DE3242014C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen gasisolierten elektrischen Trennschalter, mit mindestens einem Paar von Lichtbogenkontakten, die einen ersten Schalter bilden, der mit einem Widerstand in Reihe geschaltet ist, mit zwei Kontakten, die einen zweiten Schalter bilden, der parallel zu dem Widerstand geschaltet ist, wobei beim Ausschaltvorgang die beiden Schalter nacheinander geöffnet werden.

Trennschalter sind in Kraftwerken oder dgl. für gewöhnlich neben Leistungsschaltern angeordnet. Sie dienen typischer­ weise zum Trennen eines Stromkreises nach der Unterbrechung eines Stromflusses in diesem oder zum Schalten von Strom­ übertragungssystemen. Die erstere Funktion ist dabei die Trennung eines lastfreien Stromkreises durch den Trenn­ schalter. Bei der Trennung des lastfreien Stromkreises durch den Trennschalter tritt häufig eine Wiederzündung des Lichtbogens zwischen den trennenden Schaltkontakten auf, die zu einem Stromstoß großer Stärke führt. Dies beruht darauf, daß die Schaltgeschwindigkeit des Trennschalters im Vergleich zum Leistungsschalter niedrig ist. Üblicherweise wird an den Trennschalter ein Widerstand zur Unterdrückung eines solchen Strom­ stoßes angeschlossen.

Ein Beispiel für die Funktion des Trennschalters ist das Schalten von Hauptsammelschienen in einem Kraftwerk oder dgl. mittels Stromkreis-Trennschaltern. Die Fig. 1a und 1b zeigen das Verbinden von Sammelschienen A und B unter Ausnutzung von Trennschaltern, die gasförmiges SF₆ enthalten. Bei diesem Vorgang wird ein Strom unterbrochen, der nahezu dem Nennstrom in dem die Trennschalter A 1 und B 1 enthaltenden Stromkreis entspricht, der im folgenden als Schleifenstrom bezeichnet ist.

Die Funktion der Trennung eines lastfreien Stromkreises sowie die Funktion des Schaltens eines Schleifenstromes nach obiger Definition müssen durch einen Trennschalter in einem Kraftwerk oder dgl. häufig erfüllt werden.

Ein elektrischer Trennschalter der eingangs genannten Art ist aus der DE-OS 21 12 381 bekannt. Die Betätigung des Trennschalters erfolgt dabei mit einem Kolben, der auf beide Schalter wirkt. Zum Öffnen des Trennschalters bewegt sich der Kolben nach oben, so daß zunächst der von Lichtbogenkontakten gebildete Schalter geöffnet wird, während der zweite Schalter durch die Wirkung einer Feder geschlossen bleibt. Erst wenn der erste Schalter vollständig geöffnet hat, wird auch der zweite Schalter geöffnet, d. h. der zweite Schalter ist während des Öffnungs­ vorganges ständig parallel zum Widerstand geschaltet und wird erst im stromlosen Zustand geöffnet.

Auf diese Weise kann jedoch das Wiederzünden des Lichtbogens beim dort beschriebenen Trennschalter nicht wirksam unterbunden werden, da der Widerstand parallel zum geschlossenen Schalter praktisch unwirksam ist. Die Lichtbogenkontakte selbst sind zwar in der Lage, Licht­ bogenentladungen auszuhalten, die bei der Trennung der Schaltkontakte stattfinden, nicht jedoch die übrigen Hauptkontaktteile eines derartigen Trennschalters. Zum Schutz der Hauptkontakte finden sich in dieser Druck­ schrift jedoch keine Angaben. Außerdem hat der Trennschalter gemäß der DE-OS 21 12 381 mit seinen in Reihe geschalteten Hauptkontakten einen aufwendigen Aufbau.

