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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen
Trennschalter im Hoch- und Mittelspannungsbereich.
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Das Auftrennen der Ströme im Hoch- und
Mittelspannungsbereich erfolgt üblicherweise mit Hilfe von
Trennschaltern, in denen die Trennkammer mit einem dielektrischen Gas
wie z.B. Schwefelhexafluorid SF&sub6; gefüllt ist.
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Während des Öffnens der Kontakte unterliegt der sich
zwischen den Kontakten ausbildende Lichtbogen einer heftigen
Blaswirkung des komprimierten Gases. Dies führt zum Erlöschen
beim Durchgang des Stroms durch Null.
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Diese Trennschalter besitzen eine komplexe
Konstruktion, da sie Mittel zum Komprimieren des Blasgases und Mittel
zum Speichern einer manchmal erheblichen Steuerenergie
besitzen müssen.
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Ein Ziel der Erfindung ist es, einen Trennschalter
anzugeben, der keine Vorrichtung zur Gaskomprimierung
erfordert und dessen Betätigungsenergie sehr gering ist.
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Das in dem erfindungsgemäßen Trennschalter verwendete
Prinzip der Stromabschaltung besteht darin, eine größere
Lichtbogenspannung als die Netzspannung zu erzeugen.
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Dieses Prinzip wird im Niederspannungsbereich mit
luftgefüllten Trennkammern angewandt. Aber es kann nicht
direkt auf den Bereich der mittleren und hohen Spannungen
übertragen werden, da die dielektrische Festigkeit von Luft zu
gering ist und die Zeitkonstante der Entionisierung zu groß,
um eine Wiederherstellungsspannung zu gewährleisten. Der
Lichtbogen zündet erneut nach jedem Nulldurchgang des
abzuschaltenden Stroms.
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Man hat daher daran gedacht, das Gas SF&sub6; zu verwenden,
dessen große dielektrische Festigkeit und geringe
Zeitkonstante bei der Entionisierung nach dem Abschalten leicht die
Spannung wiederherstellen können.
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Eine Schwierigkeit im Einsatz von SF&sub6; besteht aber
darin, daß die Lichtbogenspannungen in SF&sub6; deutlich geringer
als die Lichtbogenspannungen in Luft sind und daß es schwierig
und im industriellen Maßstab unmöglich ist, im
Hochspannungs- und Mittelspannungsbereich eine ausreichende
Lichtbogenspannung in SF&sub6; durch einfaches Ziehen des Bogens zu erzeugen.
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Diese Schwierigkeit wird erfindungsgemäß dadurch
behoben, daß der ursprüngliche Lichtbogen auf Metallplatten in
eine sehr große Zahl von Elementarlichtbögen aufgeteilt wird.
Die Lichtbogenspannung jedes Elementarlichtbogens beruht auf
dem Spannungsabfall der Wurzeln des Lichtbogens und liegt
zwischen 20 und 40 V, je nach der Art des Metalls.
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Aus der Druckschrift US-A-3 728 503 ist ein
Trennschalter bekannt, in dem der Lichtbogen mit Hilfe von
Metallplatten aufgeteilt wird, die parallel zueinander und durch
abwechselnd versetzte Abstandsstücke getrennt angeordnet sind,
so daß sich ein sinusförmiger Lichtbogenpfad ergibt.
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Diese Lösung erlaubt es nicht, den Lichtbogen in
ausreichendem Maß zu ziehen, wenn das isolierende Milieu ein
dielektrisches Gas ist.
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Ein Ziel der Erfindung ist es, dem Lichtbogen einen
Pfad in Form eines Solenoids zu verleihen, dessen
Selbstexpansion eine ausreichende Verlängerung des Lichtbogens
ermöglicht, um eine Abschaltung zu gewährleisten.
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Dieses Ziel wird erfindungsgemäß durch den
Trennschalter erreicht, der im Hauptanspruch definiert ist. Bezüglich
von Merkmalen einer bevorzugen Ausführungsform wird auf die
Unteransprüche verwiesen.
