DE69619367T2

DE69619367T2 - Steuerungsverfahren und -vorrichtung für schalterantrieb

Info

Publication number: DE69619367T2
Application number: DE69619367T
Authority: DE
Inventors: John Baranowski; P. Dunk; P. Mccormick
Original assignee: Cooper Industries LLC
Current assignee: Cooper Industries LLC
Priority date: 1995-05-15
Filing date: 1996-05-15
Publication date: 2002-08-14
Anticipated expiration: 2016-05-16
Also published as: MX9708859A; EP0830699B2; JPH11505366A; EP0830699B1; JP3759751B2; CN1085398C; BR9608875A; KR19990014777A; JP2006054193A; EP0830699A1; CA2219282A1; TW315477B; CA2219282C; ES2173282T3; KR100438526B1; AU697096B2; WO1996036982A1; CN1190487A; DE69619367D1; HK1015526A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

1. Sachgebiet der Erfindung:

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern einer elektrischen Schalteinrichtung. Genauer gesagt bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern einer Schalteinrichtung, die ein Schwingspulen-Betätigungselement verwendet, um schnell vnd positiv einen Stromunterbrecher zu öffnen und zu schließen.

2. Beschreibung des in Bezug stehenden Stands der Technik:

In einem Energieverteilungssystem kann eine Schalteinrichtung in das System aus einer Anzahl von Gründen eingebaut werden, um beispielsweise einen automatischen Schutz auf abnormale Belastungszustände hin zu erzielen oder ein Öffnen und Schließen von Abschnitten des Systems zu ermöglichen. Verschiedene Typen einer Umschalteinrichtung umfassen einen Schalter zum wahlweisen Öffnen und Schließen einer Energieübertragungsleitung, wie beispielsweise eine Leitung zu einer Kondensatorbank; einen Fehlerunterbrecher zum automatischen Öffnen einer Leitung auf die Erfassung eines Fehlers hin; und einen Wiedereinschalter, der sich schnell, auf die Erfassung eines Fehlers hin, eine vorbestimmte Anzahl von Malen öffnet und schließt, bis entweder der Fehler beseitigt ist oder sich der Wiedereinschalter in einer offenen Position verriegelt.
Vakuumunterbrecher sind weit verbreitet im Stand der Technik eingesetzt worden, da sie eine schnelle Niederenergiebogenunterbrechung mit einer langen Kontaktlebensdauer, niedriger mechanischer Beanspruchung und einem hohen Grad einer Betriebssicherheit liefern. In einem Vakuumunterbrecher sind die Kontakte in einer Vakuumumhüllung abgedichtet. Einer der Kontakte ist ein bewegbarer Kontakt, der ein Betätigungselement besitzt, das sich durch eine Vakuumdichtung in der Umhüllung erstreckt.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Eine der Aufgaben der vorliegenden Erfindung ist es, einen Schalteinrichtungs- Betätigungselement-Mechanismus und eine Steuerung dafür zu schaffen, die eine Bogenbildung und erzeugte Übergänge während eines Öffnens und Schließens minimieren.
Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Umschalteinrichtungs- Bewegungselement-Mechanismus und eine Steuerung dafür zu schaffen, die eine akkurate Überwachung des Systems liefern.
Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Umschalteinrichtungs- Betätigungselement-Mechanismus zu schaffen, der für einen Bereich von Bewegungsprofilen geeignet ist, um dadurch das Erfordernis nach vielen Typen mechanischer Systeme zu eliminieren.
Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Schalteinrichtungs- Betätigungselement-Mechanismus zu schaffen, der dazu geeignet ist, durch irgendeine herkömmlich erhältliche Motorsteuerschaltung oder eine zugeordnete Bewegungssteuerschaltung kontrolliert zu werden.
Eine noch andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Schalteinrichtungs- Betätigungselement-Mechanismus zu schaffen, der zum Erzielen von Geschwindigkeiten und Kräften geeignet ist, die nicht mit mechanischen Systemen nach dem Stand der Technik erzielbar sind.
Eine noch andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte, synchron arbeitende Schalteinrichtung zu schaffen, die zu einer wesentlichen Verringerung von Übergängen, erzeugt während des Umschaltvorgangs, führt.
Allgemein hat eine Schalteinrichtung, die Vakuumunterbrecher einsetzt, verschiedene feder vorbelastete Mechanismen eingesetzt, die mit einem Betätigungselement verbunden sind, um positiv die Unterbrecherkontakte zu öffnen oder zu schließen. Eine solche Vorrichtung, die üblich verwendet wird, ist eine einfache Kipphebelverbindung. Die primäre Funktion dieser Mechanismen ist diejenige, eine Bogenbildung durch sehr schnelles Antreiben der Kontakte zu deren offenen oder geschlossenen Positionen zu minimieren. Verschiedene Anwendungen können die Verwendung einer Anzahl von feder-vorbelasteten Mechanismen mit zugeordneten Verriegelungen und Verbindungen erfordern.
Um diese mechanischen Systeme aufzubauen, entweder durch Kompression oder Ausdehnung der Antriebsfeder, wird normalerweise ein Betätigungselement vorgesehen. Diese Betätigungselemente können, sind allerdings nicht darauf beschränkt, Solenoide, Motoren oder hydraulische Vorrichtungen umfassen. Im Vergleich zu den speziellen Geschwindigkeitserfordernissen des Unterbrechers, um effektiv einen Strom zu unterbrechen, sind diese Betätigungselemente relativ langsam mit schlechten Ansprechzeiten. Aus diesem Grund werden sie normalerweise dazu verwendet, direkt die Unterbrecherkontakte anzutreiben, werden allerdings nicht dazu verwendet, die schnell arbeitenden Federmechanismen aufzubauen. Der grundsätzliche Nachteil dieses Systems ist derjenigen, dass der feder-betriebene Vorgang selbst nicht dazu führt, einfach kontrollierbar zu sein, und er erfordert einen beträchtlichen ingenieurmäßigen Aufwand, um fein die Funktionsweise des Mechanismus einzustellen.