In der DE-OS 19 29 551 ist parallel zu einem Paar von Hauptkontakten eine erste Serienschaltung aus Hauptwiderstand und Hauptwiderstandsschalter sowie eine zweite Serienschaltung aus Hilfswiderstand und Hilfswiderstands­ schalter vorgesehen. Somit sind die drei Schalter dort jeweils parallel zueinander geschaltet und werden mit einer vorgegebenen Phasenverschiebung geschaltet, um dadurch eine Verringerung des Spitzenwertes des Spannungsstoßes zu erreichen, der beim erneuten Schließen des Schalters auftritt. Die dort beschriebene Anordnung hat dabei einen aufwendigen Aufbau mit einer Vielzahl von Schaltern und Widerständen, die in zeitlich genau abge­ stimmter Weise betätigt werden müssen, damit sich keine Aufschaukeleffekte ergeben.

Ausgehend von einem elektrischen Trennschalter der eingangs genannten Art liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen derartigen Trennschalter anzugeben, der bei einfachem Aufbau eine wirkungsvolle Unterbrechung des Schleifenstroms gewährleistet und den Verschleiß der Hauptkontakte auch beim Wiederzünden des Lichtbogens verhindert.

Die erfindungsgemäße Lösung besteht darin, einen Trennschalter der eingangs genannten Art so auszubilden, daß zwei Kontakte, die einen Hauptschalter bilden, parallel zu der Reihenschaltung aus dem ersten Schalter und dem Widerstand geschaltet sind, und daß beim Ausschaltvorgang zuerst der Hauptschalter, dann der erste Schalter und schließlich der zweite Schalter öffnen, wobei der zweite Schalter bereits öffnet, bevor der erste Schalter seine vollständige Öffnungsstellung erreicht.

Mit dem erfindungsgemäßen Trennschalter wird das angestrebte Ziel in zufriedenstellender Weise erreicht. Bei kompaktem Aufbau werden eine zuverlässige Stromunter­ brechung erzielt und sonst auftretende Beschädigungen der Hauptkontakte vermieden. Da der zweite Schalter bereits öffnet, bevor der erste Schalter seine vollständige Öffnungsstellung erreicht, wird das Wiederzünden des Lichtbogens in vorteilhafter Weise unterdrückt.

In Weiterbildung des erfindungsgemäßen Trennschalters ist vorgesehen, daß der eine Überbrückungskontakt des zweiten Schalters integral mit dem mit ihm elektrisch verbundenen Lichtbogenkontakt des ersten Schalters ausgebildet und mittels einer Feder gegen einen beweglichen Kontakt des ersten Schalters vorgespannt ist.

Bei einer speziellen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Trennschalters ist vorgesehen, daß der eine Überbrückungs­ kontakt und der mit ihm verbundene Lichtbogenkontakt jeweils am Ende einer sie verbindenden Tragstange angebracht sind und daß die Tragstange in einem die Feder aufnehmenden Federgehäuse verschiebbar geführt ist.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn beim erfindungsgemäßen Trennschalter die Feder einen an der Tragstange angebrachten, im Federgehäuse geführten, die Bewegungsgeschwindigkeit der Tragstange steuernden Kolben beaufschlagt, und daß das Federgehäuse Ausblasöffnungen für das vom Kolben komprimierte Löschgas aufweist.

Mit den vorstehend angegebenen Maßnahmen wird die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Trennschalters in vorteilhafter Weise unterstützt.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels und unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in

Fig. 1a und 1b Schaltbilder eines Sammelschienen-Schalt­ kreises in verschiedenen Zuständen;

Fig. 2 ein Ersatzschaltbild einer Ausführungsform des Stromkreis-Trennschalters;

Fig. 3 eine Darstellung im Längsschnitt zur Erläuterung des Aufbaus des Trennschalters gemäß Fig. 2;

Fig. 4 einen Teillängsschnitt in vergrößertem Maßstab zur Erläuterung eines wesentlichen Bereiches der Ausführungsform gemäß Fig. 3;

Fig. 5 ein Ersatzschaltbild für die Ausführungsform gemäß Fig. 3 bei getrennten Hauptkontaktstücken;

