SE518322C2 - Elektrisk brytare, samt anläggning, användning och förfarande där sådan utnyttjas - Google Patents

Description

:unn- 25 n n | ~ .s 51 8 322 2 mens karakteristik. Rörelsemönstret hos den rörliga kontakten kan inte ändras av användaren eftersom det är förutbestämt av anordningens konstruktion. Det inne- bär att då till- eller frånslagstjädern utlöses så kommer den rörliga kontakten att följa en förutbestämd rörelseprofil. Dessutom kommer den mängd energi som till- förs den rörliga kontakten av manövreringsorganet vid manövreringsrörelse att va- ra bestämd en gång för alla. Det är därför ej möjligt att göra någon anpassning av den rörliga kontaktens rörelse till det slag av öppnande eller stängande som er- fordras i det enskilda fallet. Ej heller kan rörelsens hastighet eller acceleration sty- ras.

Användandet av fiädermanöverdon har dessutom en inbyggd dålig preci- sion eftersom ett sådant innefattar ett förhållandevis stort antal komponenter. Det stora antalet komponenter medför dessutom att det är nödvändigt att initialt justera manövreringsorganet vilket är komplicerat och därmed tidskrävande. Den dåliga precisionen i positioneringen av den rörliga kontakten och frånvaron av möjlighet att kontrollera rörelsen medför även att dämpningsanordningar kan behövas vid slutet av öppnings- eller slutningsförloppet för att undvika okontrollerade mekanis- ka stötar. Ytterligare en nackdel är den höga ljudnivån hos ett fjädermanövrerings- don. Detta kan medföra behov av att ljudisolera manövreringsorganets hus. På grund av det stora antalet komponenter i ett tjädermanövreringsdon erfordras även regelbunden service för att bibehålla anordningens funktion och för att kompense- ra variationer hos den rörliga kontakten orsakade av slitage och åldrande. Slutli- gen har ett fjädermanövreringsdon förhållandevis lång tidsfördröjning från det att manövreringskommando givits till det att den rörliga kontakten börjar sin rörelse.

Det är vidare förut känt att utforma manövreringsorgan av hydraulisk typ, vid vilken den rörliga kontaktens rörelse åstadkoms medelst hydraulik. Ett sådant kan undanröja en del av de nackdelar som vidhäftar en tjädermanövrerad brytare.

Ett hydrauliskt manövreringsorgan har dock andra nackdelar på grund av närvaro av hydraulvätska. Vätskans viskositet är ofta temperaturberoende vilket påverkar funktionen och rörelseprofilen. Vidare finns risken för läckage av hydraulvätska till omgivningen. Problemet med hög ljudnivå och regelbunden service föreligger även vid en hydrauliskt manövrerad brytare. Även elektromagnetiskt manövrerade brytare är förut kända. Vid elektro- magnetiskt manövreringsorgan åstadkoms manövreringskraften endera genom Lorentz-kraft eller genom samverkande magnetiska fält från elektromagneter. Lo- 113)» 51 8 322 3 rentz-kraften är den kraft som verkar på en strömförande ledare när den är place- rad i ett magnetiskt fält. Principen tillämpas vid exempelvis en högtalarspole och det är förut känt att använda en sådan i ett brytarmanövreringsorgan, t ex vid va- kuumbrytare. En sådan högtalarspole beskrivs i PCT/US 96/07114. En stor nack- del med en sådan är dock att slaglängden blir förhållandevis liten. Användningen av en sådan för brytarmanövrering är därför begränsad till brytare med kort slag- längd.

En magnetisk manövreringsanordning utnyttjar ett flertal elektromagneter för att manövrera den rörliga kontakten hos en brytare. Arbetsprincipen är att en med den rörliga kontakten förbunden elektromagnet förflyttar sig mellan två ändlä- gen varvid ett luftgap i en magnetisk krets stängs eller vidgas. Ett exempel på en sådan anordning beskrivs i PCT/SE 96/01341. Vid den kända anordningen är bryt- arens rörliga kontakt förbunden med en rotor som har ett flertal rotationssymme- triskt anordnade järnarmaturer. Den roterande anordningen är anordnad i en yttre stationärjärnkärna. Den senare är försedd med spolar. Då dessa matas med ström roterar rotorn mellan två ändlägen vid vilka armaturens elektromagnetiska polytor kommer i kontakt med de hos lärnkärnan. Vid rotationsrörelsen kommer en arm vid vardera armatur att röra sig in i vardera spole så att ett luftgap mellan polytorna stängs eller vidgas. För att åstadkomma tillräcklig slaglängd så måste Iuftgapet vara stort. Eftersom ett stort luftgap leder till hög magnetisk energi erford- ras stor energi för att driva den elektromagnetiska manövreringsanordningen. Ef- tersom vidare ett stort luftgap skall magnetiseras blir tidsfördröjningen stor. Liksom vid manövreringsorgan som har en högtalarspole är slaglängden begränsad.

