EP3811391B1

EP3811391B1 - Schliesskontaktsystem

Info

Publication number: EP3811391B1
Application number: EP19752937.3A
Authority: EP
Inventors: Christian Schacherer; Martin Koletzko
Original assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Current assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Priority date: 2018-08-02
Filing date: 2019-07-24
Publication date: 2023-08-30
Anticipated expiration: 2039-07-24
Also published as: JP2021533539A; DE102018212953A1; EP3811391A1; EP3811391C0; US11462375B2; CN112534534A; US20210304988A1; WO2020025410A1; CN112534534B; KR20210030467A

Description

Viele Anwendungen in der Hochspannung benötigen eine schnelle Erdung unter Spannung stehender Teile, zum Beispiel beim Auftreten eines Netzfehlers. Eine beispielhafte Anwendung ist dabei die Erdung von Hochspannungskabeln in HGÜ-Anlagen beziehungsweise die Überbrückung von Teilen der dort verwendeten Hochspannungsableiter.
Solche sogenannten Schnellerder werden üblicherweise im Stand der Technik durch gasisolierte Schaltanlagen (GIS) bereitgestellt. In vielen Anwendungen, beispielsweise im Gleichspannungsbereich bei HGÜ-Anlagen, ist die Schließzeit herkömmlicher Schnellerder zu lange, weshalb ein weiterer höherer technischer Aufwand betrieben werden muss, um den Schutz von Anlagen zu gewährleisten.
Die Druckschrift DE 28 15 059 A1 offenbart ein Schließkontaktsystem für Hochspannungsanwendungen, das dem Oberbegriff des Anspruchs 1 entspricht.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Schließzeit von Schließkontaktsystemen, insbesondere Schnellerdern im Hochspannungsbereich gegenüber dem Stand der Technik signifikant zu verkürzen.
Die Lösung der Aufgabe besteht in einem Schließkontaktsystem für Hochspannungsanwendungen mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
Das erfindungsgemäße Schließkontaktsystem für Hochspannungsanwendungen gemäß Patentanspruch 1 zeichnet sich dadurch aus, dass eine Vakuumschaltröhre mit zwei Schaltkontakten, die in Form von Plattenkontakten ausgestaltet sind, vorgesehen ist. Von den Plattenkontakten ist mindestens einer als ein sogenannter Bewegkontakt ausgestaltet, der mit einem Antrieb gekoppelt ist. Ferner zeichnet sich das Schließkontaktsystem dadurch aus, dass mindestens einer der Plattenkontakte rotationssymmetrisch von einem Schirmelement umgeben ist, wobei das Schirmelement eine elektrische Leitfähigkeit aufweist, die weniger als 40 × 10^-6 S/m beträgt.
In der beschriebenen Erfindung wirken mehrere aufeinander aufbauende Maßnahmen zur Lösung des beschriebenen Problems zusammen. Die erste Maßnahme besteht in der Anwendung einer Vakuumschaltröhre im Gegensatz zu der im Stand der Technik verwendeten gasisolierten Schaltung. Die Vakuumschaltröhre umfasst Plattenkontakte, die bezüglich ihrer Geometrie verhältnismäßig einfach ausgestaltet sein können und die aufgrund der hohen elektrischen Isolationseigenschaft, die durch das in der Vakuumschaltröhre vorherrschende Vakuum gegeben sind, einen sehr geringen Kontaktabstand benötigen. Dies führt wiederum dazu, dass ohnehin ein geringerer Schaltweg zurückgelegt werden muss, was die Schließzeit bereits deutlich verkürzt. Eine weitere Maßnahme besteht darin, dass ein Schirmelement um mindestens einen der Plattenkontakte herum angeordnet ist, wobei dieses Schirmelement bereits einen Überschlag unterbindet und somit eine weitere Annäherung der Plattenkontakte im Betriebszustand ermöglicht, wobei in einem weiteren Schritt das Schirmelement eine relativ geringe elektrische Leitfähigkeit aufweist, was sich erfindungsgemäß als zweckmäßig herausgestellt hat, um den Abstand der beiden Plattenkontakte noch weiter zu reduzieren.