Fig. 6 ein Ersatzschaltbild der Ausführungsform gemäß Fig. 3, wobei die Lichtbogenkontakte nach dem Zustand gemäß Fig. 5 getrennt worden sind;

Fig. 7 ein Ersatzschaltbild der Ausführungsform gemäß Fig. 3, wobei die Überbrückungskontakte nach dem Zustand gemäß Fig. 6 getrennt worden sind;

Fig. 8 eine der Fig. 4 ähnliche Darstellung, in der die Hauptkontaktstücke getrennt sind;

Fig. 9 eine der Fig. 4 ähnliche Darstellung, in der nach dem Zustand gemäß Fig. 8 die Lichtbogenkontakte getrennt worden sind;

Fig. 10 eine der Fig. 4 ähnliche Darstellung, in der nach dem Zustand gemäß Fig. 9 die Überbrückungs­ kontakte getrennt worden sind; und in

Fig. 11 eine der Fig. 4 ähnliche Darstellung, die den Trennschalter nach Durchführung des Trenn- oder Ausschaltvorganges zeigt.

Im folgenden wird zunächst der Aufbau des Trennschalters unter Bezugnahme auf Fig. 3 und 4 näher erläutert. Der Trennschalter weist einen Behälter 1 auf, der mit einem zur Lichtbogenlöschung geeigneten Löschgas gefüllt und durch isolierende Distanzstücke 2 und 3 verschlossen ist. An den Distanzstücken 2 und 3 sind Leiter 4 bzw. 5 befestigt, die als Anschlüsse vorgesehen sind. Eine Abschirmung 6 aus leitfähigem Material ist am Leiter 4 angebracht und mit einer Öffnung 6 a versehen. Ein festes Hauptkontaktstück 7 ist in der Abschirmung so angeordnet, daß es der Öffnung 6 a zugewandt ist. Das feste Hauptkontaktstück 7 ist an der Abschirmung 6 befestigt und elektrisch mit diesem verbunden.

Ein Widerstand 8 ist mit einem seiner Enden an der Abschirmung 6 befestigt und weist einen Isolierstab 8 a und ein Widerstandselement 8 b auf. Am anderen Ende des Wider­ standes 8 ist ein zylindrisches Federgehäuse 9 angebracht. Im Federgehäuse 9 ist eine sich innerhalb des festen Kontakt­ stückes 7 erstreckende, leitfähige Tragstange 10 ver­ schiebbar geführt, die an einem Ende mit einem festen Lichtbogenkontakt 10 a versehen ist, der eine Lichtbogenent­ ladung aushält. Die Tragstange 10 ist bei der Anordnung gemäß Fig. 2 und 3 nach rechts bis zu einer Stellung verschiebbar, in der das Ende des Lichtbogenkontaktes 10 a aus der Abschirmung 6 herausragt. Der Lichtbogenkontakt 10 a ist über das Federgehäuse 9 mit dem anderen Ende des Widerstandes 8 verbunden. Eine Feder 11 beaufschlagt die Tragstange 10 in der Richtung nach rechts, so daß sie aus der Abschirmung 6 herausragt.

Die Tragstange 10 ist an ihrem dem Lichtbogenkontakt 10 a gegenüberliegenden Ende mit einem Überbrückungskontakt 10 b versehen, der mit einem festen Überbrückungskontakt 20 in und außer Eingriff bringbar ist, und zwar in Abhängigkeit von der Position bzw. der Bewegung der Tragstange 10. Der Überbrückungskontakt 20 ist von einer Abschirmung 21 umgeben, die mit der Abschirmung 6 verbunden ist.

