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1. WO2021043548 - EINSÄULEN-TRENNSCHALTER MIT VAKUUM-SCHALTRÖHRE ALS HILFSKONTAKTSYSTEM

Anmerkung: Text basiert auf automatischer optischer Zeichenerkennung (OCR). Verwenden Sie bitte aus rechtlichen Gründen die PDF-Version.

[ DE ]
Beschreibung

Einsäulen-Trennschalter mit Vakuum-Schaltröhre als Hilfskon taktsystem

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schalteranordnung für einen luftisolierten Hochspannungs-Trennschalter mindestens umfassend einen Haupt- und einen Hilfsschalter, wobei der Hauptschalter einen Einsäulen-Trennschalter mit mindestens einem beweglichen Kontaktarm und einem feststehendem Gegen kontaktstück umfasst; und der Hilfsschalter eine Vakuum-Schaltkammer mit einem elektrischen Schalter und mindestens einem an dem Schalter angeordneten Betätigungselement um fasst, wobei die Vakuum-Schaltkammer elektrisch leitend auf dem Gegenkontaktstück des Hauptschalters angeordnet ist; und wobei der elektrische Schalter der Vakuum-Schaltkammer ausge bildet ist durch den beweglichen Kontaktarm des Hauptschal ters über das Betätigungselement eine elektrisch leitende Verbindung zwischen dem Gegenkontakt des Hauptschalters und dem beweglichen Kontaktarm des Hauptschalters herzustellen oder zu unterbrechen, wobei das Betätigungselement der Vaku um-Schaltkämmer so angeordnet ist, dass der elektrische Schalter der Vakuum-Schaltkammer vor dem Schließen des Haupt schalters schließt und nach dem Öffnen des Hauptschalters öffnet.

Die sichere und wartungsarme Kontrolle hoher Ströme oder ho her Spannungen ist heutzutage umso wichtiger, da im Zuge der Energiewende die Distanzen zwischen dem Ort der Erzeugung und dem Ort des Verbrauches der elektrischen Energie immer größer werden. Dadurch bedingt werden immer größere Strommengen über die bestehende Infrastruktur geleitet, welches sich im beson deren Maße auf die Störanfälligkeit des gesamten Systems aus wirkt. Insofern werden sicherere und wartungsärmere Einzel komponenten umso wichtiger. Eine Möglichkeit zum sichtbaren Trennen einer Strombahn im Hochspannungsbereich, d. h. insbe sondere im Bereich von bis zu 1200 kV Spannung, besteht in dem Einsatz von Einsäulen-Trennschaltern. Ein typischer Auf- bau eines Einsäulen-Trennschalters umfasst dabei wenigstens einen Kontakt mit einem beweglichen und einem festen Kontakt stück. Diese Grundbauform hat sich bewährt.

Auch in der Patentliteratur wird der Aufbau unterschiedlicher Einsäulen-Trennschalter behandelt.

So beschreibt beispielsweise die DE 102016 214 372 Al einen Kontaktarm für einen Einsäulen-Trennschalter, mit wenigstens einem Profilkörper und mit wenigstens einem Kontaktelement, wobei der wenigstens eine Profilkörper stangenförmig ausge bildet ist und wobei das wenigstens eine Kontaktelement stab förmig ausgebildet ist, wobei das Kontaktelement ein T-Profil aufweist.

Des Weiteren beschreibt die DE 3412 449 Al ein Kontaktsystem für Hochspannungs-Trennschalter, insbesondere Greifertrenn schalter, mit einem Hauptkontaktstück, einem damit zusammen wirkenden Gegenkontaktstück und einer diesen beiden Kontakt stücken parallelschaltbaren, am Gegenkontaktstück angeordne ten, vom Hauptkontaktstück betätigbaren und zur Führung eines Lichtbogens bestimmten Vorkontakteinrichtung, die nach dem Öffnen der beiden Kontaktstücke geöffnet und vor deren Schließen geschlossen wird, wobei ein Teil der Vorkontaktein richtung vom Gegenkontaktstück elektrisch isoliert getragen ist, und mit einer der Vorkontakteinrichtung in der Aus-schaltstellung parallelschaltbaren Potentialausgleichskon taktvorrichtung, wobei die Potentialausgleichskontaktvorrich tung von dem Gegenkontaktstück und den beweglichen Schaltstü cken (14c) der Vorkontakteinrichtung gebildet ist und dass das Hauptkontaktstück bei geschlossener Potentialausgleichs-Kontaktvorrichtung durch ein zusätzlich zum vorhandenen gas förmigen Isolierstoff vorgesehenes, festes Isoliermittel vom Gegenschaltstück und seiner Vorkontakteinrichtung galvanisch getrennt ist.