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Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten
Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegenden
Zeichnungen näher erläutert.
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Figur 1 zeigt schematisch in Perspektive den aktiven
Teil eines erfindungsgemäßen Trennschalters.
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Figur 2 zeigt im Querschnitt die Trennkammer des
Trennschalters.
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Die Figuren 3A und 3B zeigen von vorne bzw. von der
Seite eine Elektrode, die zwei Abteile der Kammer miteinander
verbindet.
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Figur 4 zeigt schematisch die Verschiebung des
Lichtbogens während eines Abschaltvorgangs.
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Figur 5 zeigt einen Längsschnitt.
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Figur 6 zeigt schematisch den zentralen Bereich eines
Trennschalter-Begrenzers gemäß dem Prinzip der Erfindung.
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Figur 7 zeigt schematisch im Schnitt den
Trennschalter-Begrenzer aus Figur 6.
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In Figur 1 sieht man schematisch ins Innere eines
Trennschalters.
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Die äußere Hülle des Trennschalters wurde nicht
dargestellt. Diese Hülle ist mit einem dielektrischen Gas wie z.B.
SF&sub6; unter einem Druck von einigen Bar gefüllt.
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Der Trennschalter enthält einen Permanentstromkreis
und einen Trennkreis.
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Der Permanentstromkreis enthält Querschienen 1 und 5,
die den Strom durch die nicht dargestellte Hülle leiten, einen
oberen ortsfesten Kontakt 2, bestehend aus einem leitenden
Profilteil und einen ortsfesten unteren Kontakt 4 bestehend
ebenfalls aus einem leitenden Profilteil. Um eine Achse 10
bewegliche Messer 3 werden durch eine nicht dargestellte
bekannte Vorrichtung, wie z.B. eine Kurbel, in Drehung versetzt.
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Die Messer sind nicht dargestellten Mitteln bekannter
Art zugeordnet, um einen ausreichenden Kontaktdruck zu
gewährleisten.
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Der Trennkreis enthält:
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- ein ortsfeste Horn 6 zur Lichtbogenzündung, das in
einem Kontaktfinger 6A aus einem Material mit hohem
Schmelzpunkt endet, wie z.B. einer Wolframlegierung,
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- zwei Trennmesser 7, die durch ein Endstück 7A aus
einem Material mit hohem Schmelzpunkt geschützt sind und
gemeinsam mit dem Messern 3 um die Achse 10 schwenkbar sind.Sie
sind geringfügig im Winkel versetzt, so daß die Trennung der
Kontakte 7 und 6 mit einer Verzögerung bezüglich der Trennung
der Kontakte 2 und 3 erfolgt;
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- ein Horn 8 zur Zündung des Lichtbogens, das von
einem Endstück 8A geschützt wird;
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- eine Trennkammer 9.
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Die Trennkammer wird nun anhand der Figur 1
(Perspektive), Figur 2 (Schnitt in einer Ebene senkrecht zur Achse 10)
und Figur 5 (Querschnitt) beschrieben.
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Die Trennkammer enthält ein Kunststoffgehäuse 11.
Dieses Gehäuse enthält Zwischenwände 11A, die die Kammer in
verschiedene Fächer unterteilt. Das Gehäuse kann
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- entweder einstückig hergestellt werden,
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- oder aus einer Stapelung identischer Bauteile
bestehen, wenn diese Konstruktion die Montage der inneren Elemente
erleichtert.
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Dieses Gehäuse besitzt an seiner Oberseite Löcher 15
zur Abfuhr der vom Lichtbogen freigesetzten Gase.
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Im Inneren jedes Fachs liegen mehrere Metallplatten
12, die parallel zueinander und parallel zu der durch die
Kontakte verlaufenden Linie angeordnet sind.
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Die Metallplatten 12 besitzen einen Einschnitt 12A,
der die Geschwindigkeit des Anstiegs des Lichtbogens erhöht,
indem das Magnetfeld des Stroms konzentriert wird.