In der Praxis bedeutet dies, dass viele unterschiedliche Mechanismen so ausgelegt werden müssen, um die unterschiedlichen Betriebserfordernisse für Schalter, Fehlerunterbrecher und Wiederschließeinrichtungen anzupassen, und innerhalb jeder dieser Klassen von Schaltvorrichtungen sind unterschiedliche Mechanismen vorhanden, die in Abhängigkeit von der Anwendung erforderlich sind, umfassend Spannungs- und Stromerfordernisse. Weiterhin ist, im Hinblick auf die hohen Spannungen, die typischerweise in Energieanwendungen verwendet sind, eine schnelle und akkurate Bewegung der Unterbrecherkontakte erwünscht, um eine Lichtbogenbildung zwischen den Kontakten und die Erzeugung von Einschwingvorgängen zu minimieren. In Abhängigkeit von der Anwendung kann es, ob es nun eine Kondensatorbank-Umschaltung oder eine Federunterbrechung ist, durch Fachleute auf dem betreffenden Fachgebiet bestimmt werden, wann die vorteilhafteste Zeit, um den Unterbrecherkontakt zu öffnen oder zu schließen, auftritt. Diese optimale Zeit korreliert zu einem präzisen Punkt auf der Spannungs- oder Stromwelle, wo eine Stromunterbrechung oder eine Kontaktherstellung eine minimale Bogenbildung und Einschwingvorgänge erzeugen würde. Da herkömmliche, federangetriebene Mechanismen selbst nicht zu diesem Grad einer feinen Steuerung führen, bietet diese Erfindung eine brauchbare Einrichtung an, um einen Punkt auf der Welle oder eine synchrone Umschaltung zu erreichen. Ein solcher synchroner Betrieb des Unterbrechers ist sowohl im Hinblick auf die verringerte Abnutzung der Unterbrecherkontakte als auch in Bezug auf die wesentliche Verringerung allgemeiner Einschwingvorgänge, die durch das Energiesystem ausgangsseitig der Schaltvorrichtungseinheit auftreten, vorteilhaft.
Ein weiteres Merkmal einer gesteuerten, synchron arbeitenden Schaltvorrichtungseinheit ist dasjenige, dass die Geschwindigkeit, unter der sich die Kontakte schließen, kontrolliert werden kann. In herkömmlichen Systemen werden die Kontakte zusammen in einer nicht kontrollierten Weise unter einer sehr hohen Geschwindigkeit angetrieben und es ist möglich, dass die Kontakte mehrere Male aufspringen, bis sie zur Ruhe kommen. Dieses Rückprall-Phänomen ist nicht erwünscht, da die sich ergebende Lichtbogenbildung die Kontakte erweichen kann und starke Verschweißungen erzeugen kann, wenn die Kontakte schließlich zusammenpassen.
Die DE-A-26 01 799, auf der der Oberbegriff des Anspruchs 1 basiert, und die EP-A- 0528357 offenbaren beide Stromunterbrecher mit bewegbaren Kontakten, angetrieben durch ein Betätigungselement, gesteuert durch ein Steuersystem.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Stromunterbrecher geschaffen, der aufweist:
eine Stromunterbrechungsvorrichtung mit wenigstens einem beweglichen Kontakt und ein Betätigungselement, das mit dem beweglichen Kontakt des Stromunterbrechers verbunden ist; gekennzeichnet durch:
einen Rückkopplungssensor, der eine Position des Betätigungselementes während eines Betätigungszyklus überwacht; einen Sensor, der eine Wellenform einer Spannung in einer zu schaltenden Leitung erfasst und Informationen hinsichtlich der Spannungswellenform liefert; und ein Steuerungssystem, das mit dem Rückkopplungssensor verbunden ist, um Informationen von dem Rückkopplungssensor bezüglich der Position des Betätigungselementes während des Betätigungszyklus zu empfangen, und mit dem Sensor verbunden ist und um Informationen von dem Sensor bezüglich der Spannungswellenform aufzunehmen, wobei das Steuerungssystem eine Bewegung des Betätigungselementes während des Betätigungszyklus auf der Grundlage der Informationen von dem Rückkopplungssensor und der Informationen von dem Sensor steuert und Strom in der zu schaltenden Leitung an einer gewünschten Position an der Spannungswellenform sperrt oder freigibt. Ein entsprechendes Verfahren wird auch geschaffen.
Die vorstehenden Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden, detaillierteren Beschreibung der Erfindung ersichtlich werden. Die beigefügten Zeichnungen, die nachfolgend aufgelistet sind, sind beim Erläutern der Erfindung nützlich.
In dem Text, der folgt, wird die Erfindung unter Bezugnahme auf erläuternde Ausführungsformen dargestellt, in denen:
Fig. 1 stellt ein schematisches Diagramm einer Schaltvorrichtung dar, die ein Schwingspulen-Betätigungselement einsetzt;
Fig. 2 stellt eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform einer Schalteinrichtung dar;
Fig. 3 zeigt eine Querschnittsansicht des Vakuummoduls, dargestellt in Fig. 2;
Fig. 4 stellt eine vergrößerte Ansicht des Betätigungsmechanismus der Ausführungsform, gezeigt in Fig. 2, dar;
Fig. 5 stellt eine Explosionsansicht der primären Bauelemente des Betätigungsmechanismus dar;
