用于牵引用供电设备的接地开关的制作方法

接地开关是特殊的开关装置，在最简单的情况中其使电路与大地连接和以此构成安全的状态。在滑接线电网中接地开关主要用在车站和工厂中，自动的接地开关用于隧道救援。例如由瑞士铁路公司(SBB CFF FFS)2012年4月18日文献“自动接地设备(AEE)规范”第5页已知一种用于自动接地的系统。在发表于“电气化轨道特刊(Elektrischen Bahnen Sonderdruck)S3/2013”中的杂志文章“滑接线接地-以Sicat AES实现自动化(Fahrleitungserdung–automatisiert mit Sicat AES)”中已知另外的用于自动接地的系统。

由电子设备工厂Fritz Driescher&GmbH，85366Moosburg的订货号为3-811201068.05-04的FlaV 25-2000-16-1B和2B系列的露天断路开关产品说明书中在“用于轨道设施的Driescher露天开关装置的运行、安装和维护指南”第9页已知，对于断路开关使用所谓的预起弧角，以便改善短路接通稳定性。由在该产品说明书第12页上的图11可知，预起弧角配设温度稳定性很高的尖部。这种耐温的尖部具有很小的运行中的磨损度和以此减少维护和维修成本。温度稳定的尖部在现有技术中通常是已知的和经常由钨合金制造和焊接在由铜制成的预起弧角上。

由2013年文献“产品信息/版本1.2.0/Nr.A6Z00029955871”第3页已知Siemens AG的用于交流电25kV的牵引用供电设备的接地开关8WL6144-1A是用于牵引用供电设备的接地开关，其具有第一主触点和能运动的第二主触点，其中，能运动的第二主触点能从第一主触点移开以便构成空气间隙。接地开关自身按照在其短路接通类别方面的标准划分。在此，所述的接地开关8WL6144-1A是设计为当事先关断滑接线、确保不会再接通和检查无电压时才会闭合以及进而建立接地状态的接地开关。通过这些措施避免接地开关被切换到短路状态以此使其受损或者损坏。

此外，由该产品信息已知Siemens AG的结构系列SICAT 8WL6144的断路开关，其配设有由铜制造的招弧角。以相当费事的Magna-Flash焊接方法焊上由钨铜合金制成的燃耗元件。在招弧角上端部焊接的燃耗元件必须在材料侵蚀时在维修工作中被替换。在此更换和安装新的整个招弧角，以此确保规定的合闸电弧熄灭。

用于交流和直流式牵引负荷电流供应的和应该接入带有电压的滑接线的接地开关必须与已知的接地开关8WL6144-1A相反地是耐接通短路的。如今，该开关主要的特点是，开关闸刀以较高的速度进入触点以及进而与预起弧相关地在电流的瞬时值较低的时候进入触点。为此的范例是Driescher公司的FES 3-20-1 B系列。

主触点的快速进入或者快速闭合得到已知的电流增加的效果，因为闭合过程必须处于电流升高的下部区域的时间区域内，以便不会由于电动力阻碍开关闸刀的进入。然而，相较于Siemens AG的开关系列8WL6144-1所述开关由于要求更高，所以构造的更坚固和因此更昂贵。虽然如今按照EN50110的五个安全规定的电压检查算是安装接地开关之前的标准，但是还是要求具有短路接通性能的更高级别的接地开关(例如瑞士联邦铁路的AEE)。其理由是，在紧急关断的情况中没有用于电压检查的时间并且在几秒钟之内必须形成安全的状态。其他原因可能是误操作。

在此忽略，一个接地开关尽管触发短路但接着也承受短路，但是只有在当供电的断路器通过其短路识别在一个或者多个变电站中关断电压以及进而切断短路电流时，该接地开关才承受此载荷。

从已知的用于牵引用供电设备的型号8WL6144-1A的接地开关出发，本发明要解决的技术问题在于，提供一种适合于进行反复的短路接通的接地开关，其可以低成本地制造。

按照本发明地，所述技术问题通过用于牵引用供电设备的接地开关解决，其具有第一主触点和能运动的第二主触点，其中，能运动的第二主触点能从第一主触点移开以便构成空气间隙，其特征在于，主触点具有预起弧装置，其适合于接地开关的短路接通。

按照本发明的接地开关的优点在于，所述接地开关的功能相较于传统的接地开关有扩展，因为按照本发明的接地开关的短路合闸稳定性被极大地提高。其实现是由于短路没有经主触点引燃，这使主触点的使用寿命被延长和同时确保主触点的相对完好和与此相关的相对的减少维护。在闭合运动/接通运动期间经预起弧装置的换向确保预起弧装置作为“牺牲元件”触发短路。预起弧装置可以根据损耗情况简便地维修，这在接地开关的运行和维护方面提供了成本优势。

