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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen
Leistungsschalter mit einem Mantel aus Verbundmaterial und
einer überwachungsvorrichtung. Insbesondere betrifft die
Erfindung einen Schalter mit einer Trennkammer in einem
Mantel aus einem isolierenden Verbundmaterial, bestehend aus
einem Zylinder aus mit einem Epoxyharz imprägnierten
Glasfasern mit einer rippenförmigen Außenbeschichtung aus einem
Polymermaterial, wobei an den Enden des Zylinders
metallische Ringflansche angebracht sind.
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Solche Schalter befinden sich in rascher Entwicklung,
und ganz allgemein werden Verbundisolatoren als
Stützisolatoren und als Mantel für eine Trennkammer zunehmend aufgrund
des geringen Gewichts, der hohen Druckfestigkeit, der
Widerstandsfähigkeit gegenüber Explosionen und des günstigen
Preises angewendet. Diese Isolatoren besitzen im allgemeinen
einen Zylinder aus mit Epoxyharz imprägnierten Glasfasern,
der außen durch eine rippenförmige Beschichtung aus
Polymermaterial geschützt wird, z.B. aus Silikon oder EPDM
(Äthylenpropylendienmonomer).
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In einem Leistungsschalter ist es wichtig, das
Auftreten eines Lichtbogens zu erfassen, seine Brenndauer zu
messen und die Stärke des entsprechenden Stroms
abzuschätzen. Die Kenntnis dieser Parameter ist eine Basis für die
Beurteilung der Abnutzung der Kontakte, erlaubt es, den
richtigen Betrieb des Geräts zu überprüfen und damit die
Wartung zu planen und sich gegen Betriebspannen zu wappnen.
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In dem französischen Patent 2 640 386, das die
Anmelderin am 9. Dezember 1988 eingereicht hat, wird
gezeigt, daß es möglich ist, fluoreszierende Lichtleitfasern
für die Erfassung der sichtbaren oder nicht sichtbaren
Lichterscheinungen in den von einer Metallhülle umgebenen
Geräten zu erfassen.
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In der europäischen Patentanmeldung EP-A-0 482 547
(Stand der Technik gemäß Art. 54(3) EPÜ), die von der
Anmelden eingereicht wurde, werden fluoreszierende Kunststoff-
Lichtleitfasern für die Erfassung der Dauer des Lichtbogens
in einem Leistungsschalter verwendet, der ein dielektrisches
Gas, insbesondere SF&sub6;, benützt. Die Lichtleitfaser ist im
Inneren des Schalters in einer Stützsäule aus
Keramikmaterial montiert, wobei eines der Enden der Faser mit einer
Fotodiode gekoppelt ist. Diese Anordnung hat den Nachteil,
daß die Faser mit dem Trenngas in Kontakt steht und daß ein
dichter Durchlaß für die Faser erforderlich ist.
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Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine neue
Anwendung für diese Fasern bei der Überwachung von
Leistungsschaltern anzugeben, die eine Verbundhülle besitzen.
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Gemäß der Erfindung, die durch die Kombination der im
Anspruch 1 angegebenen Merkmale definiert ist, enthält der
Schalter ein Mittel zur Erfassung des Lichtbogens bestehend
aus einer fluoreszierenden Lichtleitfaser, deren eines Ende
außerhalb und in der Nähe des Zylinders in einem Raum
angeordnet ist, der keine Beschichtung aufweist, während das
andere Ende an eine Fotodiode oder einen Lichtdetektor
gekoppelt ist.
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Mit dieser Anordnung kann der Lichtbogen von
außerhalb der Trennkammer bei der Betätigung des mit
Verbundisolatoren ausgerüsteten Schalters erfaßt werden.
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Die Faser befindet sich an einer Stelle, an der man
den Lichtbogen erfassen kann, und ist vorzugsweise in der
Nähe des unteren Metallrings der Trennkammer montiert.