Derartige aus dem Stand der Technik bekannte Lösungen können jedoch noch weiteres Verbesserungspotential bieten, insbeson- dere hinsichtlich der Störungssicherheit und der Verschleiß festigkeit während des Betriebs.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zumindest teilweise zu überwinden. Es ist insbesondere die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lösung bereitzustellen, welche sich durch ei ne bessere elektrische Verschleißfestigkeit der Komponenten im Betrieb auszeichnet und welche den steigenden Schaltleis tungsanforderungen für Trennschaltertypen gerecht wird.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß zumindest zum Teil durch eine Schalteranordnung für einen luftisolierten Hochspannungs-Trennschalter mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Un teransprüchen, in der Beschreibung oder den Figuren angege ben, wobei weitere in den Unteransprüchen oder in der Be schreibung oder den Figuren beschriebene oder gezeigte Merk male einzeln oder einer beliebigen Kombination einen Gegen stand der Erfindung darstellen können, wenn sich aus dem Kon text nicht eindeutig das Gegenteil ergibt.

Die vorliegende Erfindung betrifft somit eine Schalteranord nung für einen luftisolierten Hochspannungs-Trennschalter mindestens umfassend einen Haupt- und einen Hilfsschalter, wobei der Hauptschalter einen Einsäulen-Trennschalter mit mindestens einem beweglichen Kontaktarm und einem feststehen dem Gegenkontaktstück umfasst; und

der Hilfsschalter eine Vakuum-Schaltkammer mit einem elektri schen Schalter und mindestens einem an dem Schalter angeord neten Betätigungselement umfasst, wobei die Vakuum-Schaltkammer elektrisch leitend auf dem Gegenkontaktstück des Hauptschalters angeordnet ist; und

wobei der elektrische Schalter der Vakuum-Schaltkammer ausge bildet ist durch den beweglichen Kontaktarm des Hauptschal ters über das Betätigungselement eine elektrisch leitende Verbindung zwischen dem Gegenkontakt des Hauptschalters und dem beweglichen Kontaktarm des Hauptschalters herzustellen oder zu unterbrechen, wobei das Betätigungselement der Vaku um-Schaltkämmer so angeordnet ist, dass der elektrische Schalter der Vakuum-Schaltkammer vor dem Schließen des Haupt schalters schließt und nach dem Öffnen des Hauptschalters öffnet.

Eine derartige kann gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen signifikante Vorteile aufweisen, wie dies nachstehend im Detail beschrieben ist. Insbesondere kann eine derartige Anordnung die Standzeit des gesamten Schaltelemen tes erhöhen und somit die Störanfälligkeit eines Stark- oder Hochspannungsstromnetzes verbessern. Insbesondere ist es durch den Einsatz einer Vakuum-Schaltkammer als Teil des Schaltersystems möglich, die Kontakterosion durch ein schnel leres Löschen auftretender Lichtbögen zu reduzieren. Vorteil hafterweise kann die Vakuum-Schaltkammer auch durch die Wahl ihrer Einzelkomponenten auf die konkret vorliegenden Schalt aufgaben angepasst werden. Durch die Vakuum-Schaltkammer wer den die Kommutierungsströme kontrolliert, in dem Sinne, dass die Vakuum-Schaltkammer beim Schließen des Hauptschalters vorläuft und somit den Hauptschalter schützt. Beim Öffnen des Hauptschalters läuft die Vakuum-Schaltkammer nach und schützt ebenso den Hauptkontakt durch das Schalten der Kommutierungs ströme. In Summe ergibt sich durch diese Schaltanordnung eine hohe Bewegungsgleichmäßigkeit und eine Erhöhung der schaltba ren Kommutierungsströme und -Spannungen. In Summe trägt dies zu einem sehr reproduzierbaren Schaltvorgang unter Schutz des Hauptschalters vor zu starken und ungesteuerten elektrischen Entladungen bei.

Die vorliegende Schalteranordnung ist geeignet für einen luftisolierten Hochspannungs-Trennschalter und umfasst min destens einen Haupt- und einen Hilfsschalter. Hochspannungs schalter sind dabei elektrische Schalter für Spannungen über 1 Kilovolt (kV), wobei die Schalteranordnung in der Lage ist, sowohl einen fast leistungslosen Trennvorgang von elektri schen Anlagenteilen als auch das Ein- und Ausschalten hoher Lasten zu gewährleisten. Die Schalteranordnung umfasst dabei mindestens zwei unterschiedliche elektrische Schalter, welche entweder den Zustand leitend oder nichtleitend einnehmen kön nen, wobei insbesondere der Zeitpunkt der Änderung des elektrischen Zustandes von beiden Schaltelementen unabhängig voneinander geändert werden kann. Geeignete Spezifikationen für die Schalteranordnung liegen beispielsweise in einem Spannungsbereich von 36 kV bis 800 kV und bei einer Strom leitfähigkeit von bis zu 5000 A (80 kA - ls). Die Schalteran ordnung kann beispielsweise der Spezifikation nach IEC 62271-102 entsprechen.

