DE69013300T2

DE69013300T2 - Überspannungsbegrenzender Schalter.

Info

Publication number: DE69013300T2
Application number: DE69013300T
Authority: DE
Inventors: Joseph Martin; F- Meyzieu Van Pham; Gerhard Seyrling; Jocelyn Tremblay; Jean-Marc Willieme
Original assignee: GEC Alsthom SA
Current assignee: Alstom Holdings SA
Priority date: 1989-11-03
Filing date: 1990-10-29
Publication date: 1995-02-16
Anticipated expiration: 2010-10-30
Also published as: EP0431306A1; EP0431306B1; CA2028592C; BR9005573A; CN1051454A; ATE112888T1; CN1022594C; JPH03179626A; DE69013300D1; US5262605A; CA2028592A1; FR2654251A1; ES2063226T3

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Überspannungsbegrenzerschalter.
Es ist bekannt, parallel zur Abschaltkammer eines Trennschalters einen spannungsabhängigen Widerstand, Varistor genannt, zu schalten. Dieser Varistor, allgemein auf der Basis von Zinkoxiden aufgebaut, ermöglicht es, Überschläge an den Kontakten des Trennschalters zu vermeiden und so eine vorzeitige Abnutzung zu verhindern. Wenn der Trennschalter in Reihe mit einer induktiven Schaltung, wie etwa einem leerlaufenden Transformator, einer Reaktanz oder einem Motor geschaltet ist, schützt der Varistor eine solche Schaltung gegen Überspannungen, die beim Öffnungsmanöver des Trennschalters auftreten können.
Ein solche Varistorverwendung ist beispielsweise in der Collection Technique de l'Ingenieur, Band E 2110, Varistance, Seite 13, sowie im amerikanischen Patent Nr. 4 831 487 beschrieben.
Wenn der Trennschalter zum Schutze einer Leitung verwendet wird, ist er Überspannungen ausgesetzt, die hoch sein können, insbesondere beim Unterbrechen leerlaufender Leitungen oder bei Gegenphasigkeit. Um ein nahezu dauerndes Funktionieren des Varistors zu verhindern, ist es erforderlich, in Reihe mit ihm einen Unterbrecher vorzusehen, der den Kreis abtrennt, wenn sich der Trennschalter in der "offenen" Stellung befindet. Diese Maßnahme ergibt für die Geräte des herkömmlichen Typs eine zusätzliche, platzraubende und wenig wirtschaftliche Einrichtung.
Ein Ziel der Erfindung besteht darin, auf wirtschaftliche Weise einen Trennschalter mit Spannungsbegrenzung durch einen Varistor zu schaffen, bei dem das Einfügen des Varistors automatisch beim Öffnen des Trennschalters erfolgt, und bei dem seine Entfernung ebenfalls automatisch erfolgt.
Gewöhnlich wird ein einer Abschaltkammer eines Trennschalters zugeordneter Varistor in einer isolierenden Porzellansäule untergebracht, die an der freien Luft parallel zur Abschaltkammer angeordnet ist. Diese Säule ist der Verschmutzung ausgesetzt. Das Auftreten von Verschmutzungen auf einer oder mehreren Stellen des Porzellans führt zu einer Veränderung der Potentialverteilung, die Spannungs- und Erwärmungszonen schaffen kann, mit der Möglichkeit der thermischen Überhitzung und der Zerstörung des Varistors.
Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht in der Schaffung eines die Spannung durch einen Varistor begrenzenden Trennschalters, bei dem der Varistor keinerlei Verschmutzung ausgesetzt ist.
Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht in der Schaffung eines Trennschalters mit Spannungsbegrenzung durch einen Varistor, bei dem die Größe des Varistors im Vergleich zur Größe der Varistoren des Standes der Technik verkleinert ist.
Alle genannten Ziele werden durch einen Trennschalter erreicht, der für jede Phase mindestens eine Unterbrecherkammer aufweist, die aus einer mit einem Gas erhöhter dielektrischer Durchschlagsfestigkeit gefüllten dichten isolierenden Hülle besteht und Hauptkontakte sowie Lichtbogenkontakte aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülle einen Varistor und Mittel umschließt, um:
- während des Öffnens des Trennschalters und beim Trennen der Hauptkontakte den Varistor parallel an die Kontakte anzuschließen und vor dem Hubende des beweglichen Lichtbogenkontakts den Varistor abzutrennen, und
- während des Schließens des Trennschalters, ehe die Lichtbogenkontakte in Berührung kommen, den Varistor parallel an die Kontakte des Trennschalters anzuschließen und den Varistor kurzzuschließen, sobald die Lichtbogenkontakte in Berührung kommen.