Den energi som ett manövreringsorgan levererar till den rörliga kontakten motsvarar manövreringskraften gånger slaglängden eller, vid roterande manövre- ring, momentet gånger vinkelrörelsen. Vid kända elektromagnetiska manövrerings- organ är slaglängden eller cirkelrörelsen på förhand begränsad eftersom rörelsen har ändlägen. För att leverera en tillräcklig mängd energi till den rörliga kontakten måste därför kraften per rörelse vara mycket stor. Detta har gjort att kända elekt- romagnetiska manövreringsorgan är förhållandevis stora, klumpiga och dyra. Det- ta gäller framför allt då hög energi erfordras för den rörliga kontaktens rörelse vil- ket är fallet då brytaren används för högspänning. 20 25 30 518 322 4 Slutligen är det förut känt att utföra en brytare som manövreras medelst en roterande elektrisk motor. Sådana beskrivs exempelvis i US 4,913,380, EP O 772 214 och WO 00/36621.

Redogörelse för uppfinningen Vid manövrering av brytaren, d v s frånslag vid brytning av strömmen eller tillslag vid slutning av strömmen är förloppet mycket kort. Manövreringsrörelsen vid frånslag är i storleksordningen 40-60 ms. Vid tillslag medges en något längre manövreringstid. Effekten som krävs under manövreringen är förhållandevis stor.

Motorn skall således leverera en hög effekt under kort tid. Kostnaden för den elek- triska motorn och den strömriktare som är anordnad mellan motorn och den ström- källa som levererar strömmen till motor blir normalt större ju större dessa kompo- nenter måste dimensioneras. För att åstadkomma en prismässigt konkurrenskraf- tig brytare driven av en elmotor är det emellertid en viktig förutsättning att begrän- sa kostnaderna för dessa komponenter. Med en motor och strömriktare som har märkdata i nivå med vad som erfordras för manövreringen kan det vara ett pro- blem att hålla dessa kostnader tillräckligt låga. Dessutom skulle motorn bli så stor att motorns massa blir för stor för att kunna accelerera tillräckligt mycket på den korta tid som står till förfogande. Ändamålet med föreliggande uppfinning är mot denna bakgrund att söka bemästra det ovan beskrivna problemet. Enligt en första aspekt av uppfinningen har detta ernåtts genom att en elektrisk brytare av det i patentkravets 1 ingress an- givna slaget uppvisar de speciella särdrag som anges i kravets kännetecknande del.

Genom att således kraftigt underdimensionera motorn och/eller strömrikta- ren kan storleken och därmed kostnaderna för endera eller båda dessa kompo- nenter bli avsevärt lägre än om dessa vore dimensionerade med märkdata som motsvarar den effekt som måste utvecklas i till- eller frånslagsögonblicket. Även kostnaden för energibanken reduceras avsevärt då strömriktaren överbelastas kraftigt. Genom att strömriktaren levererar en högre ström till motorn så kan mo- torns lindningsvarvtal minskas vilket gör att dess spänningsbehov reduceras. Där- med kan kapaciteten hos i strömkällan ingående kondensatorer laddas ut till lägre spänning. Genom att man således uppnår ett större energiuttag ur kondensatorer- na kan energibanken göras mindre och därmed billigare. 20 25 30 518 322 5 En sådan underdimensionering är möjlig tack vare att tiden som motorn är verksam är så ytterst kort. Det är ju vanligtvis värmeutvecklingen i respektive kom- ponent som sätter en gräns för hur mycket belastning den tål, och dess nominella märkeffekt åsätts för den värmeutveckling som uppstår vid kontinuerlig drift under längre tid. Med en aktionstid i storleksordningen några tiotal upp till ett hundratal ms hinner någon påtaglig värmeutveckling ej komma till stånd. Motorn och/eller strömriktaren kan således vid den applikation det här är fråga om utsättas för strömstyrkor som ger en belastning på dessa som vida överstiger deras respektive märkdata. Med märkdata såsom märkeffekt och märkmoment avses i denna an- sökan de märkdata som en motsvarande motor har i ett konventionellt utförande med avseende på värmebortledningen. Märkdata relaterar således till en motor där värmen som genereras leds bort på det sätt och i den grad som är normalt, d.v.s. med normalt hölje utan någon specialisolering eller något förstärkt värmeav- ledningsorgan.

