STELLVORRICHTUNG FÜR EINE VAKUUMSCHALTRÖHRE UND TRENNANORDNUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Stellvorrichtung für eine Vakuumschaltröhre. Überdies betrifft die vorliegende Erfindung eine Trennanordnung zum Trennen eines elektrischen Stromkreises.

In mechanischen Unterbrechungseinheiten von Mittel- und Hochspannungsschaltgeräten werden als Antriebe für das mechanische Öffnen und Schließen des Kontaktsystems heute meist Federspeicherantriebe verwendet. Daraus resultiert eine nötige Mindestmechanik, die die erzielbaren Schaltzeiten beispielsweise auf einen Bereich zwischen 10 und 50 ms begrenzt. Derartige Schaltzeiten sind in elektrischen Trennanordnungen für die Hochspannungsgleichstromübertragung zu gering. Es besteht daher der Wunsch, entsprechende Stellvorrichtungen bereitzustellen, mit denen die Kontakte schneller getrennt werden können. Insbesondere sind hier Schaltzeiten im einstelligen Millisekundenbereich gewünscht.

Um derartige Schaltzeiten realisieren zu können, werden beispielsweise Mikrogasgeneratoren verwendet. Eine andere Möglichkeit besteht darin, entsprechende Explosionsantriebe bereitzustellen. Weiterhin werden elektromagnetische Antriebe für den Mittelspannungsbereich vorgeschlagen. In "Fiber-Controlled Vacuum Interrupter Module Used for Fault Current Interruption" von D. Xiongying et al., veröffentlicht beim XXIV.th International Symposium on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum, Braunschweig, 2010, ist eine Stellvorrichtung für eine Vakuumschaltröhre beschrieben, die einen elektromagnetischen Aktor umfasst, der nach dem Tauchspulenprinzip aufgebaut ist.

Des Weiteren ist in dem Artikel "A DC Hybrid Circuit Breaker With Ultra-Fast Contact Opening and Integrated Gate-Commutated Thyristors (IGCTs)" von J.-M. Meyer et al., veröffentlicht in IEEE Transactions on Power Delivery, Vol. 21, No. 2,2006, ist eine Stellvorrichtung für eine Vakuumschaltröhre beschrieben, die einen elektromagnetischen Aktor umfasst. Die Haltekraft beim Schließen wird hierbei durch die Magnetisierung von Permanentmagneten erzielt. Zum Öffnen wird ein sogenannter Thomson-Aktor verwendet.

Ferner beschreibt die JP 2002 033034 A ein Schaltgerät, welches eine Abstoßungsplatte aufweist, welche zwischen einer Öffnungsspule und einer Schließspule angeordnet ist. Durch Zuführen von Strom zu jeder der Spulen können Kontakte zum Öffnen oder Schließen angetrieben werden. In dem geöffneten Zustand wird eine Umschaltvorrichtung mit einem Öffnungshaltemechanismus gehalten, welcher einen feststehenden Kern, der aus U-förmigen Stahlplatten und einem Permanentmagneten zusammengesetzt ist, und ein magnetisches Material aufweist.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine schnellere und effizientere Stellvorrichtung zum Öffnen und Schließen der Kontakte einer Vakuumschaltröhre bereitzustellen.

Diese Aufgabe wird durch eine Stellvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch eine Trennanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 4 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die erfindungsgemäße Stellvorrichtung für eine Vakuumschaltröhre umfasst ein Verbindungselement, das mit einem elektrischen Kontakt der Vakuumschaltröhre verbindbar ist, eine elektromagnetischen Stelleinrichtung zum Bewegen des Verbindungselements zwischen einer ersten und einer zweiten Stellung, ein Haltejoch, zu dem das Verbindungselement relativ bewegbar ist, und das ein erstes Magnetelement umfasst, wobei das erste Magnetelement in dem Haltejoch einen ersten und einen zweiten Magnetkreis hervorruft, und einen ferromagnetischen Halteanker, der an dem Verbindungselement angeordnet ist, wobei sich der Halteanker in der ersten Stellung des Verbindungselements in dem ersten Magnetkreis und in der zweiten Stellung des Verbindungselements in dem zweiten Magnetkreis befindet, wobei das Verbindungselement in der ersten und in der zweiten Stellung durch eine jeweilige magnetische Kraft zwischen dem Haltejoch und dem Halteanker stabil gehalten ist und die elektromagnetische Stelleinrichtung weist ein zweites Magnetelement und ein relativ zu dem zweiten Magnetelement bewegbares Spulenelement auf, das mit dem Verbindungselement verbunden ist.