Anhand der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform einer Erfindung, die beispielshalber und ohne Begrenzungsabsicht abgefaßt ist, sowie unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnung wird die Erfindung erläutert.
Figur 1 zeigt eine Übersicht über einen Trennschalter gemäß der Erfindung im Axialschnitt, dargestellt in der eingeschalteten Position;
Figur 2 zeigt den gleichen Trennschalter im Axialschnitt in der ausgeschalteten Position;
Figur 3 ist eine Schnittansicht des Endes eines Armes zum Einfügen des Varistors;
Figur 4 ist eine Schnittansicht des Endes eines Armes zum Einfügen des Varistors gemäß einer Variante;
und Figur 5 ist eine schematische Ansicht einer Einrasstvorrichtung des Einfügungsarmes gemäß einer Variante.
Der Trennschalter der Figur 1 enthält eine isolierende Hülle 1, vorzugsweise aus Porzellan, die ein inneres Volumen 2 begrenzt, daß mit einem Gas erhöhter dielektrischer Durchschlagsfestigkeit wie etwa Schwefelhexafluorid unter einem Druck von einigen Bar gefüllt ist.
Der Trennschalter enthält einen feststehenden Hauptkontakt, der aus einem Rohr 3 gebildet ist und mechanisch und elektrisch durch Arme 4 mit einem Stromanschluß 5 des Schalters verbunden ist. Der Kontakt 3 ist fest mit einem feststehenden Lichtbogenkontakt 6 verbunden, der ebenfalls aus einem rohrförmigen Teil besteht. Der Kontakt 6 ist elektrisch mit dem Kontakt 3 verbunden.
Die bewegliche Garnitur des Trennschalters enthält einen beweglichen Hauptkontakt, der aus Kontaktfingern 9 besteht, die durch eine Lichtbogenschutzhaube 10 geschützt ist und mit dem Rohr 3 zusammenwirkt. Sie enthält weiter einen aus Fingern 11 gebildeten Lichtbogenkontakt, der mit einer Blasdüse 12 zusammenwirkt. Die Blaseinrichtungen, die nicht Bestandteil der vorliegenden Erfindung sind, wurden nicht dargestellt. Sie sind in einer dem Fachmann bekannten Weise ausgeführt. Die bewegliche Garnitur ist mit einem nicht dargestellten Betätigungsgestänge verbunden. Die beweglichen elektrischen Kontakte sind an einen nicht dargestellten zweiten Stromkontakt angeschlossen.
Gemäß einem der Merkmale der vorliegenden Erfindung ist ein Varistor 20 im Inneren der Unterbrecherkammer angeordnet. Dieser Varistor besteht vorzugsweise aus einem Stapel von Metalloxidpellets auf Zinkoxidbasis (ZnO). Der Stapel wird am oberen Abschnitt der Kammer von einer Feder 21 komprimiert, die sich gegen eine Metallkappe 22 abstützt, welche die Kammer elektrisch mit dem Stromanschluß 5 verbindet. Ein Metallgeflecht 19 sorgt für die elektrische Verbindung zwischen dem Varistor 20 und der Kappe 22.
Die Pellets werden in einem Isolierrohr 23 gehalten und geführt, das in seinem unteren Abschnitt durch ein metallisches Endteil 24 geschlossen ist.
Nachfolgend wird der Einfügungs- und Abtrennmechanismus beschrieben. Er enthält eine axiale Führungsstange 25, die am Teil 24 befestigt ist und mit einem Anschlag 26 endet, der mit einem Dämpfungsglied 27 versehen ist, beispielsweise einer Elastomerscheibe. Die Stange dient zum Führen einer halbbeweglichen Garnitur, die ein mit mehreren Armen 31 (vorzugsweise zwei Armen) versehenes Gleitstück 30 umfaßt, das als Träger für einen Kontaktring 32, vorzugsweise aus Kupfer, dient. Kleine Magnete 23 sind in den Ring 32 eingesetzt. Das Gleitstück 30 wird durch eine Feder 35 in der Figur nach unten gegen das Endstück 24 gedrückt. Eine Metallstange 37 verbindet das Endstück 24 mit dem Anschlag 26. Das Gleitstück 30 durchquert diese Stange und trägt Gleitkontakte 38, die die elektrische Verbindung zwischen dem Varistor 20 und dem Arm 31 herstellen.
Der Trennschalter wird durch einen Ring 42 vervollständigt, der mit kleine Magneten 43 versehen ist und von einem Metallarm 44 getragen wird, welcher in elektrischer Verbindung mit den beweglichen Kontakten steht.
Konstruktionsmäßig haben die Arme 31 und 44 eine solche Länge, daß, wenn sich der Trennschalter im ausgeschalteten Zustand befindet (Figur 2), der Abstand B zwischen den Ringen 32 und 42 kleiner als der Abstand C zwischen den Lichtbogenkontakten 6 und 11 ist.
Die Betriebsweise des Trennschalters ist folgende:

1. Schließen des Trennschalters

Es wird auf Figur 2 Bezug genommen.
Beim Schließen wird die bewegliche Garnitur in der Figur nach oben geschoben.
Es entsteht nacheinander Kontakt zwischen den Ringen 32 und 42, dann zwischen den Lichtbogenkontakten 6 und 11 und schließlich zwischen den Hauptkontakten 3 und 9. Während des Schließhubes wird die Feder 35 zunehmend zusammengedrückt. Beim Kontakt zwischen den Ringen 32 und 42 wird der Varistor in den elektrischen Kreis eingefügt und der Strom fließt durch den Ring 42, den Ring 32, die Arme 31, den Gleitkontakt 38, die Stange 37, das Endstück 24, den Varistor 20, das Geflecht 19, die Haube 22 und den Anschluß 5.
Bei der Berührung zwischen den Lichtbogenkontakten 6 und 11 wird der Varistor kurzgeschlossen.

2. Öffnen des Trennschalters

Beim Öffnen des Trennschalters wird die bewegliche Garnitur in der Figur nach unten gezogen.
Die Entspannung der Feder 38 und die Zugkraft der Magnete 33 und 43 ermöglichen es den Armen 31, der Bewegung des beweglichen Kontaktes zu folgen.
Aufgrund der Anziehung der Magneten wird die in Figur 1 dargestellte Ruhestellung überschritten, derart, daß das Gleitstück 30 das Dämpfungsglied 27 des Anschlages 26 erreicht und dabei die Feder 35 spannt. Der Trennschalter ist so eingestellt, daß der Kontakt zwischen dem Gleitstück 30 und dem Dämpfungsglied 27 ungefähr 2 Millisekunden vor dem Ende des Öffnungshubes stattfindet. Indem die bewegliche Garnitur ihre Hubbewegung fortsetzt, trennen sich die Ringe 32 und 42, und das Gleitstück 30 kehrt in seine Ruhestellung zurück (die in Figur 2 dargestellt ist und durch die Wirkung der Feder 35 erreicht wird).
Beim Unterbrechen der Ströme, wenn der Lichtbogen an den Lichtbogenkontakten erlischt, wird die wiedergekehrte Spannung an den Varistor 20 gelegt. Falls diese Spannung die Nennbetriebsspannung des Varistors 20 überschreitet, fließt ein Strom zwischen den Ringen 32 und 42. Wenn dagegen die Spannung kleiner als die Nennspannung des Varistors 20 wird, leitet der Varistor nicht mehr und wird wieder ein isolierendes Betriebsteil.
Wenn das Gleitstück 30 in seiner Ruhestellung ankommt (Figur 2), reicht der Abstand zwischen den Ringen 32 und 42 aus, um die angelegte Spannung auszuhalten, ohne den Varistor zum Einsatz zu bringen.