Der Hauptschalter der Schalteranordnung ist ein Einsäulen-Trennschalter, welcher mindestens einen beweglichen Kontakt arm und ein feststehendes Gegenkontaktstück umfasst. Der Hauptschalter ist also ein Pantograph, welcher durch Scheren arme mit der Sammelschiene verbunden ist. Der Pantograph er möglicht eine vertikale Trennstrecke mit einer Sammelschie-nen-Verbindung und erlaubt sowohl eine Diagonal- wie auch Pa rallelanordnung. Der Hauptschalter ist für flexible und star re Sammelschienen anwendbar und kann beispielsweise den An forderungen nationaler und internationaler Standards wie IEC, ANSI, GOST R und GB entsprechen. Der elektrische Kontakt wird dabei über mindestens einen Kontaktarm hergestellt, welcher bewegbar ausgeführt ist und die Zustände „vom elektrischen Gegenkontakt getrennt" und „mit dem elektrischen Gegenkontakt verbunden" einnehmen kann.

Der Hilfsschalter der Schalteranordnung ist eine Vakuum-Schaltkammer mit einem elektrischen Schalter und mindestens einem an dem Schalter angeordneten Betätigungselement, wobei die Vakuum-Schaltkammer elektrisch leitend auf dem Gegenkon taktstück des Hauptschalters angeordnet ist. Bei der Vakuum-Schaltkammer handelt es sich also um einen gasisolierten Hilfsschalter, welcher permanent mit dem Gegenkontaktstück des Hauptschalters in elektrisch leitender Verbindung steht.

Der elektrische Schalter der Vakuum-Schaltkammer ist ausge bildet, um durch den beweglichen Kontaktarm des Hauptschal- ters über das Betätigungselement eine elektrisch leitende Verbindung zwischen dem Gegenkontakt des Hauptschalters und dem beweglichen Kontaktarm des Hauptschalters herzustellen oder zu unterbrechen. Die Vakuum-Schaltkammer weist also ein Betätigungselement auf, welches mit dem Kontaktarm des Haupt schalters mechanisch interagiert und als Funktion der Stel lung des Kontaktarms des Hauptschalters entweder in eine elektrisch leitende oder nichtleitende Position gebracht wer den kann. Ebenso kann beim Fehlen des mechanischen Kontaktes zwischen dem Kontaktarm des Hauptschalters und dem Betäti gungselement des Hilfsschalters der Schalter in einer nicht-leitenden Position vorliegen.

Das Betätigungselement der Vakuum-Schaltkammer ist so ange ordnet, dass der elektrische Schalter der Vakuum-Schaltkammer vor dem Schließen des Hauptschalters schließt. Das Betäti gungselement läuft also auf Grund des mechanischen Kontaktes zum Kontaktarm des Hauptschalters „vor" und der elektrische Schalter in der Vakuumkammer schließt zeitlich, eine entspre chende mechanische Betätigung vorausgesetzt, vor dem Schlie ßen des Hauptschalters.

Das Betätigungselement der Vakuum-Schaltkammer ist so ange ordnet, dass der elektrische Schalter der Vakuum-Schaltkammer nach dem Öffnen des Hauptschalters öffnet. Fehlt die mechani sche Betätigung durch den Kontaktarm des Hauptschalters, so öffnet der Hilfsschalter entsprechend wieder. Der Zeitpunkt der Öffnung liegt hinter der Öffnung des Hautschalters, so dass auch noch nach dem Öffnen des Hauptschalters ein Kommu tierungsstrom durch die Schaltung der Vakuum-Schaltkammer fließt.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Schalteranordnung kann der Hauptschalter zwei bewegliche Kontaktarme und der Hilfs schalter zwei Betätigungselemente umfassen. Zum besonders gleichmäßigen Ein- und Ausschalten der Ströme hat sich eine Anordnung mit zwei Kontaktarmen des Hauptschalters als beson ders geeignet erwiesen. Die beiden Kontaktarme können dabei ein oder aber auch zwei unabhängige Betätigungselemente des Hilfsschalters bewegen. Auf diese Art und Weise lassen sich besonders gleichmäßige und sichere Schaltvorgänge erreichen.

Im Rahmen einer bevorzugten Ausführungsform der Schalterano rdnung kann die Vakuum-Schaltkammer über ein Verbindungsstück aus Stahl oder aus Aluminium auf dem Gegenkontaktstück des Hauptschalters angeordnet sein. Diese elektrische Verbin dungslösung mit dem Gegenstück des Hauptschalters hat sich als besonders zuverlässig und langlebig erwiesen. Der Stahl kann dabei insbesondere ein nichtrostender Stahl sein. Alumi nium kann bevorzugt in den Fällen eingesetzt werden, in denen das Gewicht der Schalteranordnung wichtig ist.

