DE19921173A1 - Einrichtung zum Löschen eines Störlichtbogens - Google Patents

Abstract

Es wird eine Einrichtung zum Löschen eines Störlichtbogens, insbesondere aufgrund eines Phasenkurzschlusses in einer elektrischen Schaltanlage beschrieben, bei der zwischen zwei Phasen (R, S; S, T) je eine Vakuumkammer (14, 15) mit schließbaren Kontaktstücken vorgesehen ist, die bei Auftreten eines Störlichtbogens schließt und in die der Strom des Störlichtbogens kommutiert.

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Löschen eines Störlichtbogens insbeson­ dere aufgrund eines Phasenkurzschlusses in einer elektrischen Schaltanlage nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Störlichtbögen, die in einer elektrischen Schaltanlage entstehen, erzeugen aufgrund ihrer Temperatur einen starken Druckanstieg des Gases innerhalb der Schaltanlage, der sich in einem Zeitraum von wenigen Millisekunden aufbaut, und zu einer Zerstörung der Schaltanlage durch Explosion führen kann. Daher werden Maßnahmen getroffen, damit der Druck möglichst schnell abgebaut wird. Zu diesem Zweck besitzen die ein­ zelnen Schaltfelder einer Schaltanlage Druckentlastungsöffnungen oder Druckentla­ stungskanäle, über die das Gas in die Umgebung abströmen kann. Dabei besteht auch die Gefahr, daß Bedienungspersonen, die sich im Bereich einer Schaltanlage innerhalb eines Gebäudes befinden, verletzt werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, mit der eine derartige Gefährdung vermieden wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruches 1.

Erfindungsgemäß befinden sich zwischen je zwei Phasen eine Vakuumkammer mit schließbaren Kontaktstücken, die bei Auftreten eines Störlichtbogens schließen und in die der Strom des Störlichtbogens kommutiert. Dabei besteht auch die Möglichkeit, daß bei drei Vakuumkammern diese sternförmig zusammengeschaltet sind. Dabei kann der Sternpunkt geerdet sein oder auch nicht.

Wenn beispielsweise zwischen zwei Phasen ein Phasenkurzschluß auftritt und dabei ein Lichtbogen entsteht, dann wird entweder das Licht des Lichtbogens oder der Druckanstieg oder andere Ereignisse detektiert. Aufgrund des in der Regel äußerst schnellen Druckaufbaues ist es entscheidend, daß eine leitfähige Verbindung in der Vakuumkammer innerhalb weniger Millisekunden herbeigeführt wird. Dabei besteht die Möglichkeit, innerhalb der Vakuumkammer mittels einer dritten Elektrode einen Licht­ bogen zu zünden und/oder oder einen äußerst schnellen Antrieb zum Schließen der Vakuumkammer zu verwenden. Wird eine Vakuumkammer, in der ein Lichtbogen ge­ zündet werden kann, eingesetzt, so ist es zweckmäßig, diese Vakuumkammer, die auch Triggered Vacuum Gap, TVG, bezeichnet wird, nach dem Zündvorgang zu schließen, um eine thermische Überlastung des TVG mit anschließender Neuzündung eines Störlichtbogens zu vermeiden. In diesem Fall wird die Vakuumkammern entweder durch einen leichten und einfachen Antrieb oder durch den die Vakuumkammern durchfließenden Fehlerstrom geschlossen. Zwar ist aus der Literaturstelle cigre, Ses­ sion 1998, 13-108 "New types of triggered Vacuum switching devices for fast synchro­ nized load commutation" bekannt, einen sog. Vakuumtriggerschalter (TVG) zwischen einem Phasenleiter und Erde zu schalten, dem eine Zündeinrichtung zugeordnet ist, die von einem Sensor angesteuert wird. Wenn ein Kurzschluß im Phasenleiter auftritt, wird durch die Zündung der Vakuumkammer eine Strombegrenzung herbeigeführt. Da in dieser Literaturstelle jedoch kein mechanisches Schließen der Vakuumkammer vor­ gesehen ist, besteht die Gefahr, daß bei länger anstehendem Kurzschluß die Vaku­ umkammer, wie oben beschrieben, thermisch überlastet wird. Bei der Anordnung, die dort beschrieben ist, muß, im Gegensatz zu der erfindungsgemäßen Einrichtung ein Leistungsschalter den Kurzschluß innerhalb ca. 100 Millisekunden abschalten. Im Hin­ blick auf die Störlichtbogensicherheit von Anlagen ist jedoch in manchen Fällen gefor­ dert, daß der Kurzschluß 1 Sekunde ansteht.