Wie Figur 3 zeigt, sind die Magnete in den Ringen 32 und 42 so angeordnet, daß bei der Berührung der Magnete ein kleiner Zwischenraum 49 zwischen den Magneten 33 und 43 bestehen bleibt, derart, daß sich der Lichtbogen bevorzugt an den Kupferabschnitten der Ringe aufbaut.
Um die elektrische Durchschlagsfestigkeit des Trennabstandes B zu vergrößern, kann man im Raum zwischen den Ringen einen Überdruck erzeugen. Hierzu ist der Ring 42, wie es Figur 4 zeigt, fest mit einem ringförmigen Zylinder 50 verbunden, der sich also mit der beweglichen Garnitur verschiebt. Ein Kolben 51, der mit den feststehenden Teilen des Trennschalters verbunden ist, ermöglicht es, durch Löcher im Ring 42 und im Magnet 43 Strahlen von Druckgas einzublasen.
Figur 5 zeigt eine andere Einrastvorrichtung in der eingeschalteten Stellung der Kontakte.
Am Arm 44 ist eine Lichtbogenschutzhaube 73 befestigt, die ein Gelenk 72 trägt, an dem ein Einrastfinger 70 schwenkbar gelagert ist, der in einem Ansatz 76 endet. Eine Feder 71 preßt den Ansatz gegen den Ring 32 und bewirkt so eine Verhakung. Ein Bügel 74 dient dem Ansatz 76 als Anschlag.
Vor dem Ende des Öffnungshubes stützt sich eine isolierende Stange 75 auf den Finger 70 ab, um den Ansatz 76 vom Ring 32 abzuheben und so die Arme 31 zu befreien, die in ihre Ruhestellung zurückkehren.
Es sei bemerkt, daß beim Abschalten passiver Schaltungen, wie etwa einer Kondensatorbatterie, einer Reaktanz, eines leerlaufenden Transformators, bei denen die wiedergekehrte Spannung die Nennspannung (p.u.) nicht überschreitet, der Unterbrechungs- und Isolierabstand B nicht mehr nötig ist. Man kann dann die Ringe 32 und 42 fest miteinander verbinden, indem man sie durch ein einziges Rohr ersetzt. Die Feder 35 und das Dämpfungsglied 27 sind dann nicht mehr nötig.
Man kann auch das Ende 24 direkt und elektrisch mit dem Stromanschluß auf Seiten des beweglichen Kontaktes durch ein Teil verbinden, das aus zwei Armen 31 gebildet ist, die in einem den Lichtbogenschutz 10 umhüllenden Rohr enden.
Da der Varistor in dem Raum mit unter Druck stehendem dielektrischem Gas und im Inneren einer metallischen Hülle 22 untergebracht ist, können die Abmessungen des Varistors verringert und die Luftverschmutzung vermieden werden.
Die Erfindung besitzt folgende Vorteile:

1. Beim Unterbrechen des Stroms:

Bei der Unterbrechung begrenzt man die an den Klemmen des Trennschalters auftretende Spannung auf einen vorbestimmten Wert, beispielsweise auf 1,6 p.u., d.h., auf 1,6 Un 2/3, wobei Un die Nennspannung des Netzes ist.
In dem Bericht Nr. 146 der Conférence Internationale des Grands Réseaux Electriques (CIGRE), Sitzung von 1958, haben die Autoren vorgeschlagen, die Überspannung auf 1,9 p.u. mit Hilfe von Trennschaltern zu begrenzen, die mit Öffnungswiderständen ausgerüstet sind.
Es ist bekannt, daß beim Abschalten eines Dreiphasenfehlers der erste Pol, der unterbricht, eine vorübergehende Einschwingspannung aufweist, die 1,5 1,5 p.u. erreichen kann. Der Varistor begrenzt dann jegliche Übergangsspannung auf 1,6 p.u..
Bei Gegenphasigkeit, oder bei der Unterbrechung einer leerlaufenden Leitung kann die an den Klemmen des Trennschalters wiederkehrende Spannung 2 p.u. oder mehr erreichen.
Beim Abschalten einer Reaktanz kann die Überspannung 2 p.u. überschreiten.
In allen diesen Fällen verhindert der Varistor, daß an den Klemmen eine Spannung über 1,6 p.u. auftritt und so in vielen Fällen sich ein direkter Lichtbogen an den Lichtbogenkontakten ausbildet, was zu einer Abnutzung und zu Überspannungen mit steiler Flanke im Netz führt.
Ein weiterer Vorteil des Vorhandenseins eines Varistors besteht darin, daß beim Unterbrechen einer Leitung im Zyklus 0 0,3s F O, während der ersten Öffnung die Leitung wegen der Wirkung des Varistors nur auf einem geringeren Wert geladen bleibt, der dem Wert von etwa 0,5 p.u. entspricht, statt 1 p.u..
Die Folge ist, daß beim 0,3s später erfolgenden Schließen die "talseitige" Überspannung kleiner ist. Unter bestimmten Umständen kann man dann den Schließwiderstand fortlassen, der üblicherweise in Netzen sehr hoher Spannung verwendet wird, oder man kann das synchronisierte Schließen vermeiden.
Bei sehr hoher Spannung weisen alle Trennschalter hintereinander geschaltete Mehrfachkammern auf. Man kann im Augenblick des Wiederschließens an die leerlaufenden Leitungen die Überspannung dadurch weiter verringern, indem man die Varistoren in Betrieb setzt.
Hierzu verzögert man um ungefähr 1 bis 2 Millisekunden das Schließen einer Kammer oder zweier Kammern entsprechend der je Phase vorhandenen Kammern, derart, daß der Varistor (oder die Varistoren), der bzw. die sich zuletzt einkoppeln, auf eine erhöhte angelegte Spannung trifft, die ihren Nennbetriebswert überschreitet.
Man schaltet so einen Widerstand in den Kreis, der es ermöglicht, die Überspannung zu verringern.
Die Einfügungszeit des Varistors beim Schließen hängt vom Unterschied des Abstandes zwischen B und C und von der Einschaltgeschwindigkeit des beweglichen Kontaktes ab.

2. In der geöffneten Stellung des Trennschalters:

Da die Durchschlagsfestigkeit des Unterbrechungsabstandes B beim Blitzschlag oder beim Schaltstoß geringer als die der Lichtbogenkontakte im Falle der den Nennwert überschreitenden Überspannung ist, ermöglicht es das Vorhandensein des Varistors, die Überspannung durch Energieabsorption zu begrenzen.

3. Verschmutzung:

Die Schäden aufgrund der Verschmutzung der Porzellankörper mit Varistoren gemäß dem Stand der Technik werden vermieden.

Claims

1. Trennschalter mit Überspannungsbegrenzung, der für jede Phase mindestens eine Unterbrecherkammer aufweist, die aus einer mit einem Gas erhöhter dielektrischer Durchschlagsfestigkeit gefüllten dichten isolierenden Hülle besteht und die feste und bewegliche Hauptkontakte, sowie feste und bewegliche Lichtbogenkontakte und eine Antriebseinrichtung für die beweglichen Kontakte aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülle (1) einen Varistor (20) und Mittel zu dessen Einfügung (32, 42) enthält, um:

- während des Öffnens des Trennschalters beim Trennen der Hauptkontakte (3, 9) den Varistor (20) parallel an die Kontakte anzuschließen und vor dem Hubende des beweglichen Lichtbogenkontaktes (11) den Varistor abzutrennen, und

- während des Schließens des Trennschalters, ehe die Lichtbogenkontakte (6, 11) in Berührung kommen, den Varistor parallel an die Kontakte des Trennschalters anzuschließen und den Varistor kurzzuschließen, sobald die Lichtbogenkontakte in Berührung kommen.