Innerhalb eines bevorzugten Aspektes der Schalteranordnung kann das Betätigungselement der Vakuum-Schaltkammer mindes tens abschnittweise eine elektrisch isolierte Kontaktstelle aufweisen. Die Kontaktstellen des Betätigungselements der Va kuum-Schaltkämmer können dabei aus Materialien des Kontakt systems entsprechend ausgestaltet sein (bewegte Kontaktstel len, z.B. versilbertes Kupfer) oder aber durch eine flexible Leitung gebrückt werden, welche den langen senkrechten Hebel mit dem Drehpunkt der Vakuumschaltkammer verbindet und damit den Stromfluss zu den langen waagerechten Elementen des Betä tigungselementes und schließlich zum bewegten Kontakt des Ge rätes gewährleistet. Der Stromfluss und damit die bewegten Stellen können zudem isoliert als Lagerelemente ausgeführt sein, womit einem Verschweißen der bewegten Kontaktstellen des Betätigungselements der Vakuum-Schaltkammer vorgebeugt wird. Letzteres erfordert überbrückende flexible Leitungen. Diese Anordnung kann einen sicheren und reproduzierbaren Schaltvorgang ermöglichen.

Innerhalb einer bevorzugten Charakteristik der Schalteranord nung können die Betätigungselemente der Vakuum-Schaltkammer mechanisch mit der Vakuum-Schaltkammer gekoppelt angeordnet sein. Für die Gleichmäßigkeit des Schaltens des Hilfsschal ters hat es sich als besonders günstig herausgestellt, dass die Betätigungselemente der Vakuum-Schaltkammer mechanisch an dieser angeordnet sind. Ein Beispiel für eine solche Anord nung ist beispielsweise in den Figuren dargestellt. Durch diese Anordnung ergibt sich eine hohe mechanische Stabilität, mit nur sehr geringen Abweichungen im Schaltweg. Dies kann für die Langlebigkeit der Schalteranordnung vorteilhaft sein.

Innerhalb einer bevorzugten Ausgestaltung kann für Schaltan forderungen mit hohen Spannungen und sehr niedrigen Strömen (z.B. Kabelentladungen) die äußere Isolation der Vakuum-Schaltkammer durch eine Funkenstrecke zusätzlich geschützt ausgestaltet werden. Bevorzugt kann dabei die Schalteranord nung zusätzlich eine parallel zur Vakuum-Schaltkammer ge schaltete Schutzfunkenstrecke aufweisen. Die Schutzfunken strecke kann beispielsweise bei 30kV ansprechen. Letzteres ist aber eine Funktion der gewählten Spezifikationen der Va kuum-Schaltkämmer . Es hat sich zudem als besonders günstig herausgestellt, dass eine Schutzfunkenstrecke parallel zur Vakuum-Schaltkämmer geschaltet wird. Dabei kann zweckmäßiger weise eine Überschlagselektrode an einem Ende der Drehwelle der Vakuum-Schaltkammer und die zweite Überschlagselektrode gegenüber auf dem Gegenkontakt leitend montiert sein. Eine vorteilhafte Ausbildung der Überschlagselektroden ist rund oder kugelfoermig. Das Ende der Drehwelle der Vakuum-Schalt kammer kann für die Anbringung der ersten Überschlagselektro de frei gewählt werden, wobei auf eine genügende Beabstandung zur Vakuum-Schaltkammer auf der einen Seite oder aber zu dem Betätigungselement auf der anderen Seite zu gewährleisten ist.

Innerhalb einer weiteren, bevorzugten Ausgestaltung der Schalteranordnung kann die Vakuum-Schaltkammer zusätzlich ei ne Abschirmhaube aufweisen und die Vakuum-Schaltkammer, die Betätigungselemente und die Abschirmhaube im nicht geschalte ten Zustand jeweils über einen hochohmigen Widerstand mit dem Gegenkontaktstück des Hauptschalters verbunden sein. Diese Ausgestaltung kann die gesamte Schalteranordnung sicherer ge stalten und zudem die Eignung der Schaltung in Außenbereichen unter Witterungseinflüssen verbessern. Im ausgeschalten Zu stand liegen somit die oben genannten Teile über einen hochohmigen Widerstand mit dem Gegenkontakt an, wobei der hochohmige Widerstand keinen Einfluss auf die Schalthandlun gen hat. Diese Anordnung verhindert Korona-Entladungen im ausgeschalteten Zustand des Hilfskontaktsystems. Die Ab schirmhaube kann beispielsweise die Vakuum-Schaltkammer zur äußeren Umgebung hin abschirmen. In einer weiteren Ausgestal tung kann der Widerstand zusätzlich über eine Schutzfunken strecke verfügen. Dies kann für Fälle von niedrigem Strom bei Nennspannung vorteilhaft sein.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Schalteranordnung kann die Abschirmhaube aus Aluminium ausgebildet sein und zu mindest partiell eine runde Oberfläche aufweisen. Diese Form der Abschirmhaube hat sich sowohl aus elektrischen wie auch aus mechanischen Überlegungen als im Rahmen der erfindungsge mäßen Schalteranordnung als besonders geeignet erwiesen. Die Abschirmhaube weist dabei zumindest in Teilbereichen ihrer Oberfläche die Form eines Kreissegmentes auf. Bevorzugt kann die Abschirmhabe eine Oberfläche aufweisen, welche zumindest abschnittsweise einem vollständigen Viertelkreis entspricht.