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Der Zylinder aus Glasfasern mit
Epoxyharzimprägnierung läßt das vom Trenn-Lichtbogen erzeugte Licht durch. Das
Verfahren zur Montage der Lichtleitfaser, das einem Fachmann
als erstes einfällt, besteht darin, die Faser auf diesem
Zylinder beim Anbringen der Rippen aus Polymermaterial auf
den Zylinder aufzulegen. Diese Operation erfordert jedoch
eine Temperatur von über 100ºC, und eine fluoreszierende
Kunststoff-Lichtleitfaser kann dauerhaft nur eine Temperatur
von höchstens etwa 70ºC aushalten. Es ist daher unmöglich,
auf diese direkte Weise vorzugehen.
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Zwei bevorzugte Montagevarianten für die Faser werden
vorgeschlagen.
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Gemäß der ersten Variante wird die Lichtleitfaser
direkt auf den Zylinder nach der Herstellung der
Polymerbeschichtung mit den Rippen in einem freibleibenden Bereich
zwischen den Metallflansch und das untere Ende der
Beschichtung aufgewickelt und in eine lichtdurchlässige
Polymerschicht eingebettet, worauf eine lichtundurchlässige
Schutzschicht auf der lichtdurchlässigen Schicht angebracht wird.
Gemäß der zweiten Variante liegt die Faser in einem Sackloch
eines kleinen transparenten Zylinders, der mit einem
transparenten Kleber auf den Zylinder vor der Herstellung der
Polymerbeschichtung mit Rippen aufgeklebt wird und von
dieser Beschichtung umhüllt wird, wobei eine
lichtundurchlässige Manschette die Dichtheit gewährleistet.
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Nach der Montage der fluoreszierenden Faser sind zwei
bevorzugte Ausführungsformen möglich.
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Gemäß der ersten Ausführungsform sitzt die
Trennkammer auf einem Stützisolator vom Verbundtyp ähnlich dem
der Trennkammer, und die fluoreszierende Faser ist mit einer
normalen Siliziumoxid-Lichtleitfaser gekoppelt, die in die
Polymerbeschichtung entlang des Zylinders des Stützisolators
der Trennkammer eingebettet ist, wobei das untere Ende der
Faser an einen Lichtdetektor gekoppelt ist.
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Gemäß der zweiten Variante wird die Trennkammer von
einem Stützisolator getragen und die fluoreszierende Faser
verläuft durch einen Isolator neben dem Stützisolator, wobei
ihr Ende an den Lichtdetektor am Ausgang dieses Isolators
gekoppelt ist.
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Man möchte gerne auch die Spannung am Schalter
kennen, und es ist bekannt, daß der Strom in den
Hochspannungsleitungen mit Hilfe von Neonleuchten erfaßt werden
kann. Erfindungsgemäß kann die Spannung mit der gleichen
Lichtleitfaser erfaßt werden, die für die Überwachung der
Dauer des Lichtbogens verwendet wird.
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Hierzu sind Mittel zur Erfassung der Spannung
zwischen die Montageanordnung der Faser und den Lichtdetektor
eingefügt. Genauer betrachtet besteht dieses Mittel
vorzugsweise aus einer Metallplatte, die starr an den Stromanschluß
der Trennkammer angeschlossen ist und eine isolierende,
dichte, lichtundurchlässige und mit einem dielektrischen Gas
bei Atmosphärendruck, beispielsweise trockene Luft oder
Stickstoff, gefüllte Glocke trägt. Durch diese Glocke und
durch eine Öffnung in der Platte verläuft die Faser, wobei
ein Metallstift senkrecht auf der Platte in einem gewissen
Abstand von der Faser befestigt ist.
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Gemäß einem besonderen Merkmal wird die Faser von
einem Rohr aus transparentem Glas im Inneren der Glocke
geschützt.
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Um eine optische Kontrolle zu erlauben, kann eine
zweite fluoreszierende Faser neben der ersten angeordnet
werden, wobei das freie Ende dieser zweiten Faser in die
Glocke mündet.