2. Trennschalter nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß der Varistor (20) koaxial zur Hülle angeordnet ist.

3. Trennschalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Varistor (20) zwischen der Haube (22) der Hülle und den festen Kontakten des Trennschalters angeordnet ist.

4. Trennschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Varistor (20) aus einem Stapel von Pellets besteht, die in einem Isolierrohr (23) eingeschlossen sind.

5. Trennschalter nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, daß der Stapel durch eine Feder (21) gegen eine metallische Haube (22) angedrückt wird, die elektrisch mit einem Stromanschluß 5 des Trennschalters verbunden ist.

6. Trennschalter nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das isolierende Rohr an einem Ende durch ein metallisches Endstück verschlossen ist.

7. Trennschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einfügungsmittel einen ersten Kontakt (42), der mechanisch mit den beweglichen Kontakten fest verbunden und elektrisch an letztere angeschlossen ist, und einen zweiten Kontakt (32) aufweist, der relativ zu den festen Kontakten halbbeweglich ist und elektrisch mit den festen Kontakten verbunden ist.

8. Trennschalter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß wenn sich der Trennschalter in der Öffnungsstellung befindet, der zweite Kontakt (32) eine Ruhestellung einnimmt, derart, daß der Abstand (B) zwischen dem ersten (42) und dem zweiten Kontakt (32) kleiner als der Abstand (C) zwischen den Lichtbogenkontakten (6, 11) ist.

9. Trennschalter nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Kontakt (32) von einem Gleitstück (30) getragen wird, daß entlang einer Führungsstange (25) gleitet, die koaxial zur Hülle verläuft und an der das Endstück (24) befestigt ist, wobei eine Feder (35) zwischen das Gleitstück und das Endstück (24) eingefügt ist.

10. Trennschalter nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungsstange (25) in einem Anschlag (26) endet, der mit einem Dämpfungsglied (27) versehen ist.

11. Trennschalter nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Gleitstück (30) Gleitkontakte (38) trägt, die mit einer Stange (37) zusammenwirken, die sich zwischen dem Anschlag (26) und dem Endstück (24) erstreckt und das Gleitstück durchquert.

12. Trennschalter nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontakte (32, 42) Ringe sind, die Magneten (33, 43) tragen.

13. Trennschalter nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Magneten (33, 43) ein Abstand (49) bestehen bleibt, wenn die beiden Kontakte (32, 42) einander berühren.

14. Trennschalter nach einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß er Mittel zum Einspeisen von Druckgas in die die Kontakte (32, 42) bei einem Öffnungsmanöver des Trennschalters trennende Zone aufweist.

15. Trennschalter nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspeisemittel einen Zylinder (50) aufweisen, der fest mit dem an die beweglichen Kontakte angeschlossenen Kontakt (42) verbunden ist und mit einem feststehenden Kolben (51) zusammenwirkt.

16. Trennschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß bei mindestens einer Phasenkammer der Schließzeitpunkt relativ zum Schließzeitpunkt der anderen Kammern verzögert ist.

17. Trennschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einfügungsmittel zwei fest verbundene und feststehende Teile enthalten, die direkt und elektrisch das Ende (24) des Varistors mit dem unteren Stromanschluß auf Seiten des beweglichen Kontakts verbinden.

18. Trennschalter nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der bewegliche Kontakt (42) mindestens einen Finger (70) aufweist, der schwenkbar von einer Feder (71) angedrückt wird und in einem Haken (76) endet, der mit dem halbbeweglichen Ring (32) zusammenwirkt, wobei eine feststehende Stange (75) mit dem Finger zusammenwirkt, um das Lösen des Hakens vom halbbeweglichen Ring (32) zu ermöglichen.