Für Zwecke des Schutzes gegen die Auswirkungen eines Störlichtbogens ist diese An­ ordnung kaum verwendbar. In diesem Falle kann auf eine Zündung eines Lichtbogens zur Kommutierung des Störlichtbogens in die Vakuumkammer verzichtet werden.

Eine weitere Möglichkeit besteht darin, wie bereits oben erwähnt, einen Antrieb zu ver­ wenden, der in der Lage ist, die Vakuumkammer innerhalb weniger Millisekunden zu schließen. Dazu kann erfindungsgemäß ein elektrodynamischer Antrieb verwendet werden, der aufgrund seines induktionsarmen Aufbaus eine hohe Stromsteilheit zuläßt und damit eine hohe Beschleunigung des beweglichen Kontaktstückes der Vakuum­ kammer bewirkt.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen der Erfindung sind den Un­ teransprüchen zu entnehmen.

Anhand der Zeichnung, in der einige Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt sind, sollen die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesse­ rungen und weitere Vorteile näher erläutert und beschrieben werden.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung, und

Fig. 2 und 3 unterschiedliche Ausgestaltungen der Vakuumkammer.

In einem Netz mit den Netzleitern R, S, T, die in einem Sternpunkt 10 verbunden und an Erde angeschaltet sind, befinden sich Spannungserzeuger U_RM U_SM und U_TM wobei der Index R, S, T andeuten soll, daß sich die Spannungserzeuger in den Leitern R, S, T befinden. Zwischen den Leitern R und S ist eine triggerbare Vakuumkammer 14 und zwischen den Leitern S und T eine triggerbare Vakuumkammer 15 angeordnet, die im Normalfall beide in geöffneter Stellung sind.

Es sei nun angenommen, daß sich zwischen den Leitern R und S und den Leitern S und T jeweils ein Phasenkurzschluß bildet, der mit den Bezugsziffern 16 und 17 ange­ deutet ist. Die durch die Kurzschlüsse 16 und 17 veränderten Zustände innerhalb der Schaltanlage werden von einem Sensor 18 detektiert, der entweder ein optischer, ein akustischer oder ein Drucksensor sein kann. Über Übertragungsleitungen 19, 20, die lediglich als Pfeil dargestellt sind, werden die von dem Sensor 18 erzeugten und abge­ gebenen Signale jeweils einer Zündeinrichtung 21 und 22 zugeführt, von denen die Zündeinrichtung 21 die Vakuumkammer 14 und die Zündeinrichtung 22 die Vakuum­ kammer 15 triggert. Dadurch entstehen innerhalb der Vakuumkammern 14 und 15 Lichtbögen, in die der Kurzschlußstrom kommutiert, wodurch die Lichtbögen innerhalb der Vakuumkammern beherrschbar sind. Wie eine solche Triggerung aussieht, ist bei­ spielsweise der oben genannten Literaturstelle zu entnehmen. Die Lichtbögen 16 und 17 erlöschen und die in den Kammern 14 und 15 brennenden Lichtbögen werden da­ durch weggeschaltet, daß die Kammern 14 und 15 geschlossen werden.

Die Fig. 1 zeigt die Anordnung mit einem besonderen Sensor. Es besteht auch die Möglichkeit, anstatt einer Vakuumkammer mit Zündeinrichtung eine Anordnung vorzu­ sehen, wie in den Fig. 2 und 3 dargestellt.