Die Summe dieser Maßnahmen führt dazu, dass das vorliegende Schließkontaktsystem für Hochspannungsanwendungen gegenüber dem Stand der Technik eine deutlich reduzierte Schließzeit aufweist, was einen erhöhten Schutz der gefährdeten Komponenten bedeutet. Unter dem Begriff Plattenkontakte werden dabei grundsätzlich plattenförmige Kontakte verstanden, die bevorzugt keine magnetfeldsteuernden Geometrien aufweisen, diese aber auch nicht schädlich sind. Plattenkontakte sind bevorzugt einfache Kontaktsysteme, die in dem beschriebenen Schließkontaktsystem Anwendung finden könnten, da diese Kontakte nur schließen müssen und keinen Stromfluss unterbrechen müssen.
Erfindungsgemäß hat sich herausgestellt, dass ein Abstand von 10 mm/100 kV Nennspannung der Vakuumschaltröhre ein Abstand ist, der dazu geeignet ist, gegenüber dem Stand der Technik sehr kurze Schließzeiten zu ermöglichen. Hierbei ist es zweckmäßig, wenn eine mittlere Schließgeschwindigkeit der oder des Kontaktes, der bei einem Schließvorgang bewegt wird, also den Bewegkontakt zwischen 2 m/s und 8 m/s beträgt. Derartige Schließgeschwindigkeiten sind durch bekannte Antriebssysteme erzielbar.
Es hat sich als zweckmäßig herausgestellt, wenn das mindestens eine Schirmelement den Bewegkontakt umgibt. Es kann allerdings auch zweckmäßig sein, sowohl für den Bewegkontakt als auch für den zweiten Kontakt, der in der Regel als Festkontakt ausgestaltet ist, ebenfalls ein Schirmelement vorzusehen. Dabei kann es ebenfalls zweckmäßig sein, dass das Schirmelement zumindest einen Teil der Bewegung des Bewegkontaktes entlang einer Schaltachse mitbewegt wird, was zu einer besseren Abschirmung während des Schaltvorgangs führt. Das Schirmelement weist bevorzugt eine elektrische Leitfähigkeit von 40 x 10^-6 S/m auf. Besonders bevorzugt weist das Schirmelement eine geringere Leitfähigkeit von 20 × 10^-6 S/m auf, was insbesondere bei der Verwendung von Eisen oder einer Eisenlegierung, insbesondere Edelstahl gewährleistet ist.
In einer weiteren Ausgestaltungsform der Erfindung zeichnet sich das Schließkontaktsystem in der Art aus, dass der Antrieb ein Kopplungsglied aufweist, das zum Vorspannen einer Seilrotationspendelkinematik dient, wobei bei dieser Kinematik eine Drehbewegung eines Rotationskörpers mithilfe von Wickelseilen in eine translatorische Bewegung eines Wickelkörpers umgewandelt wird. Der Wickelkörper dient zum Antrieb des Bewegkontaktes, die Seilrotationspendelkinematik ist dazu geeignet, sehr hohe Schaltgeschwindigkeiten bereitzustellen, wobei zusätzlich ein Prellen der Kontakte beim Schließvorgang unterbunden wird.
Weitere Ausgestaltungsformen der Erfindung und weitere Merkmale werden anhand der folgenden Figuren näher erläutert. Dabei handelt es sich um rein exemplarische Ausgestaltungsformen, die zur besseren Kenntlichmachung der Merkmale sehr schematisch dargestellt sind und somit keine Einschränkung des Schutzbereiches darstellen.
Dabei zeigen:

Figur 1: ein Schließkontaktsystem umfassend eine Vakuumschaltröhre und einen Antrieb zur Erzielung kurzer Schließzeiten, im geöffneten Zustand,
Figur 2: ein Schließkontaktsystem gemäß Figur 1 in geschlossenem Zustand der Kontakte,
Figur 3: ein Schließkontaktsystem gemäß Figur 2 mit einem entlang der Schaltachse verschobenen Schirmelementes,
Figur 4: ein Schließkontaktsystem gemäß Figur 3 mit einer weiteren Änderung der Position des Schirmelementes,
Figur 5 - 7: ein Kopplungsglied als Teil des Antriebs des Schließkontaktsystems in unterschiedlichen Positionierungen.