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Andere Vorzüge des erfindungsgemäßen
Leistungsschalters gehen aus der nachfolgenden Beschreibung von
Ausführungsbeispielen und den beiliegenden Zeichnungen hervor.
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Figur 1 zeigt teilweise längsgeschnitten eine erste
Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Leistungsschalters.
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Die Figuren 2 und 3 zeigen Einzelheiten dieses
Schalters gemäß einer ersten Variante der Montage der
Lichtleitfaser.
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Figur 4 zeigt im einzelnen die Anordnung zur
Erfassung der Spannung.
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Figur 5 zeigt im einzelnen den Schalter gemäß einer
zweiten Variante der Montage der Lichtleitfaser.
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Die Figuren 6 und 7 zeigen teilweise geschnitten eine
zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Leistungs
schalters.
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In Figur 1 ist die Trennkammer 1 angedeutet, in der
sich ein fester Kontakt, ein beweglicher Kontakt und
Stromanschlüsse 4 und 5 befinden. Der Mantel dieser Trennkammer
ist aus Verbundmaterial, d.h. er besteht aus einem Zylinder
100 aus mit Epoxyharz imprägnierten Glasfasern, der außen
durch eine Beschichtung 101 geschützt ist, die Rippen aus
Polymermaterial, z.B. Silikon oder EPDM
(Äthylenpropylendienmonomer) bildet. Obere und untere Metallflansche 105 an
den Enden des Mantels verstärken diese. Die Kammer 1 sitzt
auf einem Stützisolator 6 gleichen Aufbaus wie der Mantel.
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Eine fluoreszierende Kunststoff-Lichtleitfaser 102
ist um den Verbundzylinder 100 herum angeordnet und tritt
tangential zu diesem in einer Anordnung aus, die genauer
weiter unten erläutert wird. Um den ordentlichen Betrieb des
Isoliermantels nicht zu stören, ist diese Faser 102
vorzugsweise möglichst nahe bei dem Metallflansch 105 installiert.
Die Faser 102, die von einer lichtundurchlässigen Hülle 106
geschützt ist, tritt in eine Glocke 107 ein, die auf einem
Stützisolator kleinen Durchmessers 109 aus Verbundmaterial
montiert ist, der neben dem Stützisolator 6 angeordnet ist.
Der genaue Aufbau der Glocke 107 wird weiter unten
erläutert. Ein Metallstift 110, dessen freies Ende abgerundet ist
und dessen Durchmesser recht gering ist, steht senkrecht in
der Glocke 107 auf einer Metallplatte, die an den
Stromanschluß 5 angeschlossen ist. Der Stift ist so
dimensioniert, daß er leichte sichtbare Koronaentladungen bei der
Mindestspannung zwischen Phase und Erde des Netzes erzeugt.
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Eine Fotodiode oder ein geeigneter Lichtdetektor 112
ist an den Ausgang der Faser 102 auf dem Stützisolator 109
montiert. Auf diese Weise erfaßt die Faser 102 permanent das
schwache Licht aufgrund der Koronaentladung am Stift 110 und
sendet es zur Fotodiode 112, die so die Erfassung der
Spannung ermöglicht. Beim Trennen des Stroms in der Kammer 1
erfaßt die Faser 102 außerdem das Licht des Lichtbogens in
ihrem Bereich rund um den Zylinder 100 durch diesen
hindurch.
Dieses relativ helle Licht addiert sich zu dem recht
schwachen Licht aus der Glocke 107, so daß die Analyse die
Dauer des Lichtbogens und die Intensität des entsprechenden
Stroms zu bestimmen erlaubt.
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Die kontinuierliche Registrierung der Dauer des
Lichtbogens während des Trennvorgangs und während des
Schließvorgangs ermöglicht es, die Abnutzung der Kontakte
und den richtigen Betrieb des Schalters zu bewerten.