Fig. 6 stellt eine Graphik dar, die die Systemspannung gegenüber der Zeit und die dielektrische Abnahme des Unterbrechers zeigt;
Fig. 7 zeigt eine schematische Ansicht einer Schaltung, die in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann;
Fig. 8 zeigt eine graphische Darstellung, die ein Bewegungsprofil zeigt, das in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann;
Fig. 9 zeigt eine Darstellung eines Schwingspulen-Betätigungselements, das in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann;
Fig. 10 zeigt eine Ansicht eines Verriegelungsmechanismus, der in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann;
Fig. 11 zeigt eine Ansicht eines Kontaktdruck-Federmechanismus, der in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann;
Fig. 12 zeigt eine Graphik, die die synchrone Zeitabstimmung eines Öffnungsvorgangs eines Kondensatorschalters darstellt.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Für ein besseres Verständnis der Erfindung kann Bezug auf die nachfolgende, detaillierte Beschreibung genommen werden, die in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen vorgenommen wird, wobei bevorzugte, beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dargestellt und beschrieben sind. Jedes Bezugszeichen ist durch die Zeichnungen hinweg konsistent.
In Fig. 1 ist eine ankommende Energieversorgungsleitung 2 in Reihe mit einem Stromunterbrecher 4 verbunden, um zu ermöglichen, dass der Stromunterbrecher 4 die Leitung öffnet. Die Leitung 2 kann unter einem vorbestimmten Befehl, oder, in dem Fall eines Fehler-Unterbrechers, wenn ein Fehler einen vorbestimmten Schwellwertpegel übersteigt, geöffnet werden. Einer der Kontakte des Stromunterbrechers 4 ist mit einem Ende einer Betätigungsstange 6 verbunden. Das andere Ende der Betätigungsstange 6 ist betriebsmäßig mit einem Betätigungselement verbunden, wie beispielsweise einem Schwingspulen-Betätigungselement 8. Das Schwingspulen-Betätigungselement 8 wirkt direkt auf die Betätigungsstange 6 ein, um die Kontakte des Stromunterbrechers 4 zu öffnen oder zu schließen.
Das Schwingspulen-Betätigungselement 8 ist eine direkt antreibende Vorrichtung mit begrenzter Bewegung, die ein magnetisches Feld und eine Spulenwicklung 10 verwendet, um eine Kraft proportional zu dem Strom, angelegt an die Spule, zu erzeugen. Die elektromechanische Umwandlung des Schwingspulen-Betätigungselements 8 wird durch das Lorentzkraft-Prinzip bestimmt, das bedeutet, dass dann, wenn ein einen Strom führender Leiter in einem magnetischen Feld plaziert wird, eine Kraft darauf einwirken wird. Die Größe der Kraft wird durch die Gleichung bestimmt:
F = kBLIN
wobei F gleich der Kraft ist, k eine Konstante ist, B die magnetische Flußdichte ist, L die Länge des Leiters ist, I der Strom in dem Leiter ist und N die Zahl von Windungen des Leiters ist.
Der Strom, der durch die Schwingspulenwicklung 10 hindurchführt, wird durch einen Steuermechanismus 12 gesteuert. Irgendein kommerziell erhältlicher Steuermechanismus 12 könnte verwendet werden. Zum Beispiel umfassen geeignete Steuermechanismen 12: Einzelschleifen-Steuereinrichtungen, programmierbare, logische Steuereinrichtungen oder verteilte Steuersysteme. Der Steuermechanismus 12 kann mit einer Rückkopplungsvorrichtung 14 gekoppelt sein, die einen Eingang in Bezug auf die Position der Betätigungsstange 6 liefert.
Der Steuermechanismus 12 kann auch mit einer Verriegelungsvorrichtung 16 gekoppelt sein. Wenn instruiert ist, die Betätigungsstange 6 durch den Steuermechanismus 12 zu sichern, befestigt die Verriegelungsvorrichtung 16 die Betätigungsstange 6 in deren Position. In einer alternativen Vorrichtung kann der Verriegelungsmechanismus 16 ein Permanentmagnet oder eine mechanische Verriegelung sein, die nicht mit der Steuervorrichtung 12 gekoppelt ist.
In Fig. 2 ist eine Querschnittsansicht einer der Ausführungsformen der Erfindung dargestellt. Eine einteilige, langgestreckte, fest isolierte Einkapselung 18 umschließt die Betätigungsstange 6 und den Stromunterbrecher 4. Die Einkapselung 18 kann aus einer Keramik, einem Porzellan, irgendeinem geeigneten Epoxydharz, oder irgendeinem anderen, geeigneten, festen, isolierenden Material gebildet sein. Ein leitungsseitiger, elektrischer Hochspannunganschluß 22 und ein lastseitiger, elektrischer Hochspannungsanschluß 20 stehen über die fest isolierte Umhüllung 18 vor und sind mit dem Stromunterbrecher 4 verbunden. Die elektrischen Hochspannungsanschlüsse 20 und 22 sind diametral angeordnet, um 180 Grad beabstandet, und liegen parallel in Bezug zueinander. Die Einkapselung 18 liefert sowohl die feste Isolierung zwischen den elektrischen Hochspannungsanschlüssen 20 und 22 als auch die feste Isolierung zwischen jedem elektrischen Hochspannungsanschluß 20 und 22 und einer elektrischen Erdung (nicht dargestellt).
Der Stromunterbrecher 4 umfaßt ein Vakuummodul oder eine Flasche 24, dargestellt im Querschnitt in Fig. 3, mit einem Paar von Schaltkontakten 71, 72, angeordnet innerhalb des Vakuummoduls 24. Das Vakuummodul 24 bildet ein Gehäuse und eine evakuierte Umgebung für den Betrieb des Paars der Schaltkontakte. Das Modul 24 ist gewöhnlich aus einem langgestreckten, im wesentlichen rohrförmigen, evakuierten Keramikgehäuse 73, bevorzugt gebildet aus Aluminiumoxyd, aufgebaut. Einer der Schaltkontakte 71 ist bewegbar, und der andere Schaltkontakt 72 ist stationär oder fixiert.