In Figur 1 ist ein Schließkontaktsystem 1 dargestellt, das eine Vakuumschaltröhre 28 und einen Antrieb 5 umfasst. Die Vakuumschaltröhre 28 umfasst dabei wiederum ein Gehäuse 50, das zum einen mehrere Isolatorelemente 48 und eine metallische Schaltkammer 49 aufweist, wobei ein Kontaktsystem 3 im Gehäuse 50 der Vakuumschaltröhre 28 angeordnet ist. Das Kontaktsystem 3 umfasst zwei Schaltkontakte, die in Form von Plattenkontakten 4 und 6 ausgestaltet sind. In der vorliegenden Figur 1 ist der erste Plattenkontakt 4 in Form eines Bewegkontaktes 30 ausgestaltet. Bei den Plattenkontakten 4, 6 handelt es sich um Kontakte, die im Wesentlichen kreisrunde Kontaktflächen 34 aufweisen, die dabei durch einen Durchmesser 38 charakterisiert sind. Die Kontaktflächen 34 wiederum stehen im Abstand 36 zueinander in einer geöffneten Position. Der Bewegkontakt 30 ist mit einem Kontaktbolzen 44 versehen, der isoliert durch einen Faltenbalg 46 aus dem Gehäuse 50 der Vakuumschaltröhre 28 ausgeleitet wird, wobei der Kontaktbolzen 44 hier lediglich schematisch dargestellt mit einem Antrieb 5 mechanisch gekoppelt ist. Über eine mögliche Ausgestaltung des Antriebs 5 wird detailliert in den Figuren 5 bis 7 eingegangen.
Beim Schließen der Vakuumschaltröhre 28 insbesondere im Hochspannungsbereich aber auch bei Mittelspannungsanwendungen kommt es einige Millimeter vor dem Berühren der Plattenkontakte 4, 6 zum Zünden eines hier nicht dargestellten Lichtbogens und zu einem hohen Stromfluss. Je nach Höhe des Stromflusses und nach dessen Dauer bis zur endgültigen Kontaktberührung beginnt der Lichtbogen die Kontaktflächen 34 anzuschmelzen bzw. aufzuschmelzen. Anschließend prallen die aufgeschmolzenen Kontaktflächen 34 aufeinander und verschweißen gegebenenfalls. Das Aufschmelzen wird verstärkt, wenn es zum Prellen der Kontakte kommt. Dieses Prellen kommt insbesondere bei hohen Schließgeschwindigkeiten bei herkömmlichen Federantrieben vor.
Beim anschließenden Öffnen der Kontakte werden diese Schweißstellen, die auch sehr lokal ausgestaltet sein können, auseinandergerissen und es entstehen scharfe Kanten und Spitzen auf den Kontaktflächen 34. An diesen scharfen Kanten und Spitzen, die eher im mikroskopischen Bereich liegen, kommt es zu Überhöhungen des elektrischen Feldes, was einer Reduzierung der Isolationsfähigkeit bei geöffneten Plattenkontakten 4, 6 gleichkommt. Die Isolationsfähigkeit kann durch die Spitzen so weit reduziert werden, dass bei Vakuumröhren nach dem Stand der Technik bei einem errechneten überschlagsfreien Abstand zwischen den Plattenkontakten 4, 6 dennoch ein Überschlag stattfindet. Dies bedeutet, dass bei der Konstruktion des Kontaktsystems 3 ein entsprechender Sicherheitsabstand mit eingebracht werden muss, der allerdings bei der vorliegenden Anwendung auch beim Schließvorgang überbrückt werden muss und dadurch die Schließzeit verlängert.
Um Feldüberhöhungen durch entstandene scharfe Kanten und Spitzen als Ursache der Verschweißung zu vermeiden, wird ein Schirmelement 32, das auch als ein Potenzialring wirkt, um mindestens einen, bevorzugt um beide Kontakte 4, 6 angebracht. Vorzugsweise ist das Schirmelement 32 um den Bewegkontakt 4, 30 in einer Endposition im geöffneten Zustand installiert. Dies ist die Darstellung gemäß Figur 1. Auf weitere Anordnungsmöglichkeiten des Schirmelementes 32 wird in den Figuren 2 bis 4 eingegangen.