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Falls der Schalter nicht trennt, was durch eine große
Brenndauer des Lichtbogens deutlich wird, kann man den
allgemeinen Schutz auslösen, insbesondere falls das Trennen
bei einem schwachen Strom scheitert, was mit der üblichen
Methode nur schwierig zu erfassen ist.
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Es sei bemerkt, daß der Stützisolator 109 auch für
andere Zwecke verwendet werden kann, beispielsweise für den
Durchgang von lichtübertragenden Lichtleitfasern, die
zusammen mit elektronischen Bauelementen für die Messung des
Stroms und der Spannung verwendet werden.
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Eine erste Ausführungsform der Montage der Faser 102
auf dem Mantel der Trennkammer 1 wird nun anhand der Figuren
2 und 3 beschrieben.
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Die Polymerbeschichtung 101 ist auf einen Zylinder
100 aus mit Harz getränkten Glasfasern so aufgebracht, daß
die Beschichtung in einem Abstand von etwa 5 mm zum
Metallflansch 105 unterbrochen ist. Nachdem diese Beschichtung
hergestellt wurde, wird die Faser 102 unmittelbar auf den
Zylinder 100 in den freigebliebenen Raum zwischen dem
Flansch 105 und dem unteren Ende der Beschichtung 101
aufgelegt. Dann wird sie in eine Schicht 103 aus transparentem
oder lichtdurchscheinendem Polymermaterial eingebettet, das
bei einer Temperatur von höchstens 70ºC vernetzt wird,
beispielsweise in eine Schicht aus einem Epoxyharz vom Typ
Araldite (eingetragene Marke), wobei diese Schicht 103 den
vorher freigelassenen Zwischenraum füllt. Eine lichtundurch
lässige Schutzschicht wird dann auf die Schicht 103
aufgebracht,
die verhindert, daß Licht von der Faser nach
außerhalb der Kammer und umgekehrt gelangen kann.
Beispielsweise ist diese Schicht 104 aus Silikonkitt oder
Polyurethan.
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Die Faser 102 tritt tangential aus dem Zylinder aus,
um einen zu starken Krümmungsradius zu vermeiden, der den
korrekten Betrieb in Frage stellen könnte. Ab dem Austritt
aus den Schichten 103 und 104 ist die Faser durch die
lichtundurchlässige Hülle 106 geschützt.
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Figur 4 zeigt genauer die Anordnung zur Erfassung der
Spannung.
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Eine Metallplatte 108 ist oberhalb des Stützisolators
109 angeordnet und starr mit dem Stromanschluß 5 der
Trennkammer 1 verbunden, wie dies in Figur 1 gezeigt ist. Sie
trägt die isolierende, geschlossene, dichte und vollständig
lichtundurchlässige Glocke 107. Durch die Glocke verläuft
die Faser 102, welche vom Rand der Trennkammer 1 unter dem
Schutz ihrer lichtundurchlässigen Hülle 106 ankommt. Die
nackte Faser 102 verläuft durch eine Öffnung in der Platte
108 und dann entlang des Stützisolators 109 nach unten.
Ein Stift 110 ist senkrecht auf der Platte 108 in
einem gewissen Abstand von der Faser 102 befestigt. Um allzu
starke Koronaentladungen bei vorübergehenden Überspannungen
zu vermeiden, wird die Faser 102 von einem Rohr 116 aus
transparentem Glas geschützt.
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Der Innenraum der Glocke 107 ist mit trockener Luft
oder Stickstoff unter Atmosphärendruck gefüllt. Ein
feuchtigkeitsabsorbierendes Produkt 111, beispielsweise Silicagel
(eingetragene Marke) ist im Inneren der Glocke 107
angebracht.
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Eine zweite fluoreszierende Faser 102' kann neben der
ersten vorgesehen werden. Ihr freies Ende liegt in der
Glocke innerhalb des Rohrs 116. Diese Faser 102' ermöglicht
eine optische Kontrolle des Vorliegens der Spannung, indem
einfach das Licht sichtbar gemacht wird, das am unteren Ende
des Stützisolators 109 aus dieser Faser auftritt.