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Diese Platten sind aus einem magnetischen Material
einer Dicke zwischen 0,8 und 2 mm und haben einen Abstand von
zwischen 0,8 und 1,5 mm.
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Elektroden 13 (Figur 3A, 3B) aus Metall enthalten
einen Bereich 13A in U-Form, der über die zwei benachbarte
Fächer trennende Zwischenwand 11A geschoben wird.
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Diese Elektroden besitzen zwei Flügel 13B und 13C, die
in je einem der benachbarten Fächer liegen. Diese Flügel
bilden zueinander einen Winkel von 90º. Sie sind eben und ihre
Ebene verläuft senkrecht zu der der Platten in ihrem
jeweiligen Fach.
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Zwischenwände 14 aus einer lichtbogenfesten Keramik
können ggf. im Fall von Hochleistungstrennschaltern montiert
sein, um das Gehäuse 11 zu schützen.
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Ein Abschaltvorgang läuft folgendermaßen ab: Unter der
Wirkung eines äußeren Mechanismus schwenken die Messer 3 und
heben vom ortsfesten Kontakt 2 ab; der Strom verläuft dann in
dem Kontakt 6 und dem Messer 7. Im weiteren Verlauf seiner
Schwenkbewegung trennt das Messer 7 sich von dem Kontakt 6.
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Der Lichtbogen entsteht dann bei A1 (Figur 4) auf den
Elementen 6A, 7A. Unter der Wirkung des von der Stromschleife
erzeugten Magnetfeld verschiebt sich der Lichtbogen nach A2
und zündet über die Hörner 6 und 8.
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Bekannte Vorrichtungen, wie z.B. Blasspulen (nicht
dargestellt), die vom Kurzschlußstrom durchflossen werden,
oder Magnetbleche, wie z.B. 8B, die die Elektroden 6 und 8
umgeben, können eingesetzt werden, um das auf den Lichtbogen
einwirkende Magnetfeld zu verstärken.
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Der Lichtbogen verlängert sich und gelangt bei A3 an
den Eingang der Trennkammer. An den Elektroden 13 zwischen den
Wänden teilt sich der Lichtbogen in Elementarlichtbogen A4
auf.
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Jede der Wurzeln des Lichtbogens A4 verschiebt sich
auf einer Elektrode 13. Der Lichtbogen A4 verlängert sich und
schwenkt um 90º und erzeugt mit den beiden Hörnern der
Elektroden 13 eine neue Stromschleife. Da alle Lichtbögen A4 sich
in gleicher Weise verschieben, erzeugt die Gesamtheit der in
Reihe geschalteten Stromschleifen ein Solenoid.
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Das von diesem Solenoid erzeugte Magnetfeld zwingt die
Lichtbögen A4 zwischen die Metallplatten 12 hinein, wobei
jeder Lichtbogen A4 sich in eine große Zahl von Lichtbögen
unterteilt, die zu einer plötzlichen Vergrößerung der
Lichtbogenspannung, zur Beschränkung des Abschaltstroms und zum
Erlöschen des Stroms führen.
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Der Lichtbogen wird im Inneren der Platten
stabilisiert
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- aufgrund des geringen Abstands zwischen den
Metallplatten 12,
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- aufgrund des Gaskissens, das im oberen Bereich jedes
Fachs der Kammer 9 durch die vom Lichtbogen selbst gelieferte
Energie erzeugt wird.
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Der Druckabbau erfolgt mit Hilfe von geeichten Löchern
15.
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Gegebenenfalls kann der obere Bereich der Platten
entweder durch Aufbringen eines isolierenden
Kunststoffmaterials oder durch Aufbringen einer Keramik (zum Beispiel Al&sub2;O&sub3;)
isolierend gemacht werden, um die Verschiebung der
Lichtbogenwurzeln zu verhindern.
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Die Gruppe von Messern 3 und 7 dreht weiter und
gelangt in die offene Trennschalterposition, die für die
Spannungshaltung erforderlich ist.