Das Schirmelement 32 verhindert somit trotz der genannten Verschweißungen und die daraus resultierenden Kanten oder Spitzen zumindest im Wesentlichen die Zündung eines Lichtbogens im geöffneten Zustand, was dazu führt, dass die Plattenkontakte 4, 6 in einem geringeren Abstand 36 positioniert sein können, als dies gemäß des Standes der Technik der Fall ist. Der verringerte Abstand 36 trägt zu einer kürzeren Schaltzeit bei. Einen weiteren Beitrag zur Verkürzung der Schaltzeit bei bestehendem Antrieb 5 liefert die Anwendung von Plattenkontakten 4, 6, die gegenüber anderen Kontaktversionen, beispielsweise Tulpe/Stift-Kontakten in gasisolierten Schaltanlagen besonders leicht ausgestaltet sind und aufgrund der geringeren Masse bei demselben Antriebskonzept eine höhere Schließgeschwindigkeit erzielen, die wiederum in einer kürzeren Schließzeit resultiert. Die Schließgeschwindigkeit beträgt dabei bevorzugt zwischen 2 m/s und 8 m/s. Der Plattenkontakt 4, insbesondere der Bewegkontakt 30 kann durch verschiedene Maßnahmen noch im Weiteren bezüglich seiner Masse reduziert werden. Dabei kann beispielsweise der Kontaktbolzen 44 rohrförmig ausgestaltet sein, was zu einer reduzierten Masse führt. Eine rohrförmige Ausgestaltungsform des Kontaktbolzens anstatt eines massiven Kontaktbolzens ist in der vorliegenden Anwendung als Schließkontaktsystem insbesondere eines Schnellerders möglich, da nicht über längere Zeit ein Strom geleitet werden muss. Dieser Kontaktbolzen 44 kann auch aus einem leichteren Material, beispielsweise aus Graphit oder einem Nichtmetall ausgestaltet sein. Die Anwendung von Graphit auch als Beschichtung des Kontaktbolzens 44 kann zur Verbesserung des Vakuums beitragen. Die Merkmale, die zur Reduzierung der Masse des Bewegkontaktes 30 bzw. des Kontaktbolzen 44 führen, bewirken auch ein geringeres Prellen der Kontakte aufeinander beim Schließvorgang, was wiederum in einer geringeren Bildung von Verschweißungen bzw. Ausbildung von Spitzen und Kanten resultiert.
Eine weitere Maßnahme zur Vermeidung von Verschmelzungen ist die Verwendung eines hochschmelzenden bzw. hochtemperaturbeständigen Materials, das zumindest im Bereich der Kontaktflächen 34 der Kontakte 4, 6 angeordnet ist. Dabei bietet sich die Zugabe von Bismut, Wolfram, Titan und/oder Zirconium beispielsweise als Legierungselement des Kontaktmaterials an. Auch durch diese Maßnahme wird ein Aufschmelzen der Kontaktfläche 34 bei Annäherung der Kontakte 4, 6 reduziert.
Es hat sich als zweckmäßig herausgestellt, dass der Abstand der Plattenkontakte 4, 6 in einem geöffneten Zustand nicht mehr als 10 mm/100 kV Nennspannung der Vakuumschaltröhre 28 beträgt. Mit einem derart geringen Abstand 36 können die beschriebenen vorteilhaften Wirkungen des Schließkontaktsystems erzielt werden. Insbesondere sollte der Abstand 36 nicht weniger als 8 mm/100 kV Nennspannung betragen. Dabei ist es zweckmäßig, eine Antriebsgeschwindigkeit bereitzustellen, die zwischen 2 m/s und 8 m/s liegt, was durch einen Antrieb 5 gemäß der Figuren 5 bis 7 ermöglicht ist.
Ferner hat sich herausgestellt, dass das Verhältnis zwischen dem Abstand 36 der Kontaktfläche 34 der Plattenkontakte 2, 4 zu deren Durchmesser 38 zwischen X und Y liegt, bevorzugt zwischen V und W liegt. Dieses Verhältnis zwischen Abstand und Durchmesser ist ebenfalls geeignet, die Ausbildung eines Lichtbogens zu unterdrücken und somit auch Verschweißungen und die Bildung von Spitzen und Kanten zu verhindern. Ebenfalls hat es sich als zweckmäßig herausgestellt, dass das Schirmelement eine elektrische Leitfähigkeit aufweist, die geringer ist als die des Kupfers. Erfindungsgemäß, eine elektrische Leitfähigkeit des Materials des Schirmelementes von weniger als 40 x 10^-6 S/m führt dazu, dass einerseits eine genügende Leitfähigkeit des Schirmelementes 32 vorhanden ist, andererseits die Ausbildung eines Lichtbogens nachhaltig unterdrückt wird. Besonders vorteilhaft ist eine Leitfähigkeit des Materials des Schirmelementes 32, 33, die weniger als 20 × 10^-6 S/m beträgt, wobei erfindungsgemäß ist eine Eisenbasislegierung bzw. Edelstahl als Material des Schirmelementes 32, 33 zweckmäßig. Bei der Beschreibung der Darstellung gemäß Figuren 2, 3 und 4 wird nun noch auf die Anordnung des Schirmelementes 32 eingegangen. In Figur 1 sind zwei Schirmelemente 32 dargestellt, die bezüglich der Schaltachse fest positioniert sind und die zudem im Gehäuse 50 der Vakuumschaltröhre 28 rotationssymmetrisch um die Plattenkontakte 4, 6 angeordnet sind. In einem geöffneten Zustand der Kontakte 4, 6 ist der Bewegkontakt 4, 30 so weit zurückgezogen, dass er bezüglich einer Senkrechten zu einer Schaltachse 40 mit einem äußeren Rand des Schirmelements 32 abschließt, wodurch eine besonders gute Abschirmung erzielt wird. Beim Schließen des Bewegkontaktes 4, 30 bleibt das in Figur 1 beschriebene Schirmelement 32, wie in Figur 2 abgebildet, fest stehen.