Ein spezielles Anschlußstück 76 ist an dem Schaft des stationären Kontakts 72 befestigt, was dem zugeordneten, elektrischen Hochspannungsanschluß 22 ermöglicht, unter einem Winkel von 90º auszutreten.
Der bewegbare Schaltkontakt 71 ist an dem obersten Längsende der Betätigungsstange 6 befestigt. Ein Verfahren eines Befestigens ist dasjenige, einen Bolzen 32, eingeschraubt in eine verjüngt ausgebildete Verbindung 74 in dem sich bewegenden Schaft 75 des bewegbaren Kontakts 71 zu verwenden. Wenn sich die Schaltkontakte in der geschlossenen Position befinden, wie dies dargestellt ist, wird ein niedriger Widerstand oder ein elektrischer Pfad in Form einer Kurzschlußschaltung zwischen den elektrischen Hochspannungsanschlüssen 20 und 22 erzeugt. Der Stromunterbrecher 4 umfaßt weiterhin eine Stromaustauschanordnung und eine Zwischenfläche 26 zwischen dem Vakuummodul 24 und der Stromaustauschanordnung. Die Stromaustauschanordnung enthält einen sich bewegenden Kolben 28 und ein fixiertes, äußeres Gehäuse 30. In dieser Ausführungsform ist die Betätigungsstange 6 aus einem elektrisch isolierten Material hergestellt.
Das andere Ende der Betätigungsstange 6 ist an einem Flansch 34 an dem Schwingspulen-Betätigungselement 8 durch einen festen Stift 36 gesichert. Der Stift 36, der die vorstehenden Bauelemente in ihrer Position zurückhält, kann durch irgendeine geeignete Einrichtung gesichert sein, wie beispielsweise ein Paar Rückhalteringe. Ein rezirkulierendes, lineares Kugellager 38 und Spaltringe 40, die das Kugellager halten, führen zu einer weichen Bewegung der Betätigungsstange 6. Die Schwingspulenwicklung 10 ist zwischen dem äußeren Körper des Schwingspulen-Betätigungselements 8 und dem Flansch 34 angeordnet. Seitenflansche 42 sind an dem äußeren Körper des Schwingspulen- Betätigungselements 8 befestigt und verbinden sich mit Seitenträgern 44, um dadurch sicher das Schwingspulen-Betätigungselement 8 an einem Schutzgehäuse 46 zu befestigen. Das Schutzgehäuse 46 ist an einem Deckel 50 für das Schutzgehäuse 46 über Gehäuseflansche 48 befestigt und der Schutzgehäusedeckel 50 ist mit der festen Isolationsumhüllung 18 über Deckelflansche 52 verbunden. Ebenso wie die feste, isolierte Einkapselung 18 ist auch das Schutzgehäuse 46 aus Keramik, Porzellan, irgendeinem geeigneten Epoxydharz, oder irgendeinem anderen, geeigneten, festen Isolationsmaterial gebildet. In dieser Ausführungsform ist die Rückkopplungsvorrichtung 14 ein Positonssensor, wie beispielsweise ein lineares Potentiometer 14. Das lineare Potentiometer 14 kann aus einem Rheostat mit drei Anschlüssen oder einem Widerstand mit einem oder mehreren einstellbaren Gleitkontakten aufgebaut werden, um dadurch als ein einstellbarer Spannungsteiler zu funktionieren. Das lineare Potentiometer 14 liefert Informationen in Bezug auf die Position der Betätigungsstange 6 zu dem Steuermechanismus 12, der das Schwingspulen-Betätigungselement 8 steuert. Alternativ kann die Rückführungsvorrichtung 14 ein optischer Codierer sein.
Die Verriegelungsvorrichtung 16 ist dazu vorgesehen, die Betätigungsstange 6 zu sichern. Die Verriegelungsvorrichtung kann eine steuerbare Vorrichtung sein, wie beispielsweise ein Elektromagnet, oder eine einfache, mechanische oder Permanent- Magnetverriegelung, umfassend: einen Verriegelungsmagneten 54, ein Abstandsteil 56, hergestellt aus einem Nicht-Eisen-Material, eine Schraube 58, die den Verriegelungsmagnet 54 an dem Schutzgehäusedeckel 50 sichert, eine Verriegelungsplatte 60, hergestellt aus einem Stahl oder Eisen, und einen Verriegelungsplattenstift 62, der die Verriegelungsplatte 60 an der Betätigungsstange 6 sichert.
Um besser die Erfindung zu verstehen, sollte auf die Fig. 4 und 5 Bezug genommen werden. Fig. 4 stellt eine vergrößerte Ansicht des Betätigungsmechanismus der bevorzugten Ausführungsform, gezeigt in Fig. 2, dar, und Fig. 5 stellt eine Explosionsansicht der primären Bauelemente des Betätigungsmechanismus dar.
Details, die sich auf den Steuermechanismus der vorliegenden Erfindung beziehen, werden nun beschrieben.
Fig. 6 stellt ein Spannungssignal 100 dar, ausgedruckt auf einer Graphik, die das Spannungsniveau v(t) gegenüber der Zeit t vergleicht. In einer 60 Hz Anwendung beträgt jeder halbe Zyklus idealerweise 8,33 ms. Allerdings können tatsächliche Zyklen aufgrund von Harmonischen oder asymmetrischen Zuständen variieren, so dass ein gegebener, halber Zyklus größer oder geringer als 8,33 ms sein kann.
Um eine Lichtbogenbildung und die Erzeugung von Übergängen in einer Kondensatorschalter-Anwendung zu minimieren, sind die Kontakte des Unterbrechers idealerweise augenblicklich an den Nullpunkten geschlossen, wenn v(t) gleich Null ist. Siehe Punkt A in Fig. 6. Allerdings sollte, da die Kontakte sich nicht augenblicklich schließen können, die Zeitabstimmung der Initiierung der Öffnungs- und Schließsequenzen sorgfältig kontrolliert werden, um Einschwingvorgänge und eine Lichtbogenbildung zu minimieren.
