der Seite des feststehenden Lichtbogenkontakts 46 zugeordnet ist, vorteilhafterweise durch die äußere Windung 74 der Spule ersetzt wird. Die Spule 70 muß nicht notwendigerweise in den Boden 42 eingearbeitet sein, sondern kann auch durch einen spiralförmigen Leiter gebildet werden, der auf jede geeignete Art und Weise am Boden 42 befestigt ist. Eine solche Ausführung ist in jedem Fall erforderlich, wenn die Böden 42, 44 des Vakuumeinsatzes 38 aus Isolierstoff bestehen.

Es ist vorteilhaft, einen Vakuumeinsatz für eine gesamte Leistungsschalter-Baureihe zu schaffen, da die Einsparung bezüglich Abmessungen und Kosten nur gering ist, wenn die Kenndaten des Vakuumeinsatzes genau auf den jeweiligen Schalter abgestimmt sind. Die Verlegung der Trennzone und des Lichtbogens in einen getrennten gasdichten Einsatz ist besonders für gekapselte Stationen oder sonstige gasisolierte Anlagen interessant, da jegliche Ausbreitung des Lichtbogens oder eine Verunreinigung des Isolationsgases auf diese Weise verhindert werden. Die im einzelnen beschriebene Parallelschaltung von Lichtbogenkontakten 46, 48 und Hauptkontakten 26, 30 begünstigt eine schnelle Umschaltung des Stroms, es sind jedoch auch andere Anordnungen und Bauformen des Leistungsschalters denkbar. Es ist möglich, eine Erdungsvorrichtung in das dichtgekapselte Gehäuse 10 zu integrieren, die nach Abschaltung des Leistungsschalters durch die Schaltwelle 52 betätigt wird.


Anspruch[de]

1. Mittelspannungs-Leistungsschalter in einem dichtgekapselten, mit Schwefelhexafluorid gefüllten Gehäuse (10) mit zwei in dem genannten Gehäuse (10) montierten Hauptkontakten (26, 30), einem im genannten Gehäuse (10) angeordneten Vakuumeinsatz (38) mit zwei fluchtend angeordneten, zu den genannten Hauptkontakten (26, 30) parallel geschalteten Lichtbogenkontakten (46, 48), wobei die Isolierstoffhülle (40) des Vakuumeinsatzes (38) eine die Lichtbogenkontakte (46, 48) koaxial umgebende zylindrische Mantelfläche aufweist, sowie einem den genannten Kontakten (26, 30, 46, 48) zugeordneten Schaltmechanismus (54) zur Abschaltung der Lichtbogenkontakte (46, 48) nach den Hauptkontakten (26, 30) und zu ihrer Einschaltung vor den Hauptkontakten (26, 30), dadurch gekennzeichnet, daß die die Kriechstrecke darstellende axiale Länge der genannten Hülle (40) der dielektrischen Festigkeit der Hülle (40) in der Schwefelhexafluorid-Umgebung entspricht, daß dem genannten Vakuumeinsatz (38) Mittel (70) zur Erzeugung eines axialen Magnetfeldes in der Abbrennzone eines bei der Trennung der Lichtbogenkontakte (46, 48) im Inneren des Vakuumeinsatzes (38) gezogenen Lichtbogens zugeordnet sind und daß die scheibenförmigen Lichtbogenkontakte (46, 48) aus einem Werkstoff mit hohem spezifischen Widerstand, insbesondere aus einem hitzebeständigen Material bestehen.

2. Leistungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte zylindrische Mantelfläche (40) glatt ausgeführt ist, aus einem keramischen Werkstoff oder Glas besteht und an ihren beiden Enden durch Metallböden (42, 44) abgeschlossen ist.

3. Leistungsschalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das hitzebeständige Material der Lichtbogenkontakte (46, 48) Wolfram, Chrom oder eine Legierung dieser Metalle ist.

4. Leistungsschalter nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des Vakuumeinsatzes (38) weniger als 15 cm beträgt.

5. Leistungsschalter nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche mit einem im Innern der genannten Vakuumeinsatzes (38) in Axialrichtung gleitend gelagerten beweglichen Lichtbogenkontakt (48) und einem feststehenden Lichtbogenkontakt (46), dadurch gekennzeichnet, daß der auf der Seite des feststehenden Lichtbogenkontakts (46) angeordnete Boden (42) des Vakuumeinsatzes (38) an seiner im Innern des Vakuumeinsatzes (38) liegenden Seite als Spule (70) ausgebildet ist oder eine solche Spule (70) trägt, die koxial zur Hülle (40) angeordnet und mit den genannten Lichtbogenkontakten (46, 48) elektrisch in Reihe geschaltet ist.

6. Leistungsschalter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Windungen der genannten Spule (70) als in die Dickenebene des genannten Bodens (42) eingearbeitete Spiralnut (68) ausgebildet sind.

7. Leistungsschalter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Windungen der genannten Spule (70) als an der Innenseite des genannten Bodens (42) befestigter spiralförmiger Leiter ausgebildet sind.

8. Leistungsschalter nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Hülle (40) zu einer gasisolierten Mittelspannungsanlage mit Metallwand (12) gehört und die drei Leistungsschalterpole umschließt.







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