Innerhalb eines bevorzugten Aspektes der Schalteranordnung kann die Abschirmhaube mechanisch über einen nichtleitenden Träger auf dem Gegenkontakt befestigt sein. Dieses kann der gleiche Träger sein, welcher für die Aufnahme der Betäti gungselemente verwendet wird (radiale Lagerung). Da an diesem Träger keine Stromflussanforderung besteht, beziehungsweise explizit vermieden wird, kann die Befestigungsfläche durch messerunabhängig ausgeführt werden. Es ergibt sich ein klei ner Radius an der Befestigungsfläche, ähnlich einer klassi schen Schelle. Dies ermöglicht die Anwendung von Druckstellen oder -punkten bei runder Form des Gegenkontaktes mit im Ver gleich größeren Radius. Diese Anordnung hat sich auf Basis der mechanischen und elektrischen Anforderungen als besonders geeignet herausgestellt.

Innerhalb einer weiteren, vorteilhaften Ausgestaltung der Be festigung des Trägers zur Aufnahme der Betätigungselemente (radiale Lagerung) kann dieser als gleichzeitige Befestigung der Vakuum-Schaltkammer dienen. In diesem Fall kann der Trä ger metallisch, leitend ausgeführt und unter Berücksichtigung einer ausreichenden Beabstandung der Betätigungselemente an gebracht sein, sodass gegebenenfalls ein eintretender Über schlag über eine vorhandene Schutzfunkenstrecke erfolgen kann. Ein besonderer sich ergebender Vorteil kann darin be stehen, die Schelle in der Art auszubilden, dass diese Über schlagselektroden aufweist, beispielsweise in Form kugelför miger Ausprägungen. Die Überschlagselektroden können der Schelle gegenüber auf dem langen waagerechten Betätigungsele ment positioniert sein, so dass die Schutzfunkenstrecke mit Hilfe dieser runden waagerechten Betätigungselemente gebildet wird.

In einer weiterhin bevorzugten Ausgestaltung der Schalterano rdnung kann das Betätigungselement der Vakuum-Schaltkammer zusätzlich ein Federelement aus Edelstahl umfassen. Es hat sich als besonders geeignet herausgestellt, dass der elektri sche Schalter der Vakuum-Schaltkammer über ein Federelement ohne Gegenkraft, d.h. ohne Betätigung durch einen oder mehre re Kontaktarme, immer in eine geöffnete Schaltstellung ge zwungen wird. Dies kann die Sicherheit der Hilfsschaltung er höhen. Es hat sich in dieser Ausgestaltung zudem als beson ders geeignet herausgestellt, dass das Federelement aus einem witterungsbeständigen Material wie Edelstahl ausgeführt wird. Diese Ausgestaltung ermöglicht einen besonders gleichmäßigen Schaltweg und kann auch hohe auftretende mechanische Belas tungen kompensieren.

Innerhalb einer bevorzugten Ausgestaltung der Schalteranord nung kann der Kontaktarm des Hauptschalters zumindest an der Kontaktstelle zu den Betätigungselementen der Vakuum-Schalt kammer einen Bereich aus versilbertem Kupfer umfassen. Diese Art der Kontaktierung hat sich für den Hauptschalter im Rah men der erfindungsgemäßen Ausgestaltung von Haupt- und Hilfs- Schalter als besonders langlebig herausgestellt. Die Anord nung ist für einen weiten Spannungs- und Strombereich geeig net und äußerst wartungsarm.