Den roterande elektriska motorn kan lämpligtvis vara en borstlös perma- nentmagnetmotor för växelström, en växelströmsmotor, reluktansmotor, en sy- kronmotor, en permanentmagnetisk kommuteringsmotor eller av någon liknande fyll Speciellt lämpad för ändamålet är en trefas permanentmagnetisk växel- strömsmotor. Detta utgör därför en föredragen utföringsform av det närmast ovan beskrivna utförandet av den elektriska motorn.

Då motorn är underdimensionerad har den enligt en föredragen utförings- form av uppfinningen ett märkmoment som är mellan 1 och 30% av det moment som strömkällan och strömriktaren är anordnade att utveckla i motorn. Med en så- dan grad av underdimensionering blir kostnadsreduktionen tillräckligt stor för att vara betydelsefull samtidigt som överbelastningen är tillräckligt begränsad för att motorn ej skall ta skada. Detta utgör därför en föredragen utföringsform av uppfin- ningen. Företrädesvis är märkmomentet inom intervallet 3% till 18%.

Den nedre gränsen beror på den aktuella applikationen, där 2% utgör en nivå som kan utnyttjas endast under vissa betingelser.

Enligt ytterligare en föredragen utföringsform av uppfinningen är motorn anordnad att arbeta med en strömtäthet i lindningarna som uppgår till 15-300 A/mmz, företrädesvis 25-200 A/mmz och enligt ännu en föredragen utföringsform är motorn anordnad att arbeta med en ytkraft som uppgår till 0,03-0,6 N/mmz företrä- 15 20 25 30 518 322 6 desvis 0,05-0,6 N/mmz. Det har visat sig att en motor vid denna applikation kan till- låtas belastas så högt som de ovan angivna intervallen avseende strömtäthet och ytkraft. Vid så kraftiga belastningar blir motorn tillräckligt liten för att åstadkomma en väl fungerande och kostnadseffektiv brytare.

Då strömriktaren är underdimensionerad har den enligt en föredragen ut- föringsform av uppfinningen en märkeffekt som är mellan 15% och 70% av den ef- fekt som strömkällan är anordnad att leverera till strömriktaren. Även här uppnås en påtaglig kostnadsreduktion och överbelastningen är tillräckligt begränsad för att strömriktarens komponenter ej skall ta skada till följd av värmeutveckling. Företrä- desvis är märkeffekten därvid mellan 30% och 55% av den effekt som strömrikta- ren är anordnad att leverera.

Märkeffekten definieras här som den effekt som strömriktaren kontinuerligt klarar av att leverera till anordningens motor vid den switch-frekvens och vid den spänning i DC-kretsen som har valts, men med den skillnaden att halvledarna är försedda med kylan på det sätt som är normalt för konventionella strömriktare.

Enligt ytterligare en föredragen utföringsform saknar strömriktarens effekt- halvledare kylflänsar eller andra kylorgan. Tack vare att aktionstiden är så kort kommer värmeutvecklingen i strömriktaren att vara mycket liten. De kylflänsar eller andra kylorgan som normalt är anordnade på en strömriktare blir därmed överflö- diga. Genom att eliminera kylflänsarna kan kostnaden för strömriktaren reduceras.

Detta ökar ytterligare möjligheten att göra en brytare enligt uppfinningen kostnads- mässigt konkurrenskraftig jämfört med konventionell teknik. Vid en föredragen ut- föringsform av det kylarlösa utförandet innefattar strömriktaren effekthalvledare som är förbundna endast med monteringselement, varvid vardera monteringsele- ment har ett utförande som endast är betingat av dess monteringsfunktion. Med detta utförande av strömriktaren kan den byggas samman på enklast möjliga sätt.

Den blir därmed billig och konkurrenskraftig.