Die Stellvorrichtung dient zum Öffnen und Schließen der elektrischen Kontakte einer Vakuumschaltröhre. Die Vakuumschaltröhre weist üblicherweise einen feststehenden und einen beweglichen elektrischen Kontakt auf. Die Stellvorrichtung umfasst ein Verbindungselement, das mit einem elektrischen Kontakt, insbesondere dem beweglichen elektrischen Kontakt, der Vakuumschaltröhre verbunden werden kann. Des Weiteren umfasst die Stellvorrichtung eine elektromagnetische Stelleinrichtung, mit der das Verbindungselement zwischen einer ersten und einer zweiten Stellung bewegt werden kann. Durch das Zusammenwirken des Verbindungselements mit dem Kontakt der Vakuumschaltröhre können die Kontakte der Vakuumschaltröhre in der ersten Stellung des Verbindungselements geöffnet sein und in der zweiten Stellung des Verbindungselements geschlossen sein. An dem Verbindungselement ist ein Halteanker angeordnet, der aus einem ferromagnetischen Material gebildet ist. Des Weiteren umfasst die Stellvorrichtung ein Haltejoch, an dem ein erstes Magnetelement angeordnet bzw. in dem ein erstes Magnetelement integriert ist.

Das Haltejoch ist feststehend zu dem Verbindungselement ausgebildet. Das Verbindungselement kann also relativ zu dem Haltejoch bewegt werden. Das Haltejoch und der Halteanker sind nun derart ausgestaltet, dass sich sowohl in der ersten Stellung als auch in der zweiten Stellung ein magnetischer Kreis entlang des Halteankers, des ersten Magnetelements und des Haltejochs ausbildet. Mit anderen Worten wird eine bistabile Stellvorrichtung bereitgestellt, mit der das Verbindungselement infolge der magnetischen Kräfte in der ersten und der zweiten Stellung stabil gehalten wird. Damit muss keine elektrische Energie aufgebracht werden, um das Verbindungselement in der ersten oder in der zweiten Stellung zu halten. Somit kann die Stelleinrichtung besonders energieeffizient betrieben werden.

Zudem weist die elektromagnetische Stelleinrichtung ein zweites Magnetelement und ein relativ zu dem zweiten Magnetelement bewegbares Spulenelement auf, das mit dem Verbindungselement verbunden ist. Um das Verbindungselement von der ersten Stellung in die zweite Stellung hin und her bewegen zu können, wird eine elektromagnetische Stelleinrichtung verwendet. Die elektromagnetische Stelleinrichtung umfasst ein Spulenelement, das zumindest bereichsweise von einem zweiten Magnetelement umgeben wird. Durch die Polarität des elektrischen Stroms, der durch das Spulenelement fließt, kann eine Bewegung des Spulenelements relativ zu dem zweiten Magnetelement bewirkt werden. Somit kann das Verbindungselement auf einfache Weise bewegt werden. Dabei kann das zweite Magnetelement unter Verzicht auf jegliche ferromagnetische Feldführung ausgebildet sein. Insbesondere kann das zweite Magnetelement nur durch Permanentmagnete gebildet sein. Dabei kann das zweite Magnetelement auch nach Art eines sogenannten Halbach-Arrays ausgebildet sein. Dabei kann das zweite Magnetelement eine Mehrzahl von Permanentmagneten umfassen, deren Magnetisierungsrichtung gegeneinander jeweils um 90° entlang der Erstreckungsrichtung gekippt ist. Somit kann der magnetische Fluss in dem Bereich des zweiten Magnetelements, der das Spulenelement zumindest bereichsweise umgibt, verstärkt werden. Somit kann ein besonders effizienter Stellantrieb zum Bewegen des Verbindungselements bereitgestellt werden.