Hinsichtlich weiterer Vorteile und technischer Merkmale der Schalteranordnung wird auf die Beschreibung der Schalterano rdnung, die Figuren und die Beschreibung der Figuren verwie sen, und umgekehrt.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile des Gegenstandes der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der nachfolgenden Beschreibung der Figuren und den zugehöri gen Beispielen. In den Figuren zeigen die:

Fig. 1 eine schematische Übersicht über die erfindungsge mäße Schalteranordnung;

Fig. 2 eine schematische Übersicht über die erfindungsge mäße Schalteranordnung;

Fig. 3A eine schematische Übersicht über die erfindungsge mäße Schalteranordnung im geöffneten Zustand;

Fig. 3B eine Skizze der Schaltung der erfindungsgemäßen Schalteranordnung im geöffneten Zustand;

Fig. 4A eine schematische Übersicht über die erfindungsge mäße Schalteranordnung unter mechanischer Kontak tierung der Betätigungselemente;

Fig. 4B eine Skizze der Schaltung der erfindungsgemäßen

Schalteranordnung unter mechanischer Kontaktierung der Betätigungselemente;

Fig. 5A eine schematische Übersicht über die erfindungsge mäße Schalteranordnung im geschlossenen Zustand des Hilfs- und noch offenen Zustand des Hauptschalters;

Fig. 5B eine Skizze der Schaltung der erfindungsgemäßen Schalteranordnung im geschlossenen Zustand des Hilfs- und noch offenen Zustand des Hauptschalters;

Fig. 6A eine schematische Übersicht über die erfindungsge mäße Schalteranordnung im geschlossenen Zustand des Hilfs- und Hauptschalters;

Fig. 6B eine Skizze der Schaltung der erfindungsgemäßen Schalteranordnung im geschlossenen Zustand des Hilfs- und Hauptschalters.

In der Figur 1 ist schematisch eine erfindungsgemäße Schal teranordnung 1 mit Hauptschalter und Hilfsschalter 2 darge stellt. Der Hauptschalter kann die Bauform eines Einsäulen-Trennschalter aufweisen, wobei die Kontaktanordnung mit einem oder zwei bewegbaren Kontaktarmen 3 ausgestattet sein kann, welche durch die Gestaltung der bewegten Kontakte auch als Kontaktleisten bezeichnet werden. Eine Ausführungsform mit zwei Kontaktarmen 3 ist in der Figur 2 dargestellt. Bekannt sind Kontakte aus Kupfer- oder Edelstahlstäben mit rundem und/oder rechteckigem Querschnitt, sowie Festkontakte aus Kupfer- oder Edelstahlstäben. Als Hilfsschalter wird eine Va kuum-Schaltkämmer 2 verwendet, welche ein Betätigungselement 7 aufweist. In diesem Beispiel ist die Vakuum-Schaltkammer 2 Bestandteil des Fest-/Gegenkontaktes 6 des Einsäulen-Trenn-schalters und auf dem Montagelement 5 zur Montage der Vakuum-Schaltkammer 2 auf den Gegenkontakt 6 angeordnet. Der Gegen kontakt 6 bildet die stromführende Verbindung zum Hauptstrom pfad. Das Betätigungselement 7 ist Bestandteil des Montagele mentes 5 der Vakuum-Schaltkammer 2. Das Betätigungselement 5 der Vakuum-Schaltkammer 2 kann mit der Vakuum-Schaltkammer 2 fest verbunden, oder wie im Bild dargestellt, entkoppelt kon struiert sein. Im ausgeschalten Zustand können alle Teile mit freiem Potential über einen hochohmigen Widerstand mit dem Gegenkontakt 6 verbunden sein. Der hochohmige Widerstand hat keinen Einfluss auf die Schalthandlungen, aber verhindert Ko rona-Entladungen im ausgeschalteten Zustand der Vakuum- Schaltkammer 2. Ein Federelement (nicht dargestellt, 13) in der Vakuum-Schaltkammer 2 und/oder ein Federelement 13 zwi schen den Betätigungselementen 7, zwingt das Hilfskontaktsys tem ohne Krafteinwirkung durch die auf die Betätigungselemen te 7 immer in den „Aus"-Zustand. Das Hilfskontaktsystem 2 wird durch die Kraftwirkung des beweglichen Hauptkontaktsys-tems 3 eingeschaltet und durch die Federelemente 13 des Hilfskontaktsystems ausgeschaltet, wenn die Kraftwirkung des oder der beweglichen Kontaktarme 3 durch Wegbewegung vom Ge genkontaktes 6 entfällt. Der Kontaktarm 3 kann dabei aus dem eigentlich beweglichen Element 3 und einer Kontaktleiste 4 gebildet werden, über die der Strom fließt. Die Vakuum-Schaltkammer 2 kann des Weiteren eine Betätigungsführung 8 in Form einer Edelstahlgabel an der Betätigung der Vakuum-Schaltkammer 2 aufweisen. Diese Betätigungsführung 8 kann zu einer besonders guten mechanischen Führung der Kontaktanord nung 1 beitragen. Die Betätigungselemente 7 können als Kup fer- und/oder Edelstahlstäbe ausgeführt sein. Durch den Ein satz der erfindungsgemäßen Anordnung ergeben sich die folgen den Vorteile:

Läuft beim Schließvorgang des Trennschalters vor und schützt damit den Hauptkontakt (Schalten von Kommutie rungsströmen, Vakuum-Schaltkammer 2 schließt)