Det kan emellertid vara lämpligt att ha kontroll på värmeutvecklingen i strömriktaren. Enligt ytterligare en föredragen utföringsform är denna därför för- sedd med temperaturavkänningsorgan. Detta avkänner temperaturen i en eller fle- ra punkter i strömriktaren där man kan utgå från att värmeutvecklingen är mest kri- tisk vilket normalt är i centrumpunkten i vardera brygga. Genom en sådan över- vakning åstadkoms att så långt som möjligt kunna utnyttja överbelastningsbarhe- ten utan att risk för skador eller haveri uppstår. 20 25 30 518 322 7 Brytaren enligt uppfinningen är speciellt lämpad för brytning av högspän- ningsström. En brytare anordnad för sådan applikation utgör därför en föredragen utföringsform av uppfinningen. Brytarens fördelar är speciellt intressanta för spän- ningar i nivåerna 72 till 420 KV.

Ovan angivna föredragna utföringsformer av den uppfunna brytaren anges ide av kravet 1 beroende patentkraven.

En elektrisk anläggning enligt uppfinningens andra aspekt, användningar av den uppfunna brytaren enligt uppfinningens tredje aspekt och ett förfarande för att bryta en elektrisk ström enligt uppfinningens fjärde aspekt anges i patentkraven 11, 12-14 respektive 15.

Den sålunda uppfunna elektriska anläggningen, den uppfunna använd- ningen och det uppfunna förfarandet medför fördelar av motsvarande slag som re- dogjorts för ovan avseende den uppfunna elektriska brytaren.

Uppfinningen förklaras närmare genom efterföljande detaljerade beskriv- ning av föredragna utföringsexempel av densamma under hänvisning till medföl- jande ritningsfigurer.

Kort beskrivning av figurerna Figur 1 illustrerar schematiskt en elektrisk brytare.

Figur 2 är ett längdsnitt genom manövreringsorganet till en brytare enligt en första utföringsform av uppfinningen.

Figur 3 är ett blockdiagram över en brytare enligt uppfinningen.

Figur 4 illustrerar strömriktaren i en brytare enligt uppfinningen.

Figur 5 illustrerar principen för kylning av en halvledare i en konventionell strömriktare.

Figur 6 illustrerar på motsvarande sätt som i fig. 5 hur en halvledare är an- ordnad i strömriktaren enligt uppfinningen.

Figur 7 är ett diagram över en del av ett ställverk enligt uppfinningen.

Beskrivning av föredragna utföringsexempel Fig. 1 illustrerar schematiskt principen hos en elektrisk brytare. Den består av en brytarkammare 1, ett manövreringsorgan 2 och en manövreringsstång 3. I brytkammaren är en stationär kontakt 4 och en mobil kontakt 5 anordnad. Vardera av kontakterna är elektriskt ansluten till en respektive ledning. Under normaltill- 20 25 30 518 322 8 stånd anligger kontakterna 4, 5 mot varandra och ström leds från den ena ledning- en till den andra genom brytaren. Då strömmen av någon anledning skall brytas, t ex på grund av fel uppkomna kortslutningsströmmar dras den rörliga kontakten 5 med hög hastighet bort från kontakt med den stationära kontakten 4. Därvid upp- står initialt en ljusbåge mellan kontakterna som släcks med hjälp av en strömman- de isolergas kort efter att kontakterna fiärmat sig från varandra. Då strömmen se- dan åter skall slutas så skjuts den rörliga kontakten 5 till anliggning mot den sta- tionära 4 igen. lnitiering av brytning liksom slutning kan ske manuellt eller automa- tiskt. Till- och frånslag av brytaren åstadkoms via manövreringsstången 3 som är förbunden med den rörliga kontakten och med drivorgan i manövreringsenheten.

Denna principiella uppbyggnad av en brytare är gemensam för olika typer av så- dana, och den kan naturligtvis se ut på många olika sätt. l figuren är en stor mängd detaljer utelämnade, vilka normalt finns i en brytare. Detta för att tydliggöra själva arbetsprincipen. Den fortsatta beskrivningen relaterar närmast till detalj 2 i figuren, dvs manövreringsorganet. l figuren har denna illustrerats som en från bry- tarkammaren skild enhet, men i praktiken kan dessa båda komponenter vara sam- manbyggda.

Fig. 2 åskådliggör en första utföringsform av manövreringsorganet 2 till en elektrisk brytare med en principiell uppbyggnad av ett liknande slag som beskrivits i anslutning till fig. 1. Manövreringsorganet 2 innefattar en elektrisk motor 6 omgi- ven av en kåpa 7. Kåpans ena ände är fäst vid en monteringsplatta 8 som på lämpligt sätt bärs upp av ett stativ, exempelvis med fästbultar genom hålen 9 i plattan 8. På plattans från motorn vända sida sträcker sig en ihålig pelare 9 av iso- lationsmaterial, exempelvis porslin uppåt i figuren. lsolationspelaren 9 är på utsi- dan försedd med flänsar 10 för att åstadkomma en förlängd krypsträcka. Inne i iso- lationspelaren är manövreringsstången 3 anordnad. I isolationspelarens icke visa- de övre ände är även brytkammaren inrymd och dess rörliga kontakt är stelt för- bunden med manövreringsstången 3. Manövreringsstången 3, lsolationspelaren 9 och motorn 6 är alla koaxiella med varandra.