Am Leiter 5 ist eine weitere, aus leitfähigem Material bestehende Abschirmung 12 befestigt, die mit einer Öffnung 12 a versehen ist. In der Abschirmung 12 ist ein bewegliches Hauptkontaktstück 13 verschiebbar gelagert. Das Hauptkontaktstück 13 ist an einem Ende mit einem beweglichen Lichtbogenkontakt 13 a versehen, der eine Licht­ bogenentladung aushält. Wenn sich das bewegliche Haupt­ kontaktstück 13 aus der Stellung gemäß Fig. 3 nach rechts verschiebt, trennt es sich vom festen Hauptkontaktstück 7, bevor sich die beiden Lichtbogenkontakte 10 a und 13 a von­ einander trennen. Mit der Abschirmung 12 ist ein Kontaktstück 14 verbunden, das mit dem beweglichen Hauptkontaktstück 13 in Gleitberührung steht. Mit dem Hauptkontaktstück 13 ist eine isolierende Betätigungsstange 15 verbunden. Ein Gelenkmechanismus 16 überträgt die Antriebskraft einer nicht dargestellten Antriebsquelle über die isolierende Betätigungsstange 15 auf das Hauptkontaktstück 13.

Gemäß der Darstellung in Fig. 2 bis 4 sind die beiden Überbrückungskontakte 10 b und 20 mit dem Widerstand 8 parallel geschaltet. Der Überbrückungskontakt 20 ist ein fester Überbrückungskontakt, während der Überbrückungskontakt 10 b beweglich ist und mit dem festen Überbrückungskontakt 20 in Berührung gebracht und von ihm getrennt werden kann. Wie aus Fig. 3 und 4 ersichtlich, ist der bewegliche Überbrückungskontakt 10 b über die Tragstange 10 integral mit dem Lichtbogenkontakt 10 a verbunden. Die Überbrückungskontakte 10 b und 20 lassen sich erst trennen, wenn die beiden Lichtbogenkontakte 10 a und 13 a getrennt worden sind. Sie werden wieder miteinander in Berührungs­ kontakt gebracht bzw. geschlossen, wenn die beiden Licht­ bogenkontakte 10 a und 13 a wieder miteinander in Kontakt gebracht worden sind.

Mit den Bezugszeichen 22 und 23 sind Ausblasöffnungen im Federgehäuse 9 zur Steuerung der Arbeitsgeschwindigkeit des Lichtbogenkontaktes 10 a dargestellt. Ein durch die Feder 11 im Federgehäuse 9 beaufschlagter Kolben 10 c verdichtet das Löschgas im Federgehäuse 9, wobei das Löschgas über die Ausblasöffnungen 22 und 23 ausgetrieben und damit die Bewegungsgeschwindigkeit der Tragstange 10 und damit des Lichtbogenkontaktes 10 a geändert wird.

In dem Ersatzschaltbild gemäß Fig. 2 stehen die Bezugs­ zeichen Zm für die Impedanz der Hauptstromstrecke des Trennschalters, Zb für die Impedanz des den Lichtbogen­ kontakt 10 a, die Tragstange 10 und den beweglichen Überbrückungskontakt 10 b enthaltenden Stromkreises, Zl für die Impedanz der zum Schaltzeitpunkt des Systems bestehenden Stromschleife, und R für den Widerstandswert des Widerstandes 8.

Die Größen Zm, Zb, Zl und R stehen im allgemeinen in folgender Beziehung zueinander:

Zb ≅ Zm < Zl < R (1)

Die Wirkungsweise des elektrischen Trennschalters wird nachstehend näher erläutert.

Die Fig. 5 und 8 zeigen den Zustand des Trennschalters unmittelbar nach dem Beginn des Trenn- oder Ausschalt­ vorganges bei der Unterbrechung des Schleifenstromes. Bei der Verschiebung des Hauptkontaktstückes 13 werden die Hauptkontaktstücke 7 und 13, die den Hauptschalter bilden, voneinander getrennt. Zu diesem Zeitpunkt befinden sich die Lichtbogenkontakte 10 a und 13 a sowie die Überbrük­ kungskontakte 10 b und 20 in ihrem Schließzustand, so daß der Widerstand 8 über die Überbrückungskontakte 10 b und 20 in Nebenschluß geschaltet ist.