In einer Ausführungsform sind das erste und das zweite Magnetelement einteilig als eine Magnetvorrichtung ausgebildet. Mit anderen Worten kann das zweite Magnetelement der elektromagnetischen Stelleinrichtung mit dem ersten Magnetelement des Haltejochs kombiniert werden. Dies ermöglicht beispielsweise die Verwendung eines einzigen Permanentmagneten in der Stellvorrichtung.

In einer weiteren Ausgestaltung sind der Halteanker und das Spulenelement einteilig als Spulenvorrichtung ausgebildet. Der Halteanker und das Spulenelement können in einer gemeinsamen, integrierten Spulenvorrichtung bzw. einem Spulen-Assembly kombiniert werden. Dadurch kann Bauraum eingespart werden und das Gewicht der Stellvorrichtung reduziert werden.

Überdies wird erfindungsgemäß bereitgestellt eine Trennanordnung zum Trennen eines elektrischen Stromkreises. Die Trennanordnung umfasst zumindest eine Vakuumschaltröhre, die zwei elektrische Kontakte aufweist, und zumindest eine der zuvor beschriebenen Stellvorrichtungen, wobei das Verbindungselement der zumindest einen Stellvorrichtung mit einem der Kontakte der zumindest einen Vakuumschaltröhre so verbunden ist, dass die Kontakte in der ersten Stellung des Verbindungselements geöffnet und in der zweiten Stellung des Verbindungselements geschlossen sind.

Die Trennanordnung kann zum Trennen einer elektrischen Verbindung, insbesondere einer Hochspannungsverbindung, verwendet werden. Die Trennanordnung umfasst zumindest eine Schaltröhre, die beispielsweise kommerziell verfügbar ist. Eine solche Vakuumschaltröhre kann beispielsweise eine Bemessungsspannung von 24 kW Wechselspannung, einen Bemessungsbetriebsstrom von 2 kA und ein bewegtes Kontaktstück von 0,9 kg Masse aufweisen. Das Verbindungselement der Stellvorrichtung ist direkt mit dem beweglichen Kontakt der Vakuumschaltröhre verbunden. Damit kann ein Direktantrieb für die Vakuumschaltröhre bereitgestellt werden und damit bedarf es keiner zusätzlichen Bauteile, die eine zusätzliche bewegte Masse bedeuten würden.

In einer Ausführungsform umfasst die Trennanordnung eine Steuervorrichtung zum Steuern eines durch das Spulenelement der zumindest einen Stellvorrichtung fließenden elektrischen Stroms, die dazu ausgebildet, den durch das Spulenelemente fließenden elektrischen Strom zu reduzieren, falls sich das Verbindungselement der ersten oder zweiten Stellung nähert. Mit der Steuervorrichtung der Trennanordnung kann der elektrische Strom, der durch das Spulenelement fließt, angepasst werden. Somit kann die Bewegung des Verbindungselements, das mit dem Spulenelement mechanisch fest verbunden ist, auf einfache Weise gesteuert werden. Durch den einfachen Aufbau der elektromagnetischen Stelleinrichtung können besonders schnelle Schaltzeiten erreicht werden. So kann die elektromagnetische Stelleinrichtung derart angesteuert werden, dass über die Bewegung des Verbindungselements die elektrischen Kontakte der Vakuumschaltröhre in einer formgebenden Zeitdauer, beispielsweise 2 ms, einen vorgegebenen Weg, beispielsweise 4 mm, zurücklegen.