En rörelseöverföringsmekanism är anordnad för omvandling av rotations- rörelse hos motorns rotor 13 till translationsrörelse hos manövreringsstången 3 för att bryta eller sluta brytaren i enlighet med vad som beskrivits i anslutning till fig. 1.

Rörelseöverföringsmekanismen kommer att beskrivas närmare i det följande. 15 20 25 30 518 322 9 l motorhuset 11 är motorns rotor 13 lagrad medelst ett lager 14, 15 vid vardera ände av rotorn. Motorns stator 12 är fäst vid motorhuset 11 och motorhu- set är fäst vid fästplattan 8. Rotorn 13 uppvisar en centrisk axiell borrning 30 som sträcker sig över större delen av rotorns längd. Fästplattan 8 har en med motorax- eln koaxiell öppning i vilken en mutter 16 är lagrad för rotation i ett dubbelverkande vinkelkontaktkullager 18. Lagrets 18 ytterring 19 är fäst vid fästplattan 8 genom icke visade bultar anordnade i borrningar 20 genom en fläns på ytterringen. Lag- rets 18 innerring 21 är vridfast förbunden med muttern 16. lnnerringen 21 är även vridfast förbunden med rotorn 13.

Genom muttern sträcker sig en skruv 17, dvs en stång försedd med skruv- gängor. Mutterns 16 och skruvens 17 gängor samverkar i ingrepp med varandra.

Relativrotation dem emellan medför således att skruven förskjuts axiellt relativt muttern. Skruven 17 är vid sin från motorn vända ände, dvs den i figuren övre än- den förbunden med brytarens manövreringsstång 3. Detta genom att skruvens öv- re ände sträcker sig in i en borrning 23 i manövreringsstångens 3 nedre ände 24.

Förbindningen är säkrad genom ett diametralt anordnat stift 25 som sträcker sig genom skruvens och manövreringsstångens ändar.

Från täckplattan 8 sträcker sig en skruven 17 omgivande styrhylsa 26.

Styrhylsan är försedd med diametralt mitt emot varandra belägna axiellt förlöpan- de styrspår 27. Stiftet 25 sträcker sig ut genom vardera styrspår 27 och är vid var- dera ände försedd med en låsbricka 28. Styrspåret 27 har en vidd som överens- stämmer med stiftets 25 diameter. Därmed är skruven 17 vridfast förbunden med styrhylsan 26. Styrhylsan 26 i sin tur är förhindrad att vrida sig genom att den är fäst vid fästskivan 8 med icke visade bultar genom borrningarna 29. Styrhylsan 26 har en innerdiameter som är avpassad så att manövreringsstången 3 med litet spel kan skjutas in i denna.

Då sålunda muttern 16 genom sin lagring är fixerad axiellt och skruven 17 genom det närmast ovan beskrivna arrangemanget är fixerad mot vridning så kommer en rotationsrörelse hos muttern att medföra att skruven tvingas att för- skjutas axiellt.

Fig. 2 visar brytarens manövreringsdel då brytaren är i sitt normala läge då den är sluten.

Då brytaren skall aktiveras för att bryta strömmen startas motorn 6 så att dess rotor 13 försätts i rotation i medurs riktning sett uppifrån i figuren. Detta tving- 15 20 25 30 518 322 10 ar skruven att förskjutas nedåt varigenom den rörliga kontakten 5 (se fig. 1) dras bort från kontakt med den fasta kontakten. Den centriska borrningen 30 har en längd som ger utrymme för skruven att förskjutas erforderlig sträcka för fullbordad brytning. Under brytningsförloppet kommer den nedre delen av manövrerings- stången 3 att glida nedåt inne i styrhylsan 26.