Die Anordnung gemäß Fig. 2 zeigt eine Vakuumkammer 23 mit einem Keramikzylinder 24, die auf ihrer in der Zeichnung oben befindlichen Seite einen Abschlußdeckel 25 besitzt, an dessen Außenfläche ein Kupferstab 26 befestigt ist, der mit beispielsweise der Leitung R verbunden ist. Dieser Kupferstab 26 ist von einem Permanentmagneten 27 in Kreisform umgeben.

Die andere Stirnkante des Keramikzylinders 24 ist mit einem weiteren Deckel 28 ver­ schlossen, der zentral und mittig einen Durchbruch 29 aufweist, durch den ein Kontakt­ stengel 30 hindurchgreift, an dessen im Inneren des Zylinders 24 befindlichen Ende ein Kontaktstück 31 aus ferromagnetischem Material befestigt ist. Damit der Innenraum der Vakuumkammer 23 vakuumdicht ist, befindet sich zwischen dem weitere Deckel 28 und dem Kontaktstück 31 ein Faltenbalg 32, der vakuumdicht am Kontaktstück 31 und am Deckel 28 befestigt ist.

Das freie Ende des Kontaktstengels 30 trägt eine Scheibe 33 aus Kupfer oder Alumi­ nium, jedenfalls aus einem Material, in dem Wirbelströme erzeugt werden können. Be­ zogen auf das bewegliche Kontaktstück 31 außerhalb der Scheibe 33 ist eine ringför­ mige Spule 34 vorgesehen, mit Zuleitungen 35 und 36. Die Zuleitungen 35 und 36 sind mit einer Kondensatoren enthaltenden Batterieanordnung verbunden (nicht gezeigt), die von einem dem Sensor 18 gleichenden bzw. entsprechenden Sensor so angesteu­ ert werden, daß sie ihre Energie auf die Zuleitungen übertragen, so daß damit die Spule 34 von Strom durchflossen wird, wenn ein entsprechender Druckanstieg oder Licht oder dgl. detektiert wird. Die Spule 34 wird durchgriffen von einem Koppelstab 37, der in einer Linie mit dem Kontaktstengel 30 verläuft und an seinem Ende einen Kopf 38 aus ferromagnetischem Material trägt; im ausgeschalteten Zustand liegt der Kopf 38 gegen einen Permanentmagneten 39 an, von dem die Vakuumkammer in geöff­ netem Zustand gehalten ist.

Wenn nun vom Sensor ein Störlichtbogen detektiert wird, dann fließt der Ansteuerstrom durch die Spule 34; und erzeugt in der Scheibe 33 Wirbelströme, wodurch sich zwi­ schen der Spule 34 und der Scheibe 33 ein starkes abstoßendes Feld bildet; dadurch wird das bewegliche Kontaktstück 31 gegen die Innenfläche des Deckels 25 gedrückt, die somit als Kontaktfläche des feststehenden Kontaktstückes dient. In dieser ge­ schlossenen Stellung wird das Kontaktstück aus ferromagnetischem Material von dem Permanentmagneten 27 festgehalten. Die Abstoßungskräfte zwischen der Spule 34 und der Scheibe 33 sind dabei so groß, daß der Kopf 38 vom Permanentmagneten 39 abgerissen wird. Da dieser Antrieb ein extrem schneller Antrieb ist, ist eine Zündvor­ richtung nicht mehr erforderlich, da im Inneren der Vakuumkammer praktisch kein Lichtbogen entsteht.

Die Anordnung gemäß Fig. 3 zeigt eine ähnliche Struktur einer Vakuumkammer, die die Bezugsziffer 40 besitzt.