Läuft beim Öffnungsvorgang des Trennschalters nach und schützt damit den Hauptkontakt (Schalten von Kommutie rungsströmen, Vakuum-Schaltkammer 2 öffnet)

Nach- bzw. Vorlauf ist durch Kupfer- und/oder Edelstahl stäbe, das Betätigungselement 7, und die Vakuum-Schalt kammern 2 (Typ und Kennwerte) anpassbar weniger Kontak terosion durch schnelleres Löschen des Lichtbogens, und Erhöhung der schaltbaren Kommutierungsströme und -Spannun gen

Hohe Bewegungsgleichmäßigkeit

Die Figur 2 zeigt eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schaltanordnung 1. Dargestellt sind zwei Kontaktarme 3 des Hauptschalters und die Vakuum-Schaltkammer 2 als Hilfsschal- ter. Die Vakuum-Schaltkammer 2 wird über die Kontaktarme 3 des Hauptschalters durch die Betätigungselemente 7 mechanisch geschaltet.

Die Figur 3A zeigt eine mögliche erfindungsgemäße Schalteran ordnung 1 mit einem besonderen Ausschnitt auf die Vakuum-Schaltkammer 2 als Hilfsschalter. Dargestellt sind die Kon taktarme 3 des Hauptschalters, welcher ein Einsäulen-Trenn-schalter ist. Der Schalter ist in offener Stellung darge stellt und somit kontaktieren die Kontaktarme 3 das Gegenkon taktstück 6 der Vakuum-Schaltkammer 2 nicht. Die Betätigungs elemente 7 der Vakuum-Schaltkammer 2 werden zudem von den Kontaktarmen 3 nicht berührt und somit ist der Schalter der Vakuum-Schaltkammer 2 offen. Der Schalter der Vakuum-Schalt kammer 2 ist dabei über die festen 15 und die beweglichen 14 Kontaktstellen mit dem Betätigungselement 7 verbunden. Beim Schließen des Strompfades des Schaltgerätes 1 nähern sich zu erst die beweglichen Kontaktarme 3 dem Betätigungselement 7 der Vakuum-Schaltkammer 2 als Hilfskontakt. Die Betätigungs elemente 3 können als Kupfer- und/oder Edelstahlstäbe ausge führt sein. Der Schalter der Vakuum-Schaltkammer 2 ist zu diesem Zeitpunkt noch offen und ein Überschlag bzw. ein Lichtbogen zwischen den Haupt- und Hilfskontakten kann nicht auftreten.

Die Figur 3B zeigt das entsprechende Schaltbild der in der Figur 3A dargestellten Konstellation. In dem Schaltbild ist zu sehen, dass Haupt- 11 und Hilfsschalter 12 jeweils offen sind. Der elektrische Schalter 12 der Vakuum-Schaltkammer 2 kann beispielsweise über ein mechanisches Federelement 13 im Schaltzustand „offen" gehalten werden. Erst unter mechani scher Betätigung der Betätigungselemente 7 durch die Kontakt arme 3 des Hauptschalters 11 wird der Schalter 12 in eine ge schlossene Position bewegt (hier nicht dargestellt).

Die Figur 4A zeigt eine mögliche erfindungsgemäße Schalteran ordnung 1 mit einem besonderen Ausschnitt auf die Vakuum-Schaltkammer 2 als Hilfsschalter. Die beweglichen Kontaktarme 3 bewegen sich weiter in Richtung "EIN" und kontaktieren die Betätigungselemente 7 der Vakuum-Schaltkammer 2. Der Schalter der Vakuum-Schaltkammer 2 ist dabei über die festen 15 und die beweglichen 14 Kontaktstellen mit dem Betätigungselement 7 verbunden. Die beweglichen Arme 3 sind jetzt elektrisch und mechanisch mit den Betätigungselementen 7 der Vakuum-Schalt kammer 2 als Hilfskontaktsystem verbunden. Das bewegliche Hauptkontaktsystem hat noch genügend Abstand zum Gegenkontakt des Hauptkontaktsystems, so dass es zu keinem elektrischen Überschlag kommen kann (z.B. durch eine Kommutierungsspan nung).

Die Figur 4B zeigt das entsprechende Schaltbild der in der Figur 4A dargestellten Konstellation. Ein in der Vakuum-Schaltkammer vorhandenes Federelement 13 wird von nun an durch die weitere Bewegung der Kontaktarme 3 gespannt und be wegt den Schalter 13 der Vakuum-Schaltkammer 2 in den Zustand „geschlossen". Der Kontakte des Hauptschalter 11 befinden sich noch weiter voneinander entfernt in „Aus"-Stellung.