När brytningen är fullbordad stoppas motorn och i detta läge är skruvens 17 nedre ände belägen nära borrningens 30 botten. Stiftet 26 är då beläget vid nederänden av styrspåren 27. Då brytaren sedan skall återställas startas motorn med rotation åt motsatt håll, varvid skruven 17 och därmed manövreringsstången förskjuts uppåt tills den rörliga kontakten 5 åter kommer i kontakt med den statio- nära kontakten, varvid anordningens delar åter intar det i fig. 2 visade läget, Manövreringsorganets omvandling av motorns rotationsrörelse till transla- tionsrörelse kan naturligtvis utföras på många andra sätt än det som beskrivits i anslutning till fig. 2. Vidare är det inte alltid nödvändigt med någon rörelseomvand- ling. lnom uppfinningens ram ligger även möjligheten att den rörliga kontakten vid till- eller frånslag utför en roterande rörelse även som alternativet med en transla- tionsrörelse hos den rörliga kontakten där drivningen åstadkoms med en linjärmo- tor. Vid det i fig. 2 beskrivna utförandet är muttern förbunden med rotorn och skru- ven med den rörliga kontakten. I vissa fall kan det omvända vara att föredra d.v.s. skruven är förbunden med rotorn och muttern med den rörliga kontakten. Skruven roterar således tillsammans med rotorn och muttern tvingas till translationsrörelse genom ingreppet med skruven. Ett sådant utförande medför den fördelen att den massa som skall accelereras till att utföra en translationsrörelse blir mycket mindre än vid det i fig. 2 visade utförandet. Muttern harju avsevärt mindre massa än skruven.

I figur 3 visas i ett blockschema hur de olika komponenterna i en brytare enligt uppfinningen samverkar.

I blockschemat visas brytarens brytarkammare 1 mekaniskt förbunden med manövreringsorganet 2. Det senare drivs av motorn 6 som exempelvis kan vara en trefas permanentmagnetisk växelströmsmotor. Motorn får sin ström från en strömkälla 50 som kan utgöras av batterier, kondensatorer eller elnätet eller en kombination av dessa. Mellan motorn 6 och strömkällan 50 är en strömriktare 40 anordnad, vilken kommer att beskrivas längre fram. Styrsystem och annan nöd- vändig kringutrustning är ej medtagna i figuren för att få bättre överskådlighet. 20 25 30 518 322 11 Då brytaren skall aktiveras för brytning, vilket kan ske manuellt eller auto- matiskt till följd av kortslutning i det system där brytaren ingår, sluts strömmen mel- lan motor 6 och strömkällan 50, så att motorn 6 börjar rotera. Brytningstiden är ca 40-60 ms och under den tiden skall motorn avge ett kraftigt vridmoment till manöv- reringsorganet 2 så att den rörliga kontakten snabbt dras bort från kontakt med den stationära kontakten. Motorn skall således utveckla en hög effekt under kort tid. Motorn 6 är dimensionerad så att den under denna tid blir kraftigt överbelas- tad. För en brytare avsedd för 145 kV-ledning är motorns överbelastning upp till 15 gånger dess märkdata med avseende på avgivet vridmoment. Åtminstone bör överbelastningen vara 4 gånger. Motorstorleken kan därmed hållas så pass liten att dess vikt blir ca 25-50 kg. För en brytare avsedd för 420 kV är överbelastning- en ca 20-30 gånger. l en konventionell motor räknar man normalt med att kunna tillåta en maximal strömtäthet i lindningarna på ca 5-10 A/mm* för att inte skada motorn på grund av värmeutvecklingen. Vid motorn i en brytare enligt uppfinning- en kan en strömtäthet i storleksordningen 25-300 A/mm* tillåtas utan risk för ska- da. Detta eftersom föga värme hinner utvecklas under den korta aktiva tiden. Yt- kraften hos motorn kommer därvid att kunna uppgå till ca en till två tiopotenser högre än det normala värde på ca 0,01 N/mmz som är för handen vid konventio- nella motorer. l figur 4 illustreras närmare en strömriktare 40 som är lämplig att använda vid en brytare av det slag som visas i fig. 1-3. Strömriktaren är utförd som en väx- elriktare som omvandlar strömkällans 50 likström till växelström till motorn 6. Väx- elriktaren är anordnad för trefas och innefattar således tre fasbryggor. Vardera fas- brygga är av IGBT-typ (lnsulated-Gate Bipolar Transistor) med antiparallella dio- der i serie i en positiv 41 och en negativ 42 brygghalva. Vardera brygghalva styrs av ett styre 44 kopplat till en kontrollenhet (icke visad) och vardera bryggas cent- rumpunkt 43 är ansluten till motorn 6. Strömriktaren arbetar med pulsbreddmodu- lering (PWM).