Wenn das Verbindungselement von einer der Stellungen in die andere bewegt werden soll, kann zunächst die Stromstärke in dem Spulenelement erhöht werden. Dadurch kann das Verbindungselement beschleunigt werden. Wenn sich das Verbindungselement der ersten oder der zweiten Stellung nähert, kann die Stromstärke in dem Spulenelement wieder reduziert werden. Dadurch wird die Bewegungsgeschwindigkeit des Verbindungselements reduziert. Dabei kann es auch vorgesehen sein, dass die Polarität des elektrischen Stroms, der durch das Spulenelement fließt, umgekehrt wird. Somit wird eine der Bewegungsgeschwindigkeiten des Verbindungselements entgegengesetzt gerichtete Bremskraft erzeugt. Somit kann verhindert werden, dass der Halteanker in einer der Stellungen gegen das Haltejoch stößt und somit das Haltejoch oder der Halteanker beschädigt werden oder im Dauerbetrieb abgenutzt werden.

Bevorzugt umfasst die Steuereinrichtung eine Brückenschaltung mit Halbleiterschaltern. Die Brückenschaltung kann insbesondere als Vollbrücke bzw. H-Brücke ausgebildet sein. Als Halbleiterschalter können MOSFET-Transistoren oder IGBTs verwendet werden. Somit kann eine energieeffiziente Ansteuerung des Spulenelements erreicht werden.

In einer weiteren Ausgestaltung weist die Trennanordnung ein Dämpfungselement zum Verringern einer Bewegungsgeschwindigkeit des Verbindungselements auf. Zusätzlich zu der elektrischen Ansteuerung können in der Trennanordnung mechanische oder hydraulische Dämpfer vorgesehen sein, mit denen die Bewegungsgeschwindigkeit des Verbindungselements in einem jeweiligen Bereich der ersten oder zweiten Stellung des Verbindungselements reduziert wird. Als Dämpfungselement kann insbesondere ein mechanischer oder hydraulischer Dämpfer verwendet werden, der die Bewegungsenergie des Verbindungselements im Wesentlichen in Reibungswärme umsetzt. Damit kann die Bewegung des Verbindungselements auf einfache Weise gebremst werden.

In einer weiteren Ausgestaltung weist die Trennanordnung ein Notschaltelement zum Schließen der Kontakte der Vakuumschaltröhre auf. Im Falle eines Schaltversagens, d.h. wenn die Vakuumschaltröhre durch einen Defekt der elektromagnetischen Stelleinrichtung nicht geschlossen werden kann, kann eine Notbetätigung implementiert werden. Das dazu verwendete Notschaltelement kann entweder durch ein Pyroelement oder durch eine gespannte Feder gebildet sein, die entriegelt wird. Somit kann die Vakuumschaltröhre im Notfall auf einfache Weise wieder geschlossen werden.

In einer Ausführungsform umfasst die Trennanordnung zwei Stellvorrichtungen und zwei Vakuumschaltröhren, wobei die Steuereinrichtung dazu ausgebildet ist, den durch das Spulenelement der ersten der zwei Stellvorrichtungen und den durch das Spulenelement der zweiten der zwei Stellvorrichtungen fließenden elektrischen Strom zeitlich versetzt zueinander zu steuern. Beispielsweise können die elektromagnetischen Stelleinrichtungen der beiden Stellvorrichtungen gegenläufig geschaltet werden. Durch die Impulsneutralität nach außen kann eine gute mechanische Stabilität erreicht werden.

Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1

eine Trennanordnung in einer schematischen Darstellung;

Fig. 2

eine Steuereinrichtung der Trennanordnung;

Fig. 3

den zeitlichen Verlauf einer Position eines Kontakts einer Vakuumschaltröhre der Trennanordnung;

Fig. 4

einen zeitlichen Verlauf einer Geschwindigkeit des Kontakts;

Fig. 5

einen zeitlichen Verlauf der Stromstärke durch ein Spulenelement der Trennanordnung;

Fig. 6

einen zeitlichen Verlauf der elektrischen Spannung an einem Kondensator der Steuereinrichtung;

Fig. 7

eine Trennanordnung in einer zweiten Ausführungsform; und

Fig. 8

eine Trennanordnung in einer dritten Ausführungsform.