在此，接地开关是比较简单地构造的，是在基于相同的平台方案的断路开关和接地开关基础上的和是可以低成本地制造的。因为所述接地开关在(紧急情况中)短路接通时没有受损或者损坏，所以其在运行中是特别地不需要经常维护的。

按照本发明的接地开关不仅适用于直流电运行，而且也适用于交流电运行。

在按照本发明的接地开关的优选的实施方式中，预起弧装置布置在主触点上方。这样是有利的，因为由于主触点没有位于出现的电弧柱的热升的区域中而保证了对主触点的保护。以此经过电弧的最小化原理确保电弧的底点总是位于预起弧装置的相应的为此规定的尖部上。

在按照本发明的接地开关的进一步的优选的实施方式中，预起弧装置对于每个触点都具有一个预起弧设施。

在此，预起弧设施自身没有接触，而是在结构上这样地设计，使得由超过临界场强引起的点燃可靠地进行和导致形成电弧。取决于电压系统和额定电压地选择预起弧设施之间的距离。所述预起弧装置的该设计是有利的，因为通过在两个主触点的区域中的电弧形成的相应的损耗仅出现在为此规定的预起弧设施上。

在按照本发明的接地开关的另外的优选的实施方式中，预起弧设施构造为预起弧角。这是有利的，因为预起弧角仅为短路接通设计和构造。以此，预起弧角是为起作用的载荷最优地构造的和尤其适合在接地开关上的使用。

根据前述实施方式的优选的改进设计方案，预起弧角基本上按水平的定向布置和与各主触点对应地配设。这是有优点的，因为以这种方式产生的电弧仅在预起弧角的区域中产生。

在按照本发明的接地开关的进一步优选的实施方式中，预起弧设施构造为招弧角。

这是有优点的，因为由在应该同时具有较高的断路电流承受能力的断路开关的使用中招弧角很早就是已知的和经过证明的。在对于负载断路开关也要求短路接通稳定性时使用招弧角是尤其有意义的。在比较中预起弧角不能提供较高的断路电流承受能力，使得这种实施方式尤其适合于具有特别高的短路稳定性的接地开关。

在按照本发明的接地开关的另外的实施方式中招弧角基本上沿垂直的定向布置和与各主触点对应地配设。这是有优点的，因为电弧由此仅在招弧角的区域中产生。该电弧由于热上浮效应被向上沿招弧角地驱动并且最后到达招弧角的规定用于损耗的端部。

在按照本发明的接地开关的进一步优选的实施方式中，接地开关适合于多次进行短路接通。按照本发明的接地开关承受一次或者多次的短路接通，这是相对于已知的接地开关的优点，已知的接地开关由于短路接通一般会被损坏。因此，按照本发明的接地开关是尤其不需要经常维护和防短路的。

在按照本发明的接地开关的进一步的优选的实施方式中，接地开关的接通速度选择为，在接地开关的主触点自身接触前，借助在电气铁道供电网中与所述接地开关对应配设的断路器能够识别和断开通过在所述预起弧装置上的电弧形成的短路。也可以使用所谓的快速开关替代断路器。

该效果是通过存在于电气牵引用供电网中的断路器能识别(如在预起弧装置上产生电弧时出现的)短路实现的。断路器于是会相应地中断短路，使得在主触点闭合时就熄灭电弧和使主触点无电流。断路器和特殊的快速开关通常可以使保护触发时间和电流关断时间保持在一般为小于100ms。接地开关的主触点的电流负载因此仅会在供电的断路器通断失灵的情况下出现。如果断路器的通断失灵，则后备保护就发挥作用。通常在变电站中这导致在输入侧触发断路器。虽然其吸动时间为仅20ms，但是可以通过其他的处理或者同步时间延长总电流通过时长。该错误对于已经是不可能的通过接地开关的短路接通的事件而言被认为具有非常小的可能性以及在日常运行中几乎没有影响。

在直流电压领域中对于例如大于20kA的高的短路电流的关断时间在20ms至30ms的范围内。通常，电流甚至在少于20ms之内被关断。

即使在交流电压领域内人们所说的对于高的短路电流的快速关断是在40ms的平均断开持续时间的情况下在20ms至60ms的范围内的关断时间。

供电的断路器的关断时间除了与电流幅度自身有关以外还与电流方向、电流增加和测量的回路阻抗有关。然而这些额外的测量值处理算法仅对于更低的幅度有效。与此不同地，具有较高幅度的短路会引起更大的损害。阻抗测量的目的是即使对于更小的短路电流以及高工作电流的不同性的情况在整个从属的开关组件中也能可靠地短路探测。该阻抗级通常伴随在20ms和30ms之间的延迟时间，使短路电流时长可以达到至最大100ms(20ms至60ms+30ms)。