Bestämmande för vilken belastning strömriktarnas halvledare kan utsättas för är dels vilket elektriskt fält de tål, vilket bestämmer maximalt tillåten spänning hos DC-kretsen dels temperaturen i halvledarövergången 43, vilket påverkar den maximalt tillåtna effektförlusten i strömriktaren.

Det är i första hand ifråga om tillåten effektförlust som strömriktaren kan överbelastas. Förlusten uppträder i transistorer och dioder vid varje in- och från- 20 25 30 518 322 12 koppling. Ju högre PWM-frekvens desto högre blir omkopplingsförlusterna. Då ef- fektförluster uppkommer i halvledarna omvandlas energin till värme. Värmen ge- nereras i vardera halvledarövergång 43 och transporteras till omgivningen genom strömriktarens kisel och basplatta. Effektförlusterna ökar med DC-kretsens spän- ning och med motorns strömstyrka. Eftersom den maximalt tillåtna spänningen ej får överskridas så är det i första hand strömstyrkan till motorn som kan höjas.

Strömstyrkan från halvledarna tillåts således överskrida det max-värde be- tingat av temperaturhöjning som gäller för kontinuerlig drift. Den korta aktiva tiden på mindre än 100 ms möjliggör extra effektförlust utan att temperaturen i halvle- darövergången överskrider den maximalt tillåtna. Strömriktaren kan därmed leve- rera mer kVA än dess märkvärde motsvarar. Om maximalt tillåten temperatur i halvledarövergången är ca 125°C och omgivningstemperaturen är ca 70°C så kan för en 145 kV-brytare den levererade strömstyrkan höjas upp till 400 A i stället för märkvärdet 150 A. Detta utan att temperaturen i halvledarövergången kommer att höjas mer än högst 40°C. För en 420 kV-brytare kan man på motsvarande sätt gå upp till 3x75O A mot normalt 3x400 A; För att ha kontroll på värmeutvecklingen i halvledarövergångarna är en temperaturavkännare 45 anordnad vid vardera halvledarövergång 43. Information om temperaturen i halvledarövergång 43 överförs till en kontrollenhet (icke visad).

Normalt erfordras att en effekthalvledare är försedd med någon form av kylare. I figur 5 visas i en principfigur hur en konventionell halvledarkomponent 46' är monterad på en kylare 47' med kylflänsar för luftkylning. Konventionellt används alternativt cirkulerande vatten för att bortföra värmen.

Vid strömriktaren enligt uppfinningen saknar effekthalvledarna någon kyla- re. Komponenten kan således vara anordnad på en basplatta som saknar kylflän- sar och bara är till för att montera komponenten. Detta illustreras med principfigu- ren 6. Halvledaren 46 är här monterad enbart på en basplatta 47 som uteslutande är utformad som ett monteringselement för halvledarens 46 inmontering i strömrik- taren. Figuren är som nämnts endast principiell. Monteringselementet kan natur- ligtvis ha annat utförande inom ramen för dess funktion att enbart tjäna att monte- ra halvledaren i strömriktaren.

Den uppfunna brytaren kan användas för såväl en- som trepolig brytning.

Motorns strömförsörjning kan vara en kondensatorbank, ett batteri eller ett elnät. 518 322 13 I fig. 7 visas en elektrisk anläggning där en del av ett elektriskt ställverk in- går. En inkommande ledning 200, är via en transformator 206 och en första bryta- re 201 förbunden med en samlingsskena 202. Från denna utgår förbrukarledning- ar 203 till respektive last 204 via en respektive brytare 204. Vardera av brytarna 201 och 205 är utformad i enlighet med brytaren i föreliggande uppfinning.

Claims (20)

20 25 30 518 322 14 PATENTKRAV

1. Elektrisk brytare innefattande minst en mobil kontakt (5), brytarmanövre- ringsorgan (2) för manövrering av den rörliga kontakten (5), en roterande elektrisk motor (6) för drivning av manövreringsorganet (2), en strömkälla anordnad för kort- varig anslutning till motorn (6) och en strömriktare (40) anordnad mellan motorn (6) och strömkällan (50), vilken strömkälla är anordnad att kortvarigt kunna levere- ra en effekt som är tillräcklig för att på kort tid åstadkomma manövrering av den mobila kontakten, kännetecknad av att åtminstone endera av motorn (6) och strömriktaren (40) har en avsevärt lägre märkeffekt i förhållande till den effekt strömkällan (50) är anordnad att leverera.

2. Elektrisk brytare enligt patentkravet 1, kännetecknad av att den roterande elektriska motorn (6) är en permanentmagnetisk synkron växelströmsmotor.