Die nachfolgend näher geschilderten Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar.

Fig. 1 zeigt eine Trennanordnung 10 in einer schematischen Darstellung. Die Trennanordnung 10 umfasst eine Vakuumschaltröhre 12. Die Vakuumschaltröhre 12 dient zum Trennen einer elektrischen Verbindungsleitung, insbesondere einer elektrischen Hochspannungsleitung. Die Vakuumschaltröhre 12 umfasst einen feststehenden Kontakt 14 und einen beweglichen Kontakt 16. Des Weiteren umfasst die Trennanordnung 10 eine Stellvorrichtung 18. Die Stellvorrichtung 18 umfasst ein Verbindungselement 20, das mit dem beweglichen Kontakt 16 und der Vakuumschaltröhre 12 mechanisch verbunden ist. Durch eine Bewegung des Verbindungselements 20 kann der bewegliche Kontakt 16 bewegt werden, also die Vakuumschaltröhre 12 geöffnet oder geschlossen werden.

Des Weiteren umfasst die Stellvorrichtung 18 zwei Haltejoche 22. Jedes Haltejoch 22 ist feststehend an dem Verbindungselement 20 angeordnet. An dem Haltejoch 22 ist ein erstes Magnetelement 24 angeordnet. Das erste Magnetelement 24 kann durch einen Permanentmagneten gebildet sein. Das erste Magnetelement 24 kann auch in das jeweilige Haltejoch 22 integriert sein. Zudem umfasst die Stellvorrichtung 18 einen Halteanker 26, der mit dem Verbindungselement 20 mechanisch verbunden ist. Entlang des Halteankers 26, des ersten Magnetelements 24 und des Haltejochs bildet sich in einer ersten, hier dargestellten, Stellung des Verbindungselements 20 ein erster geschlossener Magnetkreis aus. In der vorliegenden ersten Stellung sind die elektrischen Kontakte 14, 16 der Vakuumschaltröhre 12 geöffnet.

Um die Kontakte 14, 16 der Vakuumschaltröhre 12 zu schließen, muss das Verbindungselement 20 von der ersten Stellung in eine zweite Stellung bewegt werden. Dazu wird die elektromagnetische Stelleinrichtung 28 verwendet. Die elektromagnetische Stelleinrichtung 28 umfasst ein zweites Magnetelement 30. Das zweite Magnetelement 30 umfasst eine Mehrzahl von Permanentmagneten 32. Vorliegend umfasst das zweite Magnetelement 30 zwei zueinander räumlich getrennte Anordnungen von Permanentmagneten 32. Die Magnetisierungsrichtung der jeweiligen Permanentmagnete ist durch die Pfeile 34 gekennzeichnet. Des Weiteren umfasst die elektromechanische Stellrichtung 30 ein Spulenelement 36. Das Spulenelement 36 ist mechanisch mit dem Verbindungselement 20 verbunden. Die Permanentmagnete 32 sind dabei so angeordnet, dass sie das Spulenelement 36 zumindest bereichsweise umgeben. Das Spulenelement 36 weist entsprechende Wicklungen 38 auf, die sich in dem Bereich, in dem sie von dem Permanentmagneten 32 umgeben werden, senkrecht zu der Magnetisierungsrichtung der Permanentmagnete 32 erstrecken.

