DRIVING SYSTEM FOR ELECTRIC TWO-POSITION BREAKERS IN MEDIUM AND HIGH VOLTAGE SWITCH GEARS

Abstract: 1. A drive system for electric two-position breakers in medium and high voltage switching installations with repeated deflections of the operating shaft by articulated connections, one of which is designed as a rotary pivot joint (10-16) characterised by the combination of the rotary pivot joint (10 to 16) allotted to the switch (3) with non-linear course for the moment of rotation and angular velocity depending on the angle of rotation, and at least one further angled joint (18 to 24) which is arranged between the first joint and the operating element (8) and is connected to the first joint by means of a coupling shaft (7), and which has a non-linear course for the moment of rotation in dependence on the angle of rotation, in such a mutual assignment of the two angle joints that, in that region of the angle of rotation in which the rotary pivot joint (10 to 16) reaches its minimum moment of rotation, the further angle joints (18 to 24) pass through the maximum value of their moment of rotation.

Description: Antriebssystem für elektrische Zwei-Stellungs-Schalter in Mittel- und Hochspannungsschaltanlagen Die Erfindung betrifft ein Antriebssystem der im Oberbegriff des Anspruchs 1 näher bezeichneten Art. Solche Antriebssysteme dienen dazu, Trennschalter, Leistungstrennschalter oder Erdungsschalter in Mitteispan- nungs- und Hochspannungsschaltanlagen zu betätigen. Nachdem die Schalterwellen selten unmittelbar vom Inneren der Schaltanlage nach aussen in den gesicherten Be- reich geführt werden können, ergibt sich praktisch immer die Notwendigkeit, zwischen der Schalterantriebswelle und dem Betätigungsort wenigstens ein Winkelgetriebe vorzusehen, welches die Antriebswelle einmal um 0 einen Winkel von etwa bis zu 90 umlenkt. Vor allem bei in geschlossenen Schaltzellen untergebrachten Schaltgeräten im Mittelspannungsbereich sind die Einbauverhältnisse häufig so kompliziert, dass sich die Schalterantriebswelle und das Betätigungselement in unterschiedlichen Ebenen befinden, so dass zwei Winkelgetriebe erforderlich sind. Dabei wird die Betätigungswelle im allgemeinen durch die Frontwand der Schaltzelle hindurch nach aussen geführt. Die Betätigung erfolgt mit Hilfe eines abziehbaren Schlüssels in Form eines abgewinkelten Hebels, der in eine Hülse der Betätigungswelle einsteckbar ist. Die Betätigungswelle ist mit Anzeigemitteln und mit einem Meldeschalter versehen, um zu erreichen, dass Störungsfälle angezeigt werden und gegebenenfalls entsprechende Blockierungsmittel in Funktion treten, die ein unzulässiges Schalten verhindern. Häufig wird als Betätigungselement anstelle eines handbetätigten Schlüssels aber auch ein Motorantrieb verwendet. Ein solcher Motorantrieb ist dann besonders einfach zu gestalten, wenn für die Schalterbetätigung keine Hin- und Herbewegung notwendig ist, sondern das Ein- und Ausschalten in einer einzigen Antriebs-Drehrichtung erfolgen kann. Um dies zu erreichen, muss eines der Winkelgetriebe als Dreh-Schwing-Gelenk ausgebildet sein. Ein solches Gelenk für den Antrieb eines Trennschalters mit einem Ubersetzungsverhältnis von 2 : 1 ist als sogenanntes Kugelgelenk bereits bekannt. Dabei beträgt der Winkel zwischen den Achsen der Betätigungs- und der Schalterantriebswelle etwa 900. Vorteilhaft bei derartigen Dreh-Schwing-Gelenken ist neben der Möglichkeit des Ein-Richtungs-Antriebs und ihrem verhältnismässig einfachen Aufbau, der eine hohe Betriebssicherheit bei verhältnismässig geringem Aufwand gewährleistet, der Umstand, dass der nichtlineare Verlauf des Drehmoments und der Winkelgeschwindigkeit in Abhängigkeit vom Drehwinkel speziell die Betätigung von Trenn- und/oder Erdungaschaltern begünstigt. Solche Schalter benötigen in ihren Endbereichen ein hohes Drehmoment bei niedriger Drehgeschwindigkeit. Dieser Forde rung kommen Dreh-Schwing-Gelerie mit ihrem langsamen (tangentialen) Einlaufen in die Enstellungen entgegen. Ausserdem ergibt sich in den beiden Endstellungen