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Um einen Verlust der Lichtübertragungseigenschaft in
der fluoreszierenden Faser 102, 102' zu vermeiden, ist es
günstig, eine transparente Kunststoff-Lichtleitfaser oder
eine normale Lichtleitfaser aus Siliziumoxid 114, 114' am
Ausgang der Haube für die Weiterübertragung des Lichts
entlang des Stützisolators 109 zu verwenden. Diese Faser
114, 114' ist an die fluoreszierende Faser 102, 102' über
klassische Verbinder 113, 113' angeschossen.
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Eine zweite Ausführungsform für die Montage der Faser
102 auf dem Mantel der Trennkammer wird nun anhand von Figur
beschrieben.
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Diese Ausführungsform ist für den Fall gedacht, daß
das vom Lichtbogen bei der Trennung ausgesendete Licht auch
für einen schwachen Strom ausreicht. Dann ist es nicht
notwendig, das Licht über den ganzen Umfang des Zylinders
100 aus Glasfasern und Harz aufzufangen.
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Ein kleiner Zylinder 120 aus transparentem Glas mit
einem Durchmesser von etwa 10 mm und einer Länge von etwa 3
cm mit einem Sackloch 121 ist mit einem transparenten Kleber
auf den Zylinder 100 vor der Herstellung der rippenförmigen
Polymerbeschichtung 101 aufgeklebt. Das mit dem Zylinder 100
in Kontakt stehenden Ende ist leicht konkav und liegt an der
Außenoberfläche des Zylinders an.
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Beim Anbringen der Beschichtung 101 wird der Zylinder
120 über seine periphere Oberfläche in das Polymermaterial
eingebettet. Nach der Polymerisierung der Beschichtung 101
wird das Ende der fluoreszierenden Faser 102 in das Sackloch
121 eingeführt und dort festgelegt. Außerhalb des Sacklochs
ist die Faser von einer lichtundurchlässigen Hülle 103 und
von einer lichtundurchlässigen Manschette 122 aus
Elastomermaterial geschützt, die die Dichtheit gewährleistet.
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Die Faser 102 hat einen Durchmesser von etwa 1 mm.
Das Licht des Lichtbogens verläuft durch den Zylinder 100
und den kleinen Zylinder 120 und wird von der Faser 102 über
eine Länge von etwa 2,5 mm und über deren Endstirnfläche
aufgenommen.
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Die Figuren 6 und 7 zeigen teilweise längsgeschnitten
eine zweite bevorzugte Ausführungsform eines erfindungs
gemäßen Leistungsschalters.
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Bei dieser Ausführungsform wird kein zweiter
Stützisolator 109 verwendet.
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Wie man aus Figur 6 erkennt, ist die fluoreszierende
Faser 102, geschützt durch ihre lichtundurchlässige Hülle,
am Austritt aus dem Mantel der Trennkammer 1 über einen
Verbinder 202 an eine normale Lichtleitfaser 200,
beispielsweise aus Siliziumoxid, angeschlossen, die in die
Polymerbeschichtung entlang des Zylinders aus mit Harz imprägnierten
Glasfasern des Stützisolators 6 für die Trennkammer 1 einge
bettet ist. Das untere Ende der Faser 200 ist ihrerseits an
eine Fotodiode oder einen Lichtdetektor 112 gekoppelt.
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Figur 7 zeigt einen ähnlichen Leistungsschalter mit
einer Vorrichtung zur Erfassung der Spannung gleich der oben
beschriebenen in entsprechender Anordnung, wobei diese
Vorrichtung zwischen das Ende der fluoreszierenden Faser 102
und dem Anschluß dieser Faser an die normale Lichtleitfaser
200 über den Verbinder 202 eingefügt ist.