Eine Alternative besteht darin, das Schirmelement 32, das in Fig. 3 als bewegbares Schirmelement 33 ausgestaltet ist, beim Schließvorgang des Kontaktpaares 3 mit diesen zumindest teilweise mitzubewegen. Figur 3 zeigt einen geschlossenen Zustand des Kontaktpaares 3, wobei die Schirmelemente 32 und 33 mit den Kontakten 4, 6 aufeinander zubewegt sind und nahezu aneinander anliegen.
Je nach berechneter und vorliegender Schirmwirkung und elektrischen Feldern kann ebenfalls wie in Figur 4 dargestellt, das bewegte Schirmelement 33 lediglich einen Teilweg entlang der Schaltachse 40 beim Schließvorgang mitbewegt werden, sodass die Schirmelemente 32, 33 im geschlossenen Zustand des Kontaktsystems 3 etwas beabstandet voneinander vorliegen.
Nachfolgend wird exemplarisch näher auf einen möglichen Antrieb 5 eingegangen, der dazu geeignet ist, sehr hohe translatorische Geschwindigkeiten der Plattenkontakte zu erzeugen, die im Bereich von 2 m/s und 8 m/s liegen. Kernstück des Antriebs ist ein im Folgenden näher beschriebenes Kopplungsglied 2 zum Vorspannen einer Seil-Rotationspendel-Kinematik, bei der eine Drehbewegung eines Rotationskörpers (10) mit Hilfe von Wickelseilen 16 in eine translatorische Bewegung eines Wickelkörpers 8 umgewandelt wird.
Die Figuren 1 bis 3 zeigen eine schematische Ausgestaltungsform eines Kopplungsgliedes 2. Mit dem Kopplungsglied 2 wird das Kontaktsystem 3, bestehend aus den Plattenkontakten in Form von Plattenkontakten 4 und 6, betätigt, wobei hierzu der Plattenkontakt 4 relativ zu dem Plattenkontakt 6 bewegt wird. Bei dem Kontaktpaar 3, das die Plattenkontakte 4, 6 umfasst handelt es sich um solche, die bereits in den Figuren 1 bis 4 schematisch erläutert sind. Bei Kontaktierung der beiden Plattenkontakte 4 und 6 wird ein Stromkreis geschlossen und ein Stromfluss über den weiter unten erläuterten elektrisch leitenden stabförmigen Wickelkörper 8 und das Kontaktsystem der Plattenkontakte 4 und 6 bewirkt. Dieser Stromfluss kann durch Öffnen des Kontaktsystems über das Auseinanderbewegen der beiden Plattenkontakte 4 und 6 wieder unterbrochen werden.
Der Plattenkontakt 4, der in Form des Bewegkontaktes 30 ausgestaltet ist, ist mit einem unteren Ende des Wickelkörpers 8 mechanisch gekoppelt, der im Folgenden auch als Wickelstab bezeichnet wird. In den Figuren 5 bis 7 ist der Plattenkontakt 4 direkt am unteren Ende des Wickelkörpers 8 dargestellt, was eine vereinfachte Darstellung ist, die dazu dient, direkte Auswirkung des der Kinematik auf die Bewegung des Kontaktes 4, 30 zu veranschaulichen. Grundsätzlich können bei der genannten Kopplung noch weitere Bauteile, wie der Kontaktbolzen 44 zwischen Wickelkörper 8 und Plattenkontakt 4, 30 zwischengeschaltet sein. Es ist aber auch möglich, dass Abschnitte des Wickelkörpers 8 als Kontaktbolzen 44 dienen. Der Wickelkörper 3 ist linear, also translatorisch verschiebbar, wobei er entlang seiner Längsachse 14 geführt wird, dabei aber nicht verdreht werden kann. Die Längsachse 14 fällt bevorzugt aber nicht notwendigerweise mit der Schaltachse 40 zusammen.