Eine bevorzugte Ausführungsform einer Steuerschaltung 200 zur Verwendung in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 7 dargestellt. Das Herzstück der Steuerschaltung 200 ist ein Mikroprozessor 202, der zur Verwendung in einem breiten Temperaturbereich geeignet ist.
Die Spannungswellenform der Energieversorgungsleitung, die durch den Unterbrecher 4 gesteuert werden soll, wird mit einem Spannungswellenform-Analysierer 204, einer Phasenverriegelungsschleifen-Schaltung 206 und einer VNULL Durchgangserfassungsschaltung 208 analysiert. Informationen, die die Spannungswellenform der Leitung betreffen, die unterbrochen werden soll, umfassend die Zeitabstimmung von Null-Punkten A, wo die Spannung v(t) Null ist, werden zu dem Mikroprozessor 202 eingegeben. Alternativ könnte ein Spannungswellenformanalysierer 204 verwendet werden, der die Spannungswellenform direkt aus der Leitung ohne die Phasenverriegelungsschleifenschaltung 206 mißt. Öffnungs- und Schließbefehle werden zu dem Mikroprozessor 202 über Eingänge 210 und 212 jeweils eingegeben. Die Öffnungs- und Schließbefehle können manuell erzeugt werden, können zu vorab eingestellten Zeiten durch einen Takt initiiert werden, können durch eine externe Steuerung initiiert werden, oder können durch die Erfassung eines Fehlers getriggert werden, und zwar in Abhängigkeit der bestimmten Anwendung des Unterbrechers 4.
Ein Reset-Signal 214 kann zu dem Mikroprozessor 202 eingegeben werden, um manuell den Mikroprozessor 202 zurückzusetzen, wenn dies notwendig ist. Zum Beispiel kann, wenn der Unterbrecher 4 manuell manipuliert wird, der Mikroprozessor 202 nicht auf den momentanen Status des Unterbrechers 4 gesetzt werden. In einer solchen Situation sollte der Mikroprozessor 202 zurückgesetzt werden.
Status-Indikatoren können vorgesehen werden, um verschiedene Zustände der Schaltung 200 oder des Unterbrechers 4 anzuzeigen. Solche Indikatoren können ein Wartungslicht 216, um anzuzeigen, wann eine Wartung erforderlich ist, ein Energieeinschaltlicht 218, einen Indikator 220 für einen offenen Schalter, einen Indikator 222 für einen geschlossenen Schalter und einen Zähler 224, der dazu verwendet werden kann, Zyklen oder Operationen des Systems zu zählen, umfassen.
Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann zwei Steuersysteme umfassen. Ein erstes Steuersystem ist herkömmlich und demzufolge hier nicht im Detail offenbart, und bestimmt, wann die Leitung, gesteuert durch den Unterbrecher 4, geöffnet oder geschlossen werden soll. Das erste Steuersystem kann einen Fehlerdetektor oder einen Zeitgeber zum Unterbrechen der Leitung beim Erfassen eines Fehlers oder bei einer vorbestimmten Zeit umfassen.
Alternativ kann ein Öffnungs- oder Schließbefehl direkt zu dem System eingegeben werden. Die Öffnungs- und Schließbefehle, ob sie nun von dem ersten Steuersystem ausgehen oder einen manuellen Ursprung haben, werden zu dem Mikroprozessor 202 an Eingängen 210 und 212 jeweils eingegeben.
Das zweite Steuersystem 200, dargestellt in Fig. 7, analysiert die Spannungswellenform der Leitung und bestimmt die beste Zeitabstimmung zum Initiieren eines Öffnens und Schließens des Unterbrechers 4, um Einschwingvorgänge und eine Lichtbogenbildung zu minimieren.
Jeder Unterbrecher 4 besitzt eine dielektrische Festigkeit, die die Wahrscheinlichkeit eines Lichtbogenüberspringens von einem Kontakt zu dem anderen definiert. Die dielektrische Festigkeit hängt von einer Anzahl von Faktoren ab, einschließlich des Mediums innerhalb des Unterbrechers 4 und des Abstands zwischen den Kontakten 71, 72. Fig. 6 stellt die Änderung oder den Abfall der dielektrischen Festigkeit zwischen den Kontakten 71, 72 gegenüber der Zeit als den Abstand zwischen den Kontaktschließungen dar. Siehe Linie C in Fig. 6. Idealerweise würde die dielektrische Festigkeit zwischen den Kontakten infinit sein bis zu dem exakten Augenblick eines Schließens der Kontakte 71, 72. Siehe Linie B in Fig. 6. In der Realität verläuft das Dielektrikum schräg nach unten, sich schnell verringernd, wenn sich die Kontakte aneinander annähern. Siehe Linie C in Fig. 6. Wenn die Schräge bzw. Steigung des dielektrischen Abfalls ausreichend hoch ist und die dielektrische Festigkeit größer als die Spannung der Wellenform verbleibt, wird die Erzeugung einer Lichtbogenbildung und von Überschwingungsvorgängen eliminiert oder wesentlich reduziert.
Ein anderer Faktor, der während des Betriebs eines Unterbrechers berücksichtigt werden muß, ist die relative Geschwindigkeit zwischen den Kontakten beim Öffnen und Schließen. Wenn sich die Kontakte langsam bewegen, wird die Schräge des dielektrischen Abfalls niedrig sein, und eine Lichtbogenbildung wird wahrscheinlich auftreten. Umgekehrt werden, wenn sich die Kontakte zu schnell bewegen, insbesondere beim Schließen, die Kontakte voneinander wegspringen, was eine unnötige Lichtbogenbildung und Einschwingvorgänge hervorruft. Dementsprechend kann ein einzigartiges, ideales Bewegungsprofil für jede Anwendung eines Unterbrechers existieren. Fig. 8 stellt ein Beispiel eines Bewegungsprofils dar, bei dem die Abszisse die Lage des Bewegungskontakts 71 darstellt und die Ordinate die Geschwindigkeit darstellt, unter der sich der Kontakt 71 bewegt. Der Punkt 0 auf der Abszisse stellt die Start- oder die maximale, offene Position des Kontakts 71 dar, und der Punkt x stellt die geschlossene Position dar, wobei der Kontakt 71 den stationären Kontakt 72 berührt. An dem Punkt 0 ist, wenn der Schließbefehl initiiert wird, die Geschwindigkeit Null. Die Geschwindigkeit wird so schnell wie möglich bis zu einer maximalen Geschwindigkeit Vmax erhöht. Die Geschwindigkeit verbleibt bei Vmax so lange wie möglich, allerdings wird sie dann verringert, wenn sich der Punkt eines Kontakts x annähert, um ein Zurückfedern bzw. Wegspringen zu minimieren.