ein gewisser Sperreffekt gegen Rückdrehmomente vom Schaltgerät her (Kurzschlusskräfte, Erschütterungen). Ferner resultiert aus dem raltiv langen Einlaufweg in die Endstellungen ein ausreichend grosser Ansprechwinel für die Meldeschalter. Nachteilig wirkt sich bei solchen Getrieben, vor allem wenn sie zum Antrieb von Leistungstrennschaltern dienen, das starke Absinken des Drehmomentes im mittleren Schwenkwinkelbereich deshalb besonders aus, weil diese Schalter ein Federspannwerk besitzen, das gerade im mittleren Schwenkwinkelbereich sein grösster Drehmoment verlangt. Aus diesem Grunde waren die wegen des günsti- gen Verlaufes der Winkelgeschwindigkeit in Abhängigkeit von Drehwinkel an sich für den Schalterantrieb optimalen Dreh-Schwing-Gelenke bisher nur begrenzt brauchbar. Vor allem bei mehrfacher Umlenkung der Antriebswelle mit mindestens einem weiteren Winkelgetriebe war eine Anwendung solcher Antriebssysteme bei Leistungstrennschal- tern nicht mehr möglich. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Antriebssystem zu schaffen, mit dem es möglich ist, die Vorteile des Dreh-Schwing-Gelenks im Hinblick auf den günstigen Verlauf der Winkelgeschwindigkeit in Abhängigkeit von Drehwinkel weiterhin zu nutzen, seinen Hauptnachteil, nämlich den starken Einbruch seines Drehmomentes im mittleren Schwenkbereich, jedoch zu vermeiden. Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebene Erfindung gelöst. Dadurch ist erreicht, dass sich weder an dem gewünschten Übersetzungsverhältnis von 2 : 1, noch an dem günstigen Verlauf der Winkelgeschwindigkeit in Abhängigkeit vom Drehwinkel etwasgeändert hat. Vielmehr ist durch die Verwendung eines weiteren nichtlinearen Winkelgelenkes in Form eines Kardangelenks erreicht, dass durch entsprechende Zuordnung der beiden Winkelgelenke der unerwünschte Einbruch des Drehmoments im mittleren Schwenkbereich vermieden ist, so dass ein derart gestaltetes Antriebssystem auch für Leistungstrennschalter verwendet werden kann. Durch die im Patentanspruch 2 angegebene Weiterbildung der Erfindung ist mit verhältnismässig einfachen Mitteln eine nahezu vollständige Kompensation des Drehmomenteinbruchs im mittleren Bereich erreicht. Durch die weitere Ausgestaltung gemäss Patentanspruch 3 ergibt sich eine hohe Flexibilität der konstruktiven Gestaltung dadurch, dass weder die Antriebs- noch die Abtriebswelle des Kardangelenks einzeln gelagert sein müssen und daher in ihrer gegenseitigen Winkellage nicht von vornherein festgelegt sind. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand von Zeichnungen im folgenden näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 die Prinzipdarstellung einer Mittelspannungs Schaltzelle mit einem von Hand zu betätigendes Antriebssystem für einen Trennschalter, Fig. 2 und 3 Einzeldarstellungen der beiden in Fig. 1 schematisch dargestellten Winkelgelenke des An triebssystems. Die in Fig. 1 schematisch dargestellte Mittelspannungs Schaltzelle 1 enthält ein Doppel-Sammelschienensystem mit Trennschaltern, lelstungstrenn- und Erdungsschaltern. Zur besseren uebersicht sind lediglich ein einziger Bam- melschienensystem 2 sowie ein Trennschalter 3 mit einem Antriebssystem für das Schaltmesser 4, bestehend aus einem in Fig. 2 näher dargestellten Dreh-Schwing-Gelenk 5, einem in Fig. 3 näher dargestellten Doppel-Kardangelenk 6, die über eine Kupplungswelle 7 miteinander verbunden sind, sowie einem steckbaren Schaltschlüssel 8 für den Handantrieb dieses Antriebssystems gezeigt. Der SchaltschlUssel 8 kann auch durch einen Motorantrieb ersetzt werden. Das Dreh-SchwiRg-Gelenk 5 transformiert den Schwenkwinkel der Betätigungswelle von 1800 in einen Drehwinkel der Antriebswelle des Schaltmessers 4 (Schaltantriebswelle) von 900. Ausserdem ist dieses Gelenk so gestaltet, dass es eine kontinuierliche Drehbewegung der Betätigungswelle in eine Schwingbewegung der Schalterantriebswelle mit einem Schwingwinkel von 900 umwandelt, was zur Folge hat, dass die Betätigungswelle zum Ein- und Ausschalten des Trennschalters 3 wahlweise hin und