Auf dem Wickelkörper 8 ist ein Rotationskörper 10 drehbar gelagert, d.h. der Rotationskörper kann auf dem Wickelkörper rotieren. Dazu weist der Rotationskörper 8 eine Bohrung auf, durch die der stabförmige Wickelkörper 8 hindurch ragt. Zwischen dem Wickelkörper 8 und dem Rotationskörper 10 ist dabei ein Lager 13 vorgesehen, so dass die Rotation des Rotationskörpers 10 möglichst reibungsfrei und verlustarm vonstattengeht.
Der Rotationskörper 8 umfasst dabei in diesem Beispiel zwei voneinander beabstandete Scheiben bzw. Seiten 11 und 12. Zwischen diesen beiden Seiten 11 und 12 des Rotationskörpers ist in dieser Ausführungsform schematisch das Lager 13 dargestellt, das veranschaulichen soll, dass der Rotationskörper 10 auf dem Wickelkörper 8 drehbar gelagert ist.
In der Figur 1 ist eine Position des Kopplungsgliedes 2 dargestellt, wobei die Kontakte 4 und 6 in ihrer weitest möglichen Entfernung voneinander geöffnet sind. Diese Entfernung wird mit der Endlage E bezüglich der Stellung des Kontaktes 4, 30 bezeichnet. Die Figur 2 zeigt eine Mittelposition zwischen der Endlage E und der in Figur 3 dargestellten Endlage E', in der die Kontakte 4, 30 und 6 geschlossen sind und ein Stromfluss über die Kontakte erfolgen kann.
Beginnend mit der Position der Endlage E in Figur 1 wird nun der Schließvorgang des Kopplungsgliedes 2 beschrieben. Dabei ist noch auszuführen, dass der Rotationskörper 10 mit - in diesem Beispiel - zwei Federn 18 gekoppelt ist. Die Federn 18 sind auf Zugbelastung ausgelegt und sind dabei mit einem Ende am Rotationskörper 10 befestigt und mit einem anderen Ende an einem Fixpunkt 24 außerhalb des Kopplungsgliedes 2 fixiert. In der Endlage E, in der eine Feder 18 eine stärkere Vorspannung aufweist als die Feder 18', ist eine Arretierung 20 vorgesehen, die wiederum mit einem Aktor 22 in Verbindung steht. Die Arretierung 20 ist in diesem Beispiel sehr schematisch durch einen Stab dargestellt, die Arretierung 20 kann beispielsweise in Form von zwei ineinandergreifenden Zahnkränzen ausgestaltet sein, was hier der besseren Anschaulichkeit halber nicht explizit dargestellt ist.
Ferner umfasst das Kopplungsglied Wickelseile 16 bzw. 16', die zwischen dem Rotationskörper 10 und dem Wickelkörper 8, bevorzugt mit einer gewissen Vorspannung versehen, befestigt sind. Die Seile 16 sind dabei jeweils am Wickelkörper 8 angebracht und mit einem zweiten Befestigungspunkt möglichst weit außen an den Scheiben 11 und 12 bzw. an den oberen und den unteren Seiten 11 und 12 des Rotationskörpers 10 befestigt. Unter Seile werden hierbei insgesamt flexible Gebilde, wie beispielsweise Sehne, Drahtseile oder Aramidfasern verstanden, die auf der einen Seite ein hohes Elastizitätsmodul aufweisen, um eine möglichst feste Vorspannung zwischen dem Wickelkörper 8 und dem Rotationskörper 10 zu erzielen.