Die Vakuumkammer weist einen keramischen Zylinder 41 auf, der an einem Stirnende mit einem Deckel 42 verschlossen ist. Auf der Innenseite des Deckels befindet sich eine Scheibe 43 aus ferromagnetischem Material, die als feststehendes Kontaktstück für die Vakuumkammer dient. Außerhalb des Deckels und mit der Scheibe 43 fluchtend ist ein Permanentmagnet 44 befestigt und über ein topfförmiges Kontaktelement 45, das mit seinem zylindrischen Abschnitt 46 den Permanentmagneten 44 umgibt und an der Außenseite des Deckels 42 befestigt ist, wird der Strom aus der Vakuumkammer ab- oder zugeführt. Das andere Ende ist in ähnlicher Weise wie bei der Anordnung ge­ mäß Fig. 2 mit einem weiteren Deckel 47 verschlossen, der ebenfalls einen Druchbruch 48 zeigt, durch den ein Kontaktstengel 49 aus Kupfermaterial hindurchgeführt ist. Das Innere Ende des Kontaktstengels 49 trägt ein bewegliches Kontaktstück 50 aus ferro­ magnetischem Material. In bestimmten Abstand zu dem Kontaktstück 50 ist zum Schutz der Innenfläche des keramischen Zylinders ein Schirm 51 befestigt; und zwi­ schen dem Schirm 51 und dem Deckel 47 ist ein Faltenbalg 52 angebracht, der die Va­ kuumkammer vakuumdicht verschließt.

Das freie Ende des Kontaktstengels 49 trägt in gleicher Weise wie die Anordnung nach Fig. 2 eine Scheibe 43 aus Kupfer oder Aluminium und dieser Scheibe 53 ist eine Spule 54 zugeordnet, mit der Zuführung 55 und der Abführung 56.

An der Außenfläche der Scheibe 53, mit dem Kontaktstengel 59 fluchtend, ist ein Kop­ pelelement 57 befestigt, dessen freies Ende einen Kopf 58 aus ferromagnetischem Material trägt, der mit einem dem Permanentmagneten 39 gemäß Ausführung nach Fig. 2 entsprechenden Permanentmagneten 59 zusammenwirkt. Die Wirkungsweise bei der Anordnung nach der Fig. 3 ist die gleiche wie bei der gemäß Fig. 2.

Claims (6)

1. Einrichtung zum Löschen eines Störlichtbogens, insbesondere aufgrund eines Phasenkurzschlusses in einer elektrischen Schaltanlage, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen zwei Phasen (R, S; S, T) je eine Vakuumkammer (14, 15) mit schließbaren Kontaktstücken vorgesehen ist, die bei Auftreten eines Störlichtbogens schließt und in die der Strom des Störlichtbogens kommutiert.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vakuum­ kammer eine Zündeinrichtung enthält, mit der bei Auftreten des Störlichtbogens ein Lichtbogen zwischen den Kontaktstücken der Vakuumkammer erzeugt wird, wodurch der Strom des Störlichtbogens in die Vakuumkammer kommutiert, und daß danach die Kontaktstücke geschlossen werden.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Sensor (18) vorgesehen ist, der die Vakuumkammern und/oder die Zündeinrichtung ansteuert.

4. Einrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Antrieb für jede Vakuumkammer vorgesehen ist.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb eine mit dem Kontaktstengel für das bewegliche Kontaktstück verbundene Scheibe (53) trägt, die aus einem Material hergestellt ist, daß darin Wirbelströme erzeugt werden können, und daß der Scheibe (53) eine Spule mit niedriger Induktivität derart zugeord­ net ist, daß bei Auftreten eines Störlichtbogens ein Stromfluß durch die Spule erzeugt wird, so daß sich Wirbelströme in der Scheibe bilden und zwischen der Spule und der Scheibe Abstoßungskräfte erzeugt werden, die die Kontaktstelle in der Vakuumkammer schließen.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß an sich gegen­ überliegenden Enden der Einrichtung Permanentmagnete vorgesehen sind, die die Kontaktstelle in geschlossenem oder in geöffnetem Zustand festhalten.