Während einer Öffnungssequenz ist das Bewegungsprofil auch wichtig, um das Auftreten von Wiederzündungen oder erneuten Zündvorgängen kurz nach einem Öffnen zu verhindern. Wenn sich die Kontakte unter einer zu langsamen Geschwindigkeit trennen, oder zu dem Zeitpunkt, zu dem das Spannungsniveau zu hoch ist, kann eine übermäßige Lichtbogenbildung auftreten. Erwünschte Bewegungsprofile für Öffnungs- und Schließsequenzen können durch Fachleute auf dem betreffenden Fachgebiet bestimmt werden und in die Schaltung 200 vorprogrammiert werden.
Es wird sich nun der Fig. 12 zugewandt, anhand der die Zeitabstimmung des Öffnungsvorgangs in der Anwendung einer Kondensatorumschaltung besser verstanden werden kann. Fig. 12 bezieht sich auf die Öffnungssequenz eines Systems, das eine Kondensatorbank umfaßt. Die Leitung 4 zeigt das Spannungsniveau der vollständig aufgeladenen Kondensatoren. Der Schalter beginnt sich an dem Punkt 2 zu öffnen und ein Lichtbogen bildet sich. Allerdings fällt an diesem Punkt der Strom ab und der Lichtbogen wird bei einem Strom Null, Punkt 3, ausgelöst. Die Systemspannung befindet sich nun an deren Peak, allerdings ist die Spannung über die Kontakte klein, und zwar aufgrund der Ladung an der Kondensatorbank, die sich der Peaksystemspannung annähert. Wenn die Systemspannung damit beginnt, abzufallen, verbleibt die Spannung an der Kondensatorbank hoch, was zu einer Erhöhung in der Spannung über die Kontakte führt. Die Kontakte sollten ein Teil mit einer genügenden Beschleunigung sein, so dass das Dielektrikum schneller ansteigt als das Ansteigen der Spannung zwischen den Kontakten, um Rückzündungen oder Wiederzündungen zu vermeiden.
Die Bewegungssteuerfunktion kann mittels einer Software, eingeladen in den Mikroprozessor/die Mikrosteuereinheit, oder durch die Hinzufügung von entsprechenden Bewegungssteuerchips, die sich schnittstellenmäßig mit dem Mikroprozessor verbinden, erreicht werden. Ein bestimmtes Bewegungsprofil ist in einen Speicher hinein programmiert, der ein separater EEPROM Chip in einer externen Bewegungssteuerschaltung 226, oder ein eingebauter Speicher an dem Mikroprozessor oder der Mikrosteuereinheit sein kann. Die Bewegungssteuerschaltung 226 ist mit einer Rückführungsvorrichtung (Codierer) 14 und mit einer Impulsbreitenmodulations-(PWM)-Schaltung 228 verbunden. Die PWM 228 steuert den Strom, der an die Schwingspulen-Betätigungseinrichtung 8 angelegt ist. Da die Kraft, die das Schwingspulen-Betätigungselement 8 antreibt, proportional zu dem Strom, zugeführt zu dem Schwingspulen-Betätigungselement 8, ist, wird die Geschwindigkeit des Betätigungselements 6 (und des Bewegungskontakts 71) durch die PWM 228 gesteuert. Als Folge wird das Schwingspulen-Betätigungselement 8 durch ein Rückführsystem in Form einer geschlossenen Schleife gesteuert, das den Positionscodierer 14 umfaßt, der ein Positionssignal des Betätigungselements 8 zu der Bewegungssteuerschaltung 226 schickt. Die Bewegungssteuerschaltung 226 vergleicht die tatsächliche Position des Betätigungselements 8 mit dem idealen Bewegungsprofil, vorprogrammiert in die Bewegungssteuerschaltung 226 hinein. Basierend auf dem Vergleich der tatsächlichen Position mit dem idealen Bewegungsprofil wird das Schwingspulen-Betätigungselement 8 durch die PWM so gesteuert, dass dessen Bewegung nahe die ideale, vorgesehene Bewegung annähert.
Eine Steuerung des Betätigungselements wird weiterhin durch die Schaltungen 204, 206, 208 modifiziert, die die tatsächliche Spannungswellenform der Leitung, die unterbrochen werden soll, überwachen. Zum Beispiel kann, für eine bestimmte Anwendung, bestimmt werden, dass sich die Kontakte 71, 72 innerhalb 1 ms des Nulldurchgangs A (Fig. 6) des Spannungssignals v(t) öffnen oder schließen sollten. Das ideale Bewegungsprofil, vorprogrammiert in die Bewegungssteuerschaltung 226 hinein, umfaßt die gesamte Reaktions- und Laufzeit des Betätigungselements 8 von der Zeit an, von der ein Einleitungssignal abgeschickt wird, bis zu der Zeit, zu der sich die Kontakte 71, 72 schließen. Wenn das ideale Bewegungsprofil anzeigt, dass die Reaktions- und Laufzeit für die Kontakte, um sich nach dem Initiierungssignal zu schließen, 7 ms beträgt, analysiert der Mikroprozessor die tatsächliche Spannungswellenform der Leitung, die unterbrochen werden soll, und bestimmt eine spezifische Zeit zwischen Nullpunkten, an denen das Initiierungssignal abgeschickt werden sollte. Die Schaltungen 204, 206, 208 richten zuerst die tatsächliche Zyklusperiode und die sich ergebende Länge der Zeit zwischen Nulldurchgängen ein. Die