Die Figur 5A zeigt eine mögliche erfindungsgemäße Schalteran ordnung 1 mit einem besonderen Ausschnitt auf die Vakuum-Schaltkammer 2 als Hilfsschalter. Im weiteren Bewegungsablauf des Strompfades wird die Vakuum-Schaltkammer 2 durch die me chanische Krafteinwirkung des beweglichen Kontaktsystems, der Kontaktarme 3, auf die Betätigungselemente 7 in den Zustand "Ein" geschaltet. Anliegende Spannungen (z.B. Kommutierungs spannung) können nun über die geschlossene Vakuum-Schaltkam-mer 2 abfließen, noch bevor die Hauptkontakte 3 über den Hauptstrompfad geschlossen sind.

Die Figur 5B zeigt das entsprechende Schaltbild der in der Figur 5A dargestellten Konstellation. In dem Schaltbild ist zu sehen, dass der Hauptschalter 11 noch offen und der Hilfs schalter 12 schon geschlossen ist. Das Federelement 13 ist nun gespannt.

Die Figur 6A zeigt eine mögliche erfindungsgemäße Schalteran ordnung 1 mit einem besonderen Ausschnitt auf die Vakuum-Schaltkammer 2 als Hilfsschalter. Sowohl der Haupt- 11 wie auch der Hilfskontakt 12 sind geschlossen. Der Kommutierungs strom wird über die Hilfskontakte geführt und die Hauptkon takte bleiben geschützt, so dass sie spannungsfrei einlaufen können, ohne dass das Hauptkontaktsystem durch Lichtbogenein wirkung beschädigt wird. Der Bewegungsablauf in "EIN" endet am Anschlag des festen Kontaktes 3 des Hauptkontaktsystems und das vorhandene Federelement des Hilfskontaktes ist voll ständig gespannt. Die Vakuum-Schaltkammer 2 ist geschlossen und liegt im normalen Betrieb im Nebenschluss und ist somit unter anderem auch entsprechend kurzschlussfest.

Die Figur 6B zeigt das entsprechende Schaltbild der in der Figur 6B dargestellten Konstellation. In dem Schaltbild ist zu sehen, dass der Hauptschalter 11 und der Hilfsschalter 12 jeweils geschlossen sind. Das Federelement 13 ist gespannt.

Während der Ausschaltung findet folgender Prozess statt:

1. Während der Ausschaltung bewegen sich die Hauptkontakte 3 in Richtung "Aus".

2. Bei begonnener Trennung der Hauptkontakte 3 ist die Vaku um-Schaltkämmer 2 noch geschlossen und führt den Kommutie rungsstrom. Die Hauptkontakte 3 sind geschützt und können spannungsfrei auslaufen, ohne dass das Hauptkontaktsystem durch Lichtbogeneinwirkung beschädigt wird. Das Hilfskontakt system 2 beginnt jetzt, durch die vom integrierten Federele ment 13 gespeicherte Kraft zu öffnen und die Betätigungsele mente 7 folgen der Bewegung des beweglichen Hauptkontaktsys-tems 3. Damit bleibt die elektrische und mechanische Verbin dung zwischen Hauptkontaktsystem 3 und Nebenkontaktsystem 7 erhalten. Das Federelement 13 erzeugt den notwendigen Kon taktdruck um die Betätigungselemente 7 gegen die Hauptkontak te 3 des beweglichen Hauptkontaktsystems zu drücken, bzw. die notwendige Kraft, um im nächsten Schritt die Vakuum-Schalt kammer 2 zu öffnen.

3. Im weiteren Verlauf wird das Hilfskontaktsystem 2 parallel zur Wegbewegung des beweglichen Hauptkontaktsystems 3 von dem darin enthaltenen Federelement 13 weiter geöffnet. Die Vaku um-Schaltkämmer 2 schaltet in "AUS" und löscht den Lichtbogen des Kontaktabrisses sofort, so dass kaum Kontakterosion ent steht. Der Abstand des Hauptkontaktsystems 3 ist so groß, dass ein Überschlag/eine Rückzündung nicht mehr möglich ist. In einem passiven System würde der Lichtbogen so lange bren nen, bis sich die beweglichen Kontakte 7 des Hilfskontaktsys tems 2 weit genug entfernt haben, so dass der Lichtbogen er lischt.

4. Das bewegliche Hauptkontaktsystem 3 kann jetzt spannungs frei die Betätigungselemente 7 des Hilfskontaktsystems 2 ver lassen. Es erfolgt eine Trennung der elektrischen und mecha nischen Verbindung zwischen dem beweglichen Hauptkontaktsys-tem 3 und dem Hilfskontaktsystem 7.

Bezugszeichenliste

1 Schalteranordnung

2 Hilfsschalter

3 Kontaktarm

4 Kontaktleiste

5 Montagelemente

6 Gegenkontakt

7 Betätigungselement

8 Betätigungsführung

9 Montageelement

10 Abschirmkappe

11 Hauptschalter

12 Hilfsschalter

13 Federelement

14 bewegliche Kontaktstelle

15 feste Kontaktstelle