In diesem Zustand stehen die Größen Zm und Zb gemäß der Ungleichung (1) in folgender Beziehung zueinander:

Zb ≅ Zm

Beim Trennen der Hauptkontaktstücke 7 und 13 beginnt somit der Schleifenstrom i vollständig über die Stromstrecke zu fließen, welche die Überbrückungskontakte 10 b und 20 sowie die Lichtbogenkontakte 10 a und 13 a enthält. Infolge­ dessen wird eine Beschädigung der Hauptkontaktstücke 7 und 13 durch eine Lichtbogenentladung praktisch verhindert.

Bei der weiteren Verschiebung des Hauptkontaktstückes 13 nach rechts stellt sich ein in den Fig. 6 und 9 dargestellter Zustand ein. In diesem Zustand hat der mit dem Lichtbogenkontakt 10 a einstückig verbundene Kolben 10 c die im Federgehäuse 9 gebildete Ausblasöffnung 22 freigegeben. Sobald dieser Zustand erreicht ist, nimmt daher die Bewegungs­ geschwindigkeit des Lichtbogenkontaktes 10 a plötzlich ab. Infolgedessen beginnt der bewegliche Lichtbogenkontakt 13 a, sich von dem anderen Lichtbogenkontakt 10 a zu trennen, so daß ein Lichtbogen 24 zwischen den beiden Lichtbogenkontakten 10 a und 13 a auftritt.

Dieser bei der Unterbrechung des Schleifenstromes erzeugte Lichtbogen kann mit einem Gasstrom gelöscht werden, der in einer Strömungsführung 28 durch einen Blaszylinder 26 und einen Kolben 27 erzeugt wird, die in Fig. 3 dargestellt sind.

Bei der weiteren Bewegung des Hauptkontaktstückes 13 nach rechts stellt sich der Zustand gemäß Fig. 7 und 10 ein. Genauer gesagt, nach dem Löschen des bei der Unterbrechung des Schleifenstromes zwischen den Lichtbogenkontakten 10 a und 13 a erzeugten Lichtbogens beginnt der integral mit dem Lichtbogenkontakt 10 a verbundene, bewegliche Überbrückungs­ kontakt 10 b, sich von dem festen Überbrückungskontakt 20 zu trennen. Zu diesem Zeitpunkt sind die Hauptkontaktstücke 7 und 13 sowie die Lichtbogenkontakte 10 a und 13 a bereits voneinander getrennt worden, so daß beim Trennen der Überbrückungskontakte 10 a und 20 kein stromführender Stromkreis unterbrochen wird.

Bei der Trennung einer lastfreien Sammelschiene ist es erforderlich, den Schaltstoß durch Einschalten eines Widerstandes in Reihe mit dem den Trennschalter enthaltenden Stromkreis zu unterdrücken. Der Schaltstoß ist im allgemeinen proportional zu dem Potentialunterschied zwischen den beiden Kontaktteilen des Trennschalters zum Zeitpunkt einer erneuten Lichtbogenentladung. Der Potential­ unterschied zwischen den Kontakten ist dabei dem Abstand zwischen den Kontakten zum Zeitpunkt der Licht­ bogenentladung proportional. Infolgedessen tritt ein großer Schaltstoß mit einem solchen Wert, daß er durch die Einschaltung eines Widerstandes unterdrückt werden muß, in dem Falle auf, wo ein Lichtbogen entsteht, wenn sich das Hauptkontaktstück 13 in einem bestimmten Abstand vom Lichtbogenkontakt 10 a befindet. Dieser Abstand beträgt typischerweise 1/4 bis 1/3 der gesamten Strecke zwischen den Kontakten, auch wenn er von der jeweiligen Anordnung abhängig ist.

Wenn sich das Hauptkontaktstück 13 in der Anfangsphase des Ausschaltvorganges gemäß Fig. 8 und 9 befindet, sind die beiden Überbrückungskontakte 10 b und 20 noch nicht getrennt, so daß sich der Widerstand 8 zur Unterdrückung von Schaltstößen in einem im Nebenschluß geschalteten Zustand befindet.