Des Weiteren umfasst die Trennanordnung 10 eine Steuereinrichtung 40. Mit der Steuereinrichtung 40 kann der elektrische Strom in dem Spulenelement 36 gesteuert werden. Wenn das Spulenelement 36 mit einem elektrischen Strom einer ersten Polarität beaufschlagt wird, wird das Verbindungselement 20 von der ersten Stellung in die zweite Stellung bewegt. Wenn das Spulenelement 36 mit einer Stromstärke einer zweiten Polarität beaufschlagt wird, wird das Verbindungselement von der zweiten Stellung wieder in die erste Stellung bewegt.

Fig. 2 zeigt eine Schaltungsanordnung der Steuereinrichtung 40. Die Steuereinrichtung 40 umfasst eine Brückenschaltung 42, die als H-Brücke bzw. Vollbrücke ausgebildet ist. Die Brückenschaltung 42 umfasst die Halbleiterschaltelemente, die beispielsweise als Transistoren oder IGBTs ausgebildet sind, und die jeweils eine invers geschaltete Diode 46 umfassen. Des Weiteren umfasst die Brückenschaltung 42 einen Kondensator 48, der über eine Vorladeeinrichtung 50 gespeist wird. Durch die Brückenschaltung 42 kann der elektrische Strom durch das Spulenelement 36 einfach angepasst werden.

Fig. 3 zeigt den Verlauf 52 der Position p des beweglichen Kontaktelements 16 in Abhängigkeit von der Zeit t. Im Betrieb der Stellvorrichtung 18 soll das Verbindungselement 20 derart angesteuert werden, dass der bewegliche Kontakt 16 ausgehend von der ersten Position in die zweite Position zunächst beschleunigt wird. Vor dem Erreichen der zweiten Stellung muss die Geschwindigkeit v des zweiten Kontaktelements reduziert werden. Dies ist in Fig. 4 in dem Verlauf 54 dargestellt. Dadurch kann verhindert werden, dass das Verbindungselement 20 bzw. der Halteanker 26 in der zweiten Stellung in das Haltejoch 22 stößt. Zu diesem Zweck wird der elektrische Strom, der durch das Spulenelement 36 fließt, zunächst erhöht. Anschließend wird die Polarität des elektrischen Stroms umgekehrt, wodurch eine der Bewegungsgeschwindigkeit v des beweglichen Kontakts 16 entgegengesetzt gerichtete Bremskraft erzeugt wird. Der zeitliche Verlauf der elektrischen Stromstärke I durch das Spulenelement ist durch den Verlauf 56 in Fig. 5 gezeigt. Fig. 6 zeigt im Verlauf 58 die elektrische Spannung U an dem Kondensator 48.

Fig. 7 zeigt die Trennanordnung 10 in einer weiteren Ausführungsform. Die Trennanordnung 10 umfasst ein Notschaltelement 60. Das Notschaltelement 60 kann ein Pyroelement oder eine gespannte Feder umfassen. Im Notfall, d.h. bei einem Versagen der elektromagnetischen Stelleinrichtung 28, kann mit Hilfe der Notschalteinrichtung 60 das Verbindungselement 20 von der ersten Stellung in die zweite Stellung bewegt werden. Somit können die elektrischen Kontakte 14, 16 geschlossen werden.

Schließlich zeigt Fig. 8 eine weitere Ausführungsform einer Trennanordnung 10. Die hier dargestellte Trennanordnung 10 umfasst zwei Vakuumschaltröhren 12, 12', die jeweils, wie zuvor im Zusammenhang mit Fig. 1 erläutert, mit einer Stellvorrichtung 18 und 18' verbunden sind. Vorliegend wird nur eine Steuereinrichtung 40 verwendet, mit der sowohl das Spulenelement 36 als auch das Spulenelement 36' der zweiten Stellvorrichtung 18' angesteuert werden können. Dabei können durch die Ansteuerung der Spulenelemente 36, 36' der Steuervorrichtung 40 die elektromagnetische Stelleinrichtungen 30, 30' der ersten Stellvorrichtung 18 und der zweiten Stellvorrichtung 18' gegenläufig geschaltet werden. Durch die Impulsneutralität kann eine gute mechanische Stabilität erreicht werden.