her oder in der gleichen Drehrichtung bewegt werden kann. Letzteres bewirkt bei Verwendung eines Motorantriebes eine erhebliche steuerungstechnische Vereinfachung. Das in Fig. 2 dargestellte Dreh-Schwing-Gelenk besitzt antriebsseitig eine Hülse 9, in deren zentrische gefiederte Bohrung 10 die mit entsprechenden Nuten versehene Kupplungswelle 7 (Fig. 1) einsteckbar ist. Die Hülse 9 besitzt am gegenüberliegenden Ende der Bohrung 10 eine Nase 11, die in einem Winkel von 450 zur Zentralachse der Bohrung 10 diagonal abgefast ist. In diese diagonale Fläche der Nase 11 ist ein Zapfen 12 so eingelassen, dass seine Zentralachse mit der Zentralachse der Bohrung 10 einen Winkel von etwa 450 bildet. Auf dem Zapfen 12 ist eine Buchse 13 drehbar gelagert. Diese besitzt in einem Winkel von 900 zu ihrer Drehachse etwa in der Mitte ihrer Längsausdehnung gegenüberliegend angeordnete Gelenkzapfen 14, auf denen eine Schwinggelenkgabel 15, die mit einer Kupplungsplatte 16 fest verbunden ist, schwenkbar gelagert ist. Ein solches Dreh-Schwing-Gelenk setzt die Drehbewegung der Hülse 9 von 1800 in eine Schwenkbewegung der Kupplungsplatte 16 von 900 um. Mit einem solchen Gelenk kann also eine kontinuierliche Drehbewegung der Hülse 9 und damit der Kupplungswelle (7) (Fig. 1) in eine Schwingbewegung der Kupplungsplatte 16 von 900 umgesetzt werden. Eine Hin- und Herbewegung der Kupplungswelle (7) um 1800 führt zu dem gleichen Ergebnis. Durch diese beiden Möglichkeiten ist sowohl ein Handantrieb, bei dem eine Schwenkbewegung von 1800 bevorzugt wird, wie auch ein in einer einzigen Drehrichtung betriebener, entsprechend gesteuerter Motor einsetzbar. Aus dem theoretischem Maschinenbau ist es bekannt, dass sich das Antriebsdrehmoment eines solchen Dreh-Schwing Gelenks in Abhängigkeit vom Drehwinkel des Antriebes ändert. In der in Fig. 2 dargestellten Position erreicht das Antriebsdrehmoment ein Maximum während es in einem Winkel von 900 dazu ein Minimum durchläuft. Die Winkelgeschwindigkeit verhält sich umgekehrt dazu. Für den praktischen Betrieb bedeuet dies, dass sich das Schaltmesser 4 bei gleicher Winkelgeschwindigkeit der Betä tigungawelle langsam aus seiner in Fig. 1 dargestellten Lage mit zunehmender Geschwindigkeit zur Mitte hin bewegt, um dann mit stetig abnehmender Geschwindigkeit die andere Endstellung zu erreichen. Das Drehmoment hat den umge- kehrten Verlauf. Dieser nichtlineare Verlauf ist bei einem Trennschalter deswegen besonders günstig, weil das Schaltmesser im letzten Teil seiner Einschaltbewegung wegen der verhältnismässig hohen Reibungskräfte die bei der Berührung mit dem Gegenkontakt 17 auftreten, sein grösster Drehmoment benötigt. Durch die gleichzeitig auftretende grosse Untersetzung zwischen Betätigungswelle und Schaltantriebswelle wird darüberhinaus ein hohes Mass an Schaltsicherheit und ein ausreichender Schaltweg für einen Meldeschalter erreicht. Wenn nun, beispielsweise durch eine Anordnung von Schalterantriebswelle und Betätigungswelle in unterschiedlichen Ebenen eine weitere Umlenkung innerhalb des An triebs systems erforderlich wird, besteht die Notwendigkeit, eine zusätzliche Gelenkverbindung in das Antriebssystem einzufügen. Diese muss aber im Gegensatz zu dem vorbeschriebenen Dreh-Schwing-Gelenk (Fig. 23 die Bewe gung im Verhältnis 1 : 1 übertragen. Durch die hin2u- tretenden Reibungsverluste wird nun der Verlauf des Drehmomentes des Antriebssystems in Abhängigkeit vom Drehwinkel im mittleren Bereich ohne weitere Massnahmen so ungünstig, dass zwar noch ein Trennschalter, nicht jedoch ein Leistungstrennschalter betätigt werden kann. Hier setzt nun die Erfindung ein, derzufolge als weitere Gelenkverbindung ebenfalls eine solche mit nichtlinearer Abhängigkeit des Drehmomentes vom Drehwinkel benutzt wird. Als für diesen Zweck besonders geeignet hat sich eine Kardangelenkverbindung erwiesen, deren Antriebsgabel in den Endstellungen des Schalters in der Beugungsebene des Gelenks angeordnet ist. Für manche Anwendungsfälle reicht eine einfache Gelenkverbindung dieser Art aus. Eine