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Beim Schließen gelangt das Messer 7 mit dem Horn 6 in
Kontakt, und es fließt ein Strom auf den Elementen 6A und 7A;
die Messer 3 gelangen dann in Berührung mit dem Kontakt 2.
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Es ist möglich, nach dem oben beschriebenen Prinzip
einen Trennschalter-Begrenzer für den Hoch- oder
Mittelspannungsbereich herzustellen, der den Spitzenwert des
Kurzschlußstroms auf Werte begrenzt, die denen, die mit
Strombegrenzungs-Schmelzsicherungen erreicht werden, äquivalent sind oder
diese unterschreiten.
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Ein solcher Trennschalter-Begrenzer ist ohne seine mit
dem dielektrischen Gas gefüllte Hülle in Figur 6 gezeigt.
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Der oben beschriebene bewegliche Kontakt wird durch
einen Rückstoßkontakt ersetzt. Die anderen Elemente des
Trennschalters, nämlich die Querschienen 1 und 5, die Kontakte 6
und 4, die Trennkammer 9 mit der Elektrode 8, die mechanische
Übertragung und die Hülle bleiben unverändert.
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Dieser bewegliche Rückstoßkontakt enthält:
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- einen auf dem Kontakt 2 befestigten Kontakt 15, der
einen geradlinigen Bereich 15A besitzt,
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- einen Kontaktträger 19 aus isolierendem Gußmaterial,
der von einer Stange 20 um eine Achse 10 geschwenkt werden
kann,
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- einen Kontakt 16, der sich im Kontaktträger 19
befindet und um eine Achse 22 beweglich ist; dieser Kontakt ist
mit dem Kontakt 4 über ein flexibles Flechtkabel 18 verbunden;
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- eine Feder 17, die sich auf den Elementen 19 und 16
abstützt und einen ausreichenden Kontaktdruck für den
durchfließenden Dauerstrom erzeugt.
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Magnetplatten 21 sind auf dem Kontaktträger 19
befestigt. Ihre Aufgabe ist es, das elektrische Feld auf dem
Kontakt 16 zu erhöhen, um die Rückstoßkraft zu verstärken. Beim
Auftreten eines Kurzschlußstroms einer großen Stärke ergeben
sich sehr große elektrodynamischen Kräfte zwischen dem Finger
16 und dem Kontakt 15. Dadurch wird der Finger 16 kräftig
zurückgestoßen.
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Der Lichtbogen, der zwischen dem Kontakt 15 und dem
Finger 16 auftritt, schaltet praktisch sofort auf die
Elektroden 6 und 8 um. Der Rest des Trennvorgangs erfolgt dann
gemäß der obigen Beschreibung.
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Figur 7 zeigt im Schnitt den Trennschalter-Begrenzer
insgesamt mit seiner isolierenden Hülle 30.
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Meßwandler 23 (Figur 7), die auf den Querschienen
durch die Hülle hindurch sitzen, haben die plötzliche Änderung
des Stroms registriert und über ein elektronisches Relais 24
und einen Stoßdorn mit niedrigem Energieniveau 25 (bekannte
Elemente) einen Öffnungsbefehl an die Steuerung 26 gegeben.
Diese Steuerung bewegt über die Welle 31 die Kurbel 32 und die
Stange 20, die Finger 16 sowie die Kontaktträger 19 in die
Öffnungsstellung, ehe der Finger 16 unter der Wirkung der
Feder 17 mit dem Element 15 wieder in Kontakt gerät. Der
Finger 16 stößt an einen mit dem Kontaktträger 19 fest
verbundenen Anschlag 19A.
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Der Trennschalter, die Meßwandler, das elektronische
Relais und die Steuerung bilden eine autonome Schutzeinheit.
Das elektronische Relais kann auch Zwischenwerte des
Fehlerstroms erfassen und ein thermisches Bild des zu schützenden
Geräts erzeugen.
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Diese Einheit ist besonders geeignet für den Schutz
von Transformatoren im öffentlichen
Mittelspannungs-Verteilnetz und für den Schutz von Motoren großer Leistung.