3. Elektrisk brytare enligt patentkravet 1 eller 2, kännetecknad av att motorn (6) har ett märkmoment som är mellan 1% och 30%, företrädesvis mellan 3% och 18% av det moment strömkällan (50) och strömriktaren (40) är anordnade att ut- veckla i motorn. (6)

4. Elektrisk brytare enligt patentkravet 1 eller 2, kännetecknad av att motorn (6) är anordnad att arbeta med en strömtäthet i lindningarna som uppgår till 15- 300 A/mmz, företrädesvis 25-200 A/mmz'

5. Elektrisk brytare enligt något av patentkraven 1-3, kännetecknad av att motorn (6) är anordnad att arbeta med en ytkraft som uppgår till 0,03-0,6, företrä- desvis 0,05-0,6 N/mmz.

6. Elektrisk brytare enligt något av patentkraven 1-5, kännetecknad av att strömriktaren (40) har en nominell märkeffekt som är mellan 15% och 70%, före- trädesvis mellan 30% och 55%, av den effekt som strömriktaren (40) är anordnad att leverera. 20 25 30 518 322 15

7. Elektrisk brytare enligt något av patentkraven 1-6, kännetecknad av att strömriktaren (40) är försedd med kylarlösa effekthalvledare (406)

8. Elektrisk brytare enligt patentkravet 7, kännetecknad av att strömriktaren (40) är försedd med effekthalvledare (46) som är mekaniskt förbundna endast med monteringselement (47), varvid vardera monteringselement (47) har ett utförande som endast är betingat av dess monteringsfunktion.

9. Elektrisk brytare enligt något av patentkraven 1-8, kännetecknad av att strömriktaren (40) är försedd med temperaturavkänningsorgan (45) anordnat att avkänna temperaturen i åtminstone någon punkt i strömriktaren, företrädesvis i en halvledarövergång (43).

10. Elektrisk brytare enligt något av patentkraven 1-9, kännetecknad av att brytaren är anordnad för brytning av elektrisk ström i högspänningsområdet, före- trädesvis i området 72 till 420 kV.

11. Elektrisk anläggning innefattande minst en elektrisk brytare (201, 205), kännetecknad av att åtminstone någon av de elektriska brytarna (201, 205) är av det slag som anges i något av patentkraven 1-10.

12. Användning av en elektrisk brytare enligt något av patentkraven 1-10 för att bryta en elektrisk ström.

13. Användning av en elektrisk brytare enligt något av patentkraven 1-10 för att bryta elektrisk ström i ett transmissionsnät.

14. Användning av en elektrisk brytare enligt något av patentkraven 1-10 för att bryta elektrisk ström i ett distributionsnät.

15. Förfarande för brytning av elektrisk ström vid vilket en rörlig kontakt bring- as från anliggning med en andra kontakt medelst ett manövreringsorgan, vilket manövreringsorgan drivs av en roterande elektrisk motor, varvid vid brytning den elektriska motorn sammankopplas med en strömkälla via en strömriktare, vilken 20 25 S18 S22 §f1= 16 strömkälla är anordnad att kortvarigt kunna leverera en effekt som är tillräcklig för att på kort tid åstadkomma manövrering av den mobila kontakten, kännetecknat av att åtminstone endera av motorn och strömriktaren utsätts för kraftig elektrisk överbelastning.

16. Förfarande enligt patentkravet 15, kännetecknat av att strömriktaren be- lastas med en effekt som är 1,5 till 5 företrädesvis 2 till 3 gånger dess nominella märkeffekt.

17. Förfarande enligt patentkravet 15 eller 16, kännetecknat av att motorn är en roterande elektrisk motor och att den belastas till att utveckla ett vridmoment som är 4 till 50, företrädesvis 7,5 till 35 gånger dess nominella märkmoment.

18. Förfarande enligt något av patentkraven 15-17, kännetecknat av att mo- torn belastas med en strömtäthet i lindningarna som uppgår till 15-300, företrädes- vis 25-200 A/mm?

19. Förfarande enligt något av patentkraven 15-18, kännetecknat av att mo- torn belastas till att utveckla en ytkraft som uppgår till 0,03-0,6 N/mmz, företrädes- vis o,os-o,6 N/mm?

20. Förfarande enligt något av patentkraven 15-19, kännetecknat av att förfa- randet utförs under utnyttjande av en elektrisk brytare av det slag som anges i nå- got av patentkraven 1-10.