nahezu vollständige Kompensation des ungünstigen Drehmomentverlaufs des in Fig. 2 dargestellten Dreh-Schwing-Gelenks nach Verlauf und Grösse in Abhängigkeit von Drehwinkel wird erreicht durch die Anwendung eines Doppel-Eardan-Gelenks, wenn es, wie in Fig. 3 dargestellt, so gestaltet ist, dass die beiden Gelenke nicht gleichlaufend, sondern ungleichlaufend, d.h. in einem Winkel von 900 gegegeneinander versetzt angeordnet sind. Darüberhinaus bietet ein solches Doppel-Kardan-Gelenk die Möglichkeit einer zentralen Lagerung der Zwischenwelle 18y so dass die Positionen von Antriebswelle und Abtriebswelle, deren Winkelstellung zueinander etwa zwischen 450 und 900 betragen sollte, im übrigen frei wählbar sind. Ein solches Doppel-Kardan-Gelenk besteht gemäss Fig. 3 aus der Antriebsgabel 19 mit der -Antriebshülse 20, welche eine Öffnung für das Einstecken des Betätigungsschlüssels 8 besitzt, einer Abtriebsgabel 21 mit der Ab triebshülse 22, die ebenfalls eine gefiederte Bohrung zum Einstecken der Kupplungs-Nutwelle 7 besitzt, sowie einer Zwischenwelle 18-mit der Antriebs-Zwischengabel 23 und der Abtriebszwischengabel 24. Beide Gabeln sind in einem Winkel von 900 gegeneinander verdreht angeordnet. Die Zwischenwelle 18 ist in einem Doppel-Rollenlager 25 drehbar gelagert, das über einen Lagerring 26 mit einem Lagerbock 27 verschraubt ist, der über einen Halterungswinkel 28 an der Gehäusewand 29 der Schaltzelle 1 befestigt ist. Das aus den vorgenannten Elementen gebildete Antriebssystem bietet wenn es entsprechend der Darstellung in Fig. 1 so ausgeführt ist, dass das Dreh-Schwing-Gerenk seine Drehmoment-Maxima in den Endstellungen des Schalters und das Doppel-Kardan-Gelenk in diesen Stellungen seine Drehmoment-Minima erreicht, eine Vielzahl konstruktiver Gestaltungsmöglichkeiten und ist wegen seines nahezu linearen Drehmomentverlaufs über den gesamten Schaltwinkel sowohl für Trennschalter wie für Lei- stungsschalter und Erdungsschalter brauchbar. Dartiber- hinaus ist es unabhängig von der Drehrichtung der Betä- tigungswelle und sowohl im kontinuierlichen Rechtsoder Links lauf wie auch mit wechslenden Drehrichtungen beim Ein- und Ausschalten, etwa durch einen Handhebel, betätigbar. Die Gelenke selbst sind handelsübliche, verhältnismässig preiswerte und nahezu wartungsfreie Bauelemente. 3 Patentansprüche 3 Figuren

Claims: Patentansprüche 1. Antriebssystem für elektrische Zwei-Stellungs-Schalter in Mittel- und Hochspannungsschaltanlagen mit mehrfacher Umlenkung der Betätigungswelle durch Gelenkverbindungen, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h die Kombination eines dem Schalter (3) zugeordneten Dreh Schwing-Gelenks (10 bis 16) mit nichtlinearem Verlauf von Drehmoment und Winkelgeschwindigkeit in Abhängigkeit vom Drehwinkel und wenigstens eines weiteren zwischen dem ersten Gelenk und dem Betätigungselement (8) angeordneten, über ene Kupplungswelle (7) mit dem ersten Gelenk verbundenen weiteren Winkelgelenks (18 bis 24) mit nichtlinearem Verlauf des Drehmoments in Abhängigkeit vom Drehwinkel in einer solchen gegenseitigen Zuordnung beider Winkelgelenke, dass in demjenigen Drehwinkelbereich, in dem ins Dreh-Schwing-Gelenk (10 bis 16) sein minimales Drehmoment erreicht, die weiteren Winkelgelenke (18 bis 24) den Maximalwert ihres Drehmoments durchlaufen. 2. Antriebssystem nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass als weiteres Winkelgelenk ein Doppel-Kardan-Gelenk gewählt ist, dessen einander zugewandte Gabeln (23, 24) an einer Zwischenwelle (18) in einem Winkel von wenigstens angenähert 900 gegeneinander verdreht befestigt sind und bei der der Umlenkwinkel etwa zwischen 450 und 900 beträgt. 3. Antriebssystem nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Zwischenwelle (18) an einem an der Schaltanlage befestigten Halterungswinkel (26, 27, 28) drehbar gelagert ist.

Inventors: KOHLER, ARNO, SILBERMANN, ERICH
Applicants: SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT BERLIN UND MUNCHEN
Application year: 1984
Main classification: H01H33
IPC codes: H01H3