Steuerschaltung 200 initiiert dann die Operation des Schwingspulen-Betätigungselements 8 zu einer Zeit nach einem Nulldurchgang, was gleich zu der tatsächlichen Zeit zwischen Nulldurchgängen minus der Reaktions- und Laufzeit des Betätigungselements 8 ist. Dementsprechend wird, falls die tatsächliche Spannungswellenform anzeigt, dass dort 8,3 ms zwischen Nulldurchgängen vorhanden ist und die Reaktions- und Laufzeit 7 ms ist, die Öffnungssequenz bei 1,3 ms nach einem Nulldurchgang initiiert. In einer alternativen Ausführungsform kann das System annehmen, dass die tatsächliche Zeit zwischen Nulldurchgängen 8,33 ms ist, und die Initiierung wird basierend auf dieser Annahme berechnet. In einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann eine Mehrzahl von Bewegungsprofilen in die Schaltung 200 hinein vorprogrammiert sein und das geeignete Bewegungsprofil kann durch Eingabe von einem Bediener ausgewählt werden.
Wenn einmal die Sequenz initiiert ist, wird die tatsächliche Bewegung des Betätigungselements 8 durch den Codierer 14 überwacht und gegenüber dem idealen Bewegungsprofil verglichen. Der Strom, angelegt an das Betätigungselement 8, wird durch die PWM 228, basierend auf dem Vergleich der tatsächlichen Bewegung des Betätigungselements 8 mit dem idealen Bewegungsprofil, eingestellt.
Fig. 9 stellt eine andere Ausführungsform eines Schwingspulen-Betätigungselements 308 dar, das in Verbindung mit irgendeiner der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann. Das Schwingspulen-Betätigungselement 308 umfaßt einen ringförmigen Magneten 310, der vorzugsweise ein 4 MGO Keramikmagnet ist. Der Magnet 310 ist in einem Bodenpolteil 312 und einem Oberseitenpolteil 314 eingehüllt. Diese Polteile sind aus ferromagnetischen Materialien, wie beispielsweise Eisen oder Stahl, gebildet. Die Polteile 312, 314 umfassen eine zentrale Öffnung 310, durch die sich eine Betätigungsstange 318 erstreckt. Die Betätigungsstange 318 ist in den Polteilen 312, 314 mit selbst-schmierenden Polymerlagern 320, wie beispielsweise IGUSTM Lagern 320, gehalten.
Eine Aluminiumplatte 328 ist an der Stange 318 fixiert. An einer peripheren Kante der Platte 328 erstreckt sich eine Spule 330 von der Platte 328 in eine Luftvertiefung 332, gebildet zwischen dem Bodenpolteil 312 und dem Magneten 316. Die Spule 330 kann aus einem abgeflachten Draht gebildet werden, um so die Anzahl von Windungen zu maximieren, die innerhalb der Luftvertiefung 332 hineinpassen werden.
Das Betätigungselement 308 kann durch eine Batterie mit 24 Voltangetrieben werden oder durch irgendeine andere, geeignete Energiequelle, umfassend einen sich selbst einstellenden AC-DC-Wandler.
Um die Vorrichtung in einer bestimmten Position zu verriegeln, kann die Betätigungsstange 318 eine Nut 320 umfassen, innerhalb der eine Kugel 322 angeordnet ist. Siehe Fig. 10. Eine Feder 324 und eine Kappe 326 drücken die Kugel 322 in die Nut 320 hinein, um die Stange 318 in einer fixierten Position zurückzuhalten. Die Stange 318 kann von der Kugel 322 unter Beaufschlagung einer Kraft gelöst werden, wobei das Niveau davon von der Stärke der Feder 324 abhängt.
Um eine gute Verbindung zwischen den Kontakten 71, 72 sicherzustellen, kann die Kraft einer Feder 340, oder eine andere Kraft, auf die Stange 6 (oder 318) aufgebracht werden, um den Kontakt 71 gegen den Kontakt 72 mit einer vorbestimmten Kraft, wie beispielsweise 60-100 Pound, zu drücken. Die Feder kann durch die Wirkung des Betätigungselements komprimiert werden. Wie nun Fig. 11 zeigt, kann die Betätigungsstange 6, 318 einen Flansch 342 umfassen, der eine Oberfläche bildet, gegen die die Feder 340 drückt. Eine andere Anschlagfläche 344 kann vorgesehen sein, um das gegenüberliegende Ende der Feder 340 zu halten.
Die Feder 340 liefert den zusätzlichen Vorteil eines Beibehaltens einer adäquaten Kraft zwischen den zwei Kontakten 71, 72. Zum Beispiel kann, nach wiederholten Betätigungen, eine Lichtbogenbildung verursacht werden, so dass sich die Kontakte abnutzen. Aufgrund der Federkraft werden die zwei Kontakte gegeneinander gedrückt, gerade dann, wenn sie sich weiter abnutzen. Zusätzlich bewirkt die Beaufschlagung der Kraft eine Verringerung des elektrischen Widerstands zwischen den Kontakten in der geschlossenen Position, um dadurch Wärmeverluste zu reduzieren.
Falls sich die Kontakte abnutzen, wird sich die Betätigungsstange 6, 318 um einen größeren Abstand bewegen, um die Abnutzung auszugleichen. Da der Positionssensor 14 den Abstand, um den sich die Betätigungsstange 6, 318 bewegt, fühlt, kann das System so programmiert sein, um das Wartungssignal 216 zu beleuchten, oder irgendeinen anderen Indikator, um anzuzeigen, dass eine übermäßige Abnutzung an den Kontakten 71, 72 aufgetreten ist. Das System kann auch sein Bewegungsprofil so modifizieren, um zunehmende Erhöhungen in dem Hub zu ermöglichen.
Obwohl nur bevorzugte Ausführungsformen spezifisch hier dargestellt und beschrieben sind, wird ersichtlich werden, dass viele Modifikationen und Variationen der vorliegenden Erfindung im Hinblick auf die vorstehenden Lehren und innerhalb der beigefügten Ansprüche, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen, möglich sind.