In dem Beispiel gemäß Figur 1 sind die Seile 16` im unteren Bereich zwischen der Seite 12 des Rotationskörpers 10 und dem Plattenkontakt 4 um den Wickelkörper um mehrere Umdrehungen aufgewickelt. Im oberen Bereich des Kopplungsgliedes 2, also oberhalb der Seite 11 des Rotationskörpers 10, sind die Seile 16 in der Position der Endlage E gemäß Figur 1 nicht verdreht. Öffnet man die Arretierung 20, beispielsweise hervorgerufen durch ein Signal, das an den Aktor 22 weitergeleitet wird, so wird durch die Vorspannung der Federn 18 und 18', die insgesamt so ausgestaltet sind, dass sich ein Resonator ergibt, eine Drehbewegung des Rotationskörpers erzeugt, durch die sich die Seile 16` im unteren Bereich des Wickelkörpers 8 abrollen und im Gegenzug dazu die Seile 16 im oberen Bereich, oberhalb des Rotationskörpers 10, auf dem Wickelkörper 8 aufdrehen. Diese Position ist in Figur 2 dargestellt. In der Position gemäß Figur 2 sind die Federn 18 und 18' auch im Wesentlichen in einer Gleichgewichtslage, wobei auch hier eine Vorspannung der Federn 18 und 18' vorliegt. Diese Gleichgewichtslage gemäß Figur 2 wird aufgrund der Wirkung der beiden Federn als Resonator überwunden und stellt sich gemäß Figur 3 die Position der Endlage E' ein, bei der die beiden Plattenkontakte 4, 30 und 6 geschlossen sind.
Dabei ist das System bezüglich der Vorspannungen der einzelnen Federn 18 und 18' so ausgestaltet, dass nicht nur ein Kontakt zwischen den Kontakten 4 und 6 hergestellt ist, sondern auch eine Offsetkraft, also eine zusätzlich Anpresskraft durch den Wickelkörper 8 und den Plattenkontakt 4, 30 auf den Plattenkontakt 6 wirkt. Bei Erreichen der Endlage E` greift die Arretierung 20, wiederum ausgelöst durch den Aktor 22 in den Rotationskörper 10 ein, so dass die Position des Rotationskörpers 10 gehalten wird.
Bei dem Bewegungsablauf, der zwischen den Figuren 1 und 3 dargestellt ist, wird gezeigt, wie durch die Rotation des Rotationskörpers 10 eine Rotationsbewegung durch Aufwickeln der Seile 16 in eine translatorische Bewegung des Wickelkörpers 8 und somit auch des Schaltkontaktes 4 umgewandelt wird. Die translatorische bzw. auch lineare Bewegung des Wickelkörpers 8 kann in beide Richtungen erfolgen. Der hier beschriebene Schließvorgang kann reversibel ausgehend von der Figur 3 über die Position der Figur 2 zurück zur Figur 1 beschrieben werden, wobei eine translatorische Bewegung des Wickelkörpers 8 entlang seiner Längsachse 14 in Richtung der Endlage E vollzogen wird.
Da das Federpaar 18 und 18' als Resonator wirkt, kann diese Bewegung sehr häufig ohne große Reibungsverluste vonstattengehen. Die Reibungsverluste sind deshalb sehr gering, da die Reibung, die über die Seile 16 und 16' übertragen werden, ebenfalls gering ist und eine möglichst gute Lagerung des Rotationskörpers bezüglich des Wickelkörpers 8 erfolgt. Als Federn, 18, 18' sind hier rein schematisch Schraubenfeder dargestellt, es können verschiedene Federarten, wie Spiralfedern oder Gasdruckfedern, die auch rotatorisch aufgebaut sein können und in den Wickelkörper integriert sein können, zur Anwendung kommen.