Fig. 10 zeigt den Zustand, wo das Hauptkontaktstück 13 vom Lichtbogenkontakt 10 a getrennt ist. In diesem Zustand ist der Widerstand 8 mit den Lichtbogenkontakten 10 a und 13 a in Reihe geschaltet, da die Überbrückungskontakte 10 b und 20 voneinander getrennt sind. Wenn zu diesem Zeitpunkt ein wieder gezündeter Lichtbogen 25 zwischen den Kontakten auftritt, kann der resultierende Schaltstoß durch den Widerstand 8 wirksam aufgefangen bzw. unterdrückt werden.

Fig. 11 zeigt den Trennschalter nach durchgeführtem Trenn- bzw. Ausschaltvorgang. Beim erneuten Anschließen der lastfreien Sammelschiene durch den Trennschalter, ausgehend vom Zustand gemäß Fig. 11, tritt ein Wiederzünden des Lichtbogens auf, bevor der Lichtbogenkontakt Fig. 13a mit dem anderen Lichtbogenkontakt 10 a in Berührung kommt. Dabei gewährleistet der den Schaltstoß unterdrückende Widerstand 8 eine wirksame Unterdrückung sämtlicher wiedergezündeter Lichtbogenentladungen.

Wie vorstehend im einzelnen erläutert, ist der mit den Überbrückungskontakten versehene Stromkreis-Trennschalter in vorteilhafter Weise in der Lage, einerseits einen Schleifenstrom zu unterbrechen und andererseits den zum Zeitpunkt des Schaltens einer lastfreien Sammelschiene erzeugten Schaltstoß mit dem Widerstand 8 zu unterdrücken.

Claims (4)

1. Gasisolierter elektrischer Trennschalter, mit mindestens einem Paar von Lichtbogenkontakten (10 a, 13 a), die einen ersten Schalter bilden, der mit einem Widerstand (8) in Reihe geschaltet ist, mit zwei Kontakten (10 b, 20), die einen zweiten Schalter bilden, der parallel zu dem Widerstand (8) geschaltet ist, wobei beim Ausschaltvorgang die beiden Schalter (10 a, 13 a; 10 b, 20) nacheinander geöffnet werden, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Kontakte (7, 13), die einen Hauptschalter bilden, parallel zu der Reihenschaltung aus dem ersten Schalter (10 a, 13 a) und den Widerstand (8) geschaltet sind, und daß beim Ausschaltvorgang zuerst der Hauptschalter (7, 13), dann der erste Schalter (10 a, 13 a) und schließlich der zweite Schalter (10 b, 20) öffnen, wobei der zweite Schalter (10 b, 20) bereits öffnet, bevor der erste Schalter (10 a, 13 a) seine vollständige Öffnungsstellung erreicht.

2. Trennschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der eine Überbrückungskontakt (10 b) des zweiten Schalters (10 b, 20) integral mit dem mit ihm elektrisch verbundenen Lichtbogenkontakt (10 a) des ersten Schalters (10 a, 13 a) ausgebildet und mittels einer Feder (11) gegen einen beweglichen Kontakt (13 a) des ersten Schalters (10 a, 13 a) vorgespannt ist.

3. Trennschalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der eine Überbrückungskontakt (10 b) und der mit ihm verbundene Lichtbogenkontakt (10 a) jeweils am Ende einer sie verbindenden Tragstange (10) angebracht sind, und daß die Tragstange (10) in einem die Feder (11) auf­ nehmenden Federgehäuse (9) verschiebbar geführt ist.

4. Trennschalter nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder (11) einen an der Tragstange (10) angebrachten, im Federgehäuse (9) geführten, die Bewegungsgeschwindigkeit der Tragstange (10) steuernden Kolben (10 c) beaufschlagt, und daß das Federgehäuse (9) Ausblasöffnungen (22, 23) für das vom Kolben (10 c) komprimierte Löschgas aufweist.