Claims

1. Stromunterbrecher (4), der umfasst:

eine Stromunterbrechungsvorrichtung mit wenigstens einem beweglichen Kontakt (6) und ein Betätigungselement (8), das mit dem beweglichen Kontakt des Stromunterbrechers verbunden ist; gekennzeichnet durch:

einen Rückkopplungssensor (14), der eine Position des Betätigungselementes während eines Betätigungszyklus überwacht;

einen Sensor, der eine Wellenform einer Spannung in einer zu schaltenden Leitung erfasst und Informationen hinsichtlich der Spannungswellenform liefert; und

ein Steuerungssystem (12), das mit dem Rückkopplungssensor verbunden ist und Informationen von dem Rückkopplungssensor bezüglich der Position des Betätigungselementes während des Betätigungszyklus empfängt und mit dem Sensor verbunden ist und Informationen von dem Sensor bezüglich der Spannungswellenform empfängt, wobei das Steuerungssystem Bewegung des Betätigungselementes während des Betätigungszyklus auf der Grundlage der Informationen von dem Rückkopplungssensor und der Informationen von dem Sensor steuert und Strom in der zu schaltenden Leitung an einer gewünschten Position an der Spannungswellenform sperrt oder freigibt.

2. Stromunterbrecher (4) nach Anspruch 1, der des Weiteren umfasst:

eine Einrichtung (200), die ein gewünschtes Bewegungsprofil des Betätigungselementes (8) speichert; und

eine Einrichtung (200), die die Bewegung des Betätigungselementes mit dem gewünschten Bewegungsprofil vergleicht und Bewegung des Betätigungselementes auch auf der Grundlage eines Vergleichs der Bewegung des Betätigungselementes mit dem gewünschten Bewegungsprofil steuert.

3. Stromunterbrecher (4) nach Anspruch 1, wobei das Betätigungselement ein Schwingspulen-Betätigungselement (8) ist.

4. Stromunterbrecher (4) nach Anspruch 1, wobei der Rückkopplungssensor (14) ein lineares Potentiometer ist.

5. Stromunterbrecher (4) nach Anspruch 1, wobei die Stromunterbrechungsvorrichtung ein Vakuum-Unterbrecher ist.

6. Stromunterbrecher (4) nach Anspruch 1, der des Weiteren eine Feder umfasst, die die Stromunterbrechungsvorrichtung in eine geschlossene Position spannt.

7. Stromunterbrecher (4) nach Anspruch 1, der des Weiteren eine Arretierung (16) umfasst, die die Bewegung des Betätigungselementes einschränkt.

8. Stromunterbrecher (4) nach Anspruch 1, wobei das Betätigungselement (8) ein Schwingspulen-Betätigungselement (8) ist; der Rückkopplungssensor (14) ein lineares Potentiometer (14) ist, die Stromunterbrechungsvorrichtung ein Vakuum- Unterbrecher ist; und

des Weiteren eine Feder (340), die die Stromunterbrechungsvorrichtung in eine geschlossene Position spannt, und eine Arretierung (16) umfasst, die die Bewegung des Betätigungselementes einschränkt.

9. Stromunterbrecher (4) nach Anspruch 1, der des Weiteren umfasst:

einen Sensor, der eine Wellenform eines Stroms in einer zu schaltenden Leitung erfasst und Informationen bezüglich der Stromwellenform zu dem Steuerungssystem liefert,

wobei das Steuerungssystem die Bewegung des Betätigungselementes des Weiteren auf der Grundlage der Informationen bezüglich der Stromwellenform steuert.

10. Verfahren zum Steuern eines Stromunterbrechers (4) mit einem Betätigungselement (8), das die folgenden Schritte umfasst:

Überwachen einer Position des Betätigungselementes mit einem Rückkopplungssensor (14) während eines Betätigungsvorgangs;

Liefern eines Ergebnisses der Positionsüberwachung während des Betätigungsvorgangs zu einem Steuerungssystem (12) zum Steuern der Bewegung des Betätigungselementes;

Erfassen einer Spannungswellenform in einer zu unterbrechenden Leitung während des Betätigungsvorganges; und

Liefern eines Ergebnisses der Erfassung der Spannungswellenform zu dem Steuerungssystem während des Betätigungsvorgangs; und

Steuern der Bewegung des Betätigungselementes während des Betätigungsvorgangs mit dem Steuerungssystem auf der Grundlage des Ergebnisses der Positionsüberwachung und des Ergebnisses der Erfassung der Spannungswellenform, die zu dem Steuerungssystem geliefert werden, um Strom in der zu schaltenden Leitung an einer gewünschten Position an der Spannungswellenform zu sperren oder zu freizugeben.

11. Verfahren nach Anspruch 10, das des Weiteren die folgenden Schritte umfasst:

Speichern eines gewünschten Bewegungsprofils der Bewegung des Betätigungselementes;

Vergleichen des Überwachungsergebnisses mit dem gewünschten Bewegungsprofil, und weiterhin Steuern der Bewegung des Betätigungselementes auch auf der Grundlage des Vergleichsschritts.

12. Verfahren nach Anspruch 10, das des Weiteren die folgenden Schritte umfasst:

Erfassen einer Stromwellenform in einer zu unterbrechenden Leitung;

Leiten eines Ergebnisses der Erfassung der Stromwellenform zu dem Steuerungssystem (12) und weiterhin Steuern der Bewegung des Betätigungselementes (8) mit dem Steuerungssystem auch auf der Grundlage des Ergebnisses der Erfassung der Stromwellenform, das zu dem Steuerungssystem geliefert wird.