Die Drehbewegung des Rotationskörpers 10 ist in der Art ausgestaltet, dass der Rotationskörper 10 bei einem Öffnungsund einem Schließvorgang jeweils eine Drehung von etwa 90° in jede Richtung vollzieht. Dabei ist die Schaltzeit, also die Zeit, die das Kopplungsglied benötigt, von der Endlage E' in die Endlage E und umgekehrt zu gelangen, durch die Steifigkeit der verwendeten Federn 18 und durch die Trägheit, also der Masse des Rotationskörpers 10, der auch als Schwungrad fungiert, abhängig. Die Winkelgeschwindigkeit Ω des Rotationskörpers 10 ist dabei direkt proportional zu der Wurzel aus dem Verhältnis von Federsteifigkeit, also der Federkonstante K und der Masse m des Rotationskörpers 10, exemplarisch ausgedrückt durch die Gleichung $Ω \sim {(K / m)}^{0,5} .$
Dabei ist die Energie des Rotationskörpers so eingestellt, dass sich das gewünschte Ω, also die gewünschte Winkelgeschwindigkeit und die gewünschte Schaltzeit für den jeweiligen Schaltvorgang ergibt, wobei ca. 95 % der Gesamtenergie des Systems in den Schaltvorgang einfließt wird. Durch das sehr verlustarme arbeitende beschriebene Schaltsystem bzw. Kopplungsglied geht dabei in einem exemplarischen Schaltvorgang ca. 1,5 J in dem System an Energie verloren. Bei einem konventionalen Schaltvorgang mit einem konventionellen Antrieb geht bei einer selben Leistung und bei einer vergleichbaren Größe des Kopplungsgliedes das 20- bis 30-fache an Energie pro Schaltvorgang verloren. Das bedeutet, dass diese Energie beim Auftreffen der beiden Plattenkontakte 4 und 6 verloren gehen, was dazu führt, dass diese Energie die Plattenkontakte in einem sogenannten Prellvorgang mehrfach im mikroskopischen Bereich voneinander trennt und wieder zusammenbringt, ähnlich wie dies ein Hammer tut, der auf einen Amboss geschlagen wird. Dieser Prellvorgang ist beim Schalten der Hochspannungsanlage äußerst unerwünscht, da durch ihn kein gleichmäßiger und schneller Kontaktaufbau vonstattengehen kann. Durch das energetisch verlustarm arbeitende Kopplungsglied gemäß der Figuren 1 bis 3 wird dieser Prellvorgang auf ein Minimum reduziert.

Bezugszeichenliste

1: Schließkontaktsystem
2: Kopplungsglied
3: Kontaktpaar
4: erster Schaltkontakt
5: Antrieb
6: zweiter Schaltkontakt
8: stabförmiger Wicklungskörper
10: Rotationskörper
11: eine Seite R-Körper
12: zweite Seite R-Körper
13: Lager
14: Längsachse
16: Seite
18: Federn
20: Arretierung
22: Aktor
24: Befestigungspunkt Feder
28: Vakuumschaltröhre
30: Bewegkontakt
32: Schirmelement
33: bewegbar gelagerter Schirm
34: Kontaktflächen
36: Abstand Kontaktfläche
38: Durchmesser Kontaktflächen
40: Schaltachse
42: Seil-Rotationspendel-Kinematik
44: Kontaktbolzen
46: Faltenbalg
48: Isolator
49: metallische Schaltkammer
50: Gehäuse

Claims

Schließkontaktsystem für Hochspannungsanwendungen, wobei eine Vakuumschaltröhre (28) mit zwei Schaltkontakten in Form von Plattenkontakten (2, 4) vorgesehen ist, von denen mindestens einer, ein mit einem Antrieb (5) gekoppelter Bewegkontakt (30) ist und wobei mindestens ein Plattenkontakt (2, 4) rotationssymmetrisch von einem Schirmelement (32) umgeben ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Schirmelement (32) eine elektrische Leitfähigkeit aufweist, die weniger als 40 10^-6 S/m aufweist und auf Eisenbasis ausgestaltet ist und dass der Abstand der Plattenkontakte (2, 4) im geöffneten Zustand weniger als 10 mm pro 100kV Nennspannung beträgt.
Schließkontaktsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine mittlere Schließgeschwindigkeit, die bei der Bewegung des mindestens einen bewegten Plattenkontakts (30) auftritt, zwischen 2 m/s und 8 m/s beträgt.
Schließkontaktsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Schirmelement (32) den Bewegkontakt (30) umgibt.
Schließkontaktsystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Schirmelement (32), entlang einer Schaltachse (40) bewegbar gelagert ist.
Schließkontaktsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Leitfähigkeit des Schirmelementes (32, 33) weniger als 20 10^-6 S/m aufweist.
Schließkontaktsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (36) der Kontaktflächen (34) des Plattenkontaktes (2, 4) im geöffneten Zustand weniger als 8 mm pro 100kV Nennspannung beträgt.
Schließkontaktsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schirmelement (32, 33) auf Basis von einer Eisenlegierung ausgebildet ist.
Schließkontaktsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb (5) ein Kopplungsglied (2) zum Vorspannen einer Seil-Rotationspendel-Kinematik umfasst, bei der eine Drehbewegung eines Rotationskörpers (10) mit Hilfe von Wickelseilen (16) in eine translatorische Bewegung eines Wickelkörpers (8) umgewandelt wird.