由该简单的估算中得出断路器小于100ms的关断时间的前述估计。

因此，在该实施方式中接地开关被构造为，其闭合速度相较而言是如此的慢，使得在主触点闭合之前相应的电弧已经安全地通过断路器切断。优选地，主触点的闭合在约200ms至250ms之后实现。因此对于该实施方式重要的是按照本发明的接地开关的特性与通常的断路器的特性的结合。

以此，在按照本发明的接地开关中通过简便的结构设计方案相对于迄今为止的接地开关实现了对于使用具有短路接通的接地开关的简单的和低成本的解决方案。该设计的另外的优点在于，从驱动装置看来可以比较简单地安装，因为尤其不需要接地开关的基于弹簧储能驱动装置的瞬时开关功能，以便加速主触点的闭合过程和以此减小由出现的电弧引起的负荷。

在按照本发明的接地开关的进一步优选的实施方式中，预起弧装置具有能可拆卸地安装的燃耗元件。

这样是有优点的，因为燃耗元件可以安装在预起弧装置上和可以容易地更换，而不必更换预起弧装置的相应的招弧角。由此不仅在燃耗元件的制造中而且也在预起弧装置的维护中降低了成本，因为现在仅须更换燃耗元件。

另外的优点在于，在更换燃耗元件时不必进行整个预起弧装置的重新校准，这在维护中节省了时间和成本。此外提高了滑接线系统的技术可用性。

在前述实施方式的优选的改进设计方案中，燃耗元件具有内螺纹和可以按照螺栓连接的方式安装在预起弧装置上。该螺栓连接的优点在于，通过旋紧一方面确保燃耗元件长期安全地锁止在预起弧装置上，另一方面可以容易地更换燃耗元件。

在按照本发明的接地开关的另外的优选的实施方式中，根据接地开关的预期的短路接通频率地确定燃耗元件的长度。这是有优点的，因为可以取决于客户或者项目在预起弧装置的合闸率方面的要求选择合适长度的燃耗元件，以便即使在燃耗元件高负荷时也能无需额外维护地保持预设的维护周期。

在按照本发明的接地开关的另外的优选的实施方式中，燃耗元件作为材料包括弥散强化的铜材料。这是有优点的，因为这样可以使工作电流的关断最优化。由弥散强化的铜材料制造的燃耗元件具有相对于纯铜更高的温度耐受性和以此更高的电弧耐受性，这使预起弧装置在无维护耗费的情况下具有更长时间的可用性。另外的优点在于，由弥散强化的铜材料制造的燃耗元件相较于由钨制造的已知的尖部此外在购买时在价格方面明显更廉价。

该材料的制造是粉末冶金式地通过反应涂料(Reaktionsmalen)的方法实现的；例如在弗莱贝格的Compound Extrusion Products GmbH公司的CEP DISCOP高性能铜材料(使用手册09/09)可以得知。使用该耐热的材料是有优点的，因为其降低了对于燃耗元件的维护频率。

此外，使用弥散强化的铜材料的优点在于，其特点是高的耐损强度和高的温度耐受性。例如耐热的铜材料是这样的弥散强化的铜材料，只有当弥散强化的铜材料事先在高于800℃的温度加热一小时时，弥散强化的铜材料才在冷却后在20℃具有尤其显著减小的硬度。例如由在弗莱贝格的Compound Extrusion Products GmbH公司的合金CEP DISCOP C3/11和C3/80已知这种具有尤其高的耐热性的弥散强化的铜材料(使用手册09/09)。

在此，弥散强化的铜材料适合于切削加工。这是有优点的，因为这种弥散强化的铜材料能被非常出色地加工和能以短的和均匀的切屑形状切削式地成形。对此相比较，已知的钨铜材料由于其硬度不能被切削式地加工。弥散强化的铜材料的可切削式加工使得例如在制造过程中形成空腔和必要时形成内螺纹，以便之后能可拆卸地安装燃耗元件。

此外，本发明的内容还包括一种用于借助按照本发明的接地开关使牵引用供电设备的部件接地的方法，该方法包括步骤：

-在牵引用供电设备的部件上带有的电压下，在接地开关闭合时点燃通

过预起弧装置构成短路的电弧，以及

-将该短路通过存在于牵引用供电设备内的断路器关断，使接地开关的主触点在其接触之前无电流。

类似地，按照本发明的方法具有与前言对按照本发明的接地开关所说明的相同的优点。

在附图中示意性地示出按照本发明的实施例，在此

图1示出在闭合过程的不同的时间点的按照本发明的接地开关的第一实施例和

图2示出了具有断路器和接地开关的牵引用供电设备的示例。

在图1中示出用于牵引用供电设备的接地开关1，其具有第一主触点3 和能运动的第二主触点4。主触点3在杆件9上与接地开关1的基板8有间距。在第一主触点3上方布置有预起弧角5，预起弧角5以基本水平的定向指向第二主触点4的方向。能运动的第二主触点4布置在具有绝缘体元件7的第二杆件11上并且能从第一主触点3移开以便构成空气间隙，方法是第二主触点4通过铰链10偏转。在此，该偏转运动通过未示出的驱动装置执行，该驱动装置在杠杆11上与第二杆件11嵌接。在第二主触点4上方布置有预起弧角5，预起弧角5以基本水平的定向指向第一主触点3的方向。两个预起弧角5、6共同构成接地开关1的预起弧装置5、6。

在图1A中接地开关1是打开的，在主触点3、4与预起弧角5、6之间构成有空气间隙。在该状态中接地开关1是断开的。

在图1B中示出在闭合过程期间的一个时间点的接地开关1，在主触点3、4与预起弧角5、6之间的空气间隙已经明显地变短。主触点3、4还是分开的，但是预起弧角5、6自身已经很近，使得在短路情况中在其间形成电弧。所示具有电弧形成的状态通常在闭合过程开始之后的100ms确立。

一般地，存在的电弧使配属的断路器(未示出)识别到短路和马上关断。以这种方式使存在于预起弧角5、6之间的电弧在接地开关1到达在图1C中所示的主触点3、4的闭合状态之前就被熄灭。通过电弧引起的损耗只会在预起弧角5、6的区域中，使得在由接地开关1的短路接通引起的反复承受负荷之后仅仅需要更换预起弧角，比较而言这是低成本的和能快速实施的。

图2示出牵引用供电设备20，其具有与第一轨道对应配设的第一滑接线21和与第二轨道对应配设的第二滑接线22。该轨道段以此是可以两侧行驶的。两个滑接线20、21分别部段式地由变电站34供电，变电站34分别具有用于滑接线的供电部段的供电的断路器或者快速开关36。在断路器或者快速开关36与滑接线21、22之间分别连接断路开关37；在此使用例如Siemens股份公司的8WL8134-4型号的断路开关。供电部段通过断开位置41预定，其中，标志“工作限制”8标示该区域。此外，配设按照图1的接地开关39用于滑接线20、21的接地。

变电站35的其中一个具有数据处理中心15并且被设置用于通过通信线路33与另外的变电站4交换电气牵引用供电网和供电部段的状态的测量数据。

所有的变电站34、35都通过通信线路33与通信网32连接，其与上级的调度台例如监控和数据采集(SCADA)系统31连接。

断路器或者快速开关36必须基于本身配设的保护装置来识别短路和关断电压。一个或者多个接地开关39到一个或者多个供电的断路器36的同步电路是不存在并且是不必要的。

对于要求短路接通功能的开关必须在构造上有不同的设计。

这种开关的特点是一种用于实现快速的接触运动的瞬时开关或者快速开关功能。构造上的解决方法是Driescher公司的型号FES 3-20-1 B的开关。如果对于短路接通的要求而使用不具有这种构造要求的断路开关，则触点一般就会热过载和损毁。原因在于，触点的驱动装置是缓动驱动装置，这使运动的开关触点运动太慢并且因此使产生的电弧停留的太久和经常额外地由作用的电动力被阻挡在入口上。通过类型试验证明一般用于该产品的短路接通稳定性的功能。在此情况中，电流时长为在250ms(对于直流电压电气牵引用供电网)与1000ms(对于交流电压电气牵引用供电网)之间。然而该时间并非相应于真实的实际条件而是包含安全系数。如上所述，通过锁定避免接通带电的滑接线并且这种接通仅发生在紧急情况或者例外情况中。人们可以推定，这种开关通断的频率是非常小的。两次以上的“错误开关通断”的重复的或者多次的功能在不维护的情况下是未给出的或者也是不必要的。

按照本发明的接地开关39提供一种设计结构比较简单的解决方案，该方案可以低价地制造和较少维护。