DE4028421A1

DE4028421A1 - Pressurised gas isolated high voltage switch - has electrodes set into ring shaped segments of material with different electrical conductivities

Info

Publication number: DE4028421A1
Application number: DE19904028421
Authority: DE
Inventors: Norbert Dr Ing Trapp
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1990-09-04
Filing date: 1990-09-04
Publication date: 1992-03-05

Abstract

The switch has a contact arrangement (1) within a cylinder containing SF6 gas. The system has two oppositely located cylindrical contacts (2) with a separating element (3) between them. The contacts have copper tubes (4) with inset electrodes of carbon (5). The electrodes have a nozzle formed profile and fit into the copper carrier with a spacer ring formed of two different metallic segments (11,12). The movable switching element (13) is formed as part of the gas cylinder assembly. The ring shaped segments compensate for the magnetic field around the nozzle region. ADVANTAGE - Provides compensating action.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen druckgasisolierten Hochspannungsschalter, insbesondere einen SF₆-Hochspannungs- Leistungsschalter, mit zumindest einem hohlem Kontaktstück, bestehend aus einem rohrförmigen Körper, der auf der der Trenn strecke zugewandten Stirnseite eine düsenförmige abbrennfeste Elektrode, insbesondere aus Graphit, trägt und bei dem in einem im Bereich der abbrennfesten Elektrode liegenden Ringraum zwei ringsektorförmige Körper aus Material unterschiedlicher elek trischer Leitfähigkeit angeordnet sind.The invention relates to a pressurized gas-insulated high-voltage switch, in particular an SF ₆ high-voltage circuit breaker, with at least one hollow contact piece, consisting of a tubular body which carries a nozzle-shaped, burn-resistant electrode, in particular made of graphite, on the end face facing the separating section arranged in an annular space in the area of the burn-resistant electrode are two ring-sector-shaped bodies made of material of different electrical conductivity.

Ein druckgasisolierter Hochspannungsschalter mit einer derarti gen Kontaktanordnung ist aus der DE-OS-28 15 136 bekannt. Bei dem bekannten Blaskolben-Hochspannungs-Leistungsschalter stehen sich zwei hohle Kontaktstücke gegenüber. In der Einschaltstel lung sind sie von einem beweglichen Schaltstück überbrückt. In der Ausschaltstellung begrenzen die beiden düsenförmigen ab brennfesten Elektroden des Kontaktsystems die Trennstrecke. Die bekannten düsenförmigen abbrennfesten Elektroden haben jeweils einen umlaufenden U-förmigen Querschnitt mit einem von dessen Schenkeln gebildeten Ringraum. In diesem Ringraum ist ein ring sektorförmiger Körper aus Isolierstoffmaterial und ein ringsek torförmiger ferromagnetischer Körper derart angeordnet, daß sie, sich jeweils nur über einen Teil des Ringraumes erstreckend, den gesamten Umfang des Ringraumes ausfüllen. Der ferromagne tische Körper wird von dem beim Ausschalten entstehenden Licht bogenstrom aufmagnetisiert und erzeugt somit eine Unsymmetrie der im übrigen rotationssymmetrischen Kontaktfiguration. Dadurch wird auf den Lichtbogen eine auf den ferromagnetischen Körper hin gerichtete Kraft ausgeübt, die den Lichtbogen in eine exzen trisch zur Düsenachse verlaufende Lage drängt. Der brennende Lichtbogen wird somit aus der Düsenachse zur Düsenrandzone ver lagert und ist dort einer intensiveren Gasströmung mit größerer Gasdichte ausgesetzt.A pressurized gas-insulated high-voltage switch with such a gene contact arrangement is known from DE-OS-28 15 136. At the well-known blow piston high-voltage circuit breaker two hollow contact pieces face each other. In the switch-on position they are bridged by a movable contact. In the off position delimit the two nozzle-shaped refractory electrodes of the contact system the separation distance. The have known nozzle-shaped burn-resistant electrodes each a circumferential U-shaped cross section with one of its Legs formed annulus. There is a ring in this annulus sector-shaped body made of insulating material and a ring sec gate-shaped ferromagnetic body arranged such that extending only over part of the annulus, fill the entire circumference of the annulus. The ferromagne table body is created by the light generated when it is switched off arc current magnetized and thus creates an asymmetry the otherwise rotationally symmetrical contact configuration. Thereby on the arc one on the ferromagnetic body directed force exerted that the arc in an exzen position that runs trically to the nozzle axis. The burning one Arc is thus ver from the nozzle axis to the nozzle edge zone stores and is there a more intense gas flow with larger Exposed to gas tightness.

Bei druckgasisolierten elektrischen Hochspannungs-Leistungs schaltern, die in Freiluft oder in gasisolierten gekapselten Hochspannungsschaltanlagen eingesetzt werden, stellen die Zuleitungen zu den Unterbrechereinheiten häufig Schleifen dar, in denen Magnetfelder aufgebaut werden, die auf den Lichtbogen in der Unterbrechereinheit eine Kraft ausüben, die den beim Ausschalten entstehenden Lichtbogen aus dieser Schleife heraus treibt. Das Ausbrechen des Lichtbogens aus der Achse der rota tionssymmetrischen Kontaktanordnung bewirkt aber an den düsen förmigen abbrennfesten Elektroden einen erhöhten einseitigen Abbrand und eine Verzögerung des Einlaufens des Lichtbogens in den inneren Teil des hohlen Kontaktstücks. Dies hat eine Beein trächtigung des Schaltvermögens des Leistungsschalters zur Folge. Die Geometrie bzw. konstruktive Gestaltung der Zulei tungsschleifen ist jedoch außerhalb der Unterbrechereinheit meist nur schwer zu verändern.With compressed gas-insulated electrical high-voltage power switches that are in the open air or in gas-insulated encapsulated High-voltage switchgear are used Supply lines to the interrupter units often represent loops, in which magnetic fields are built up on the arc exert a force in the interrupter unit which Turn off any arcing arising from this loop drives. The arc breaks out of the axis of the rota but symmetrical contact arrangement causes at the nozzles shaped burn-resistant electrodes an elevated one-sided Burning and a delay in the entry of the arc the inner part of the hollow contact piece. This has a leg the switching capacity of the circuit breaker Episode. The geometry or constructive design of the Zulei However, the processing loop is outside the breaker unit mostly difficult to change.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, im Innern der Unterbrechereinheit eine Kompensationsmöglichkeit zu schaffen.The invention is therefore based on the object in the interior Interrupter unit to create a possibility of compensation.

Zur Lösung dieser Aufgabe sind bei einem druckgasisolierten Hochspannungsschalter der eingangs beschriebenen Art gemäß der Erfindung die ringsektorförmigen Körper auf der dem rohrför migen Körper zugewandten Außenfläche der abbrennfesten Elektro de angeordnet, wobei sie, jeweils von der der Trennstrecke abgewandten Stirnfläche der Elektrode ausgehend, sich zumindest angenähert über die halbe axiale Länge der Elektrode erstrecken und an der der Trennstrecke zugewandten Stirnseite bis auf die Außenfläche des hohlen Kontaktstücks geführt sind.To solve this problem are with a pressurized gas insulated High-voltage switch of the type described in the introduction Invention the ring sector-shaped body on the tubular body facing outer surface of the fire-resistant electric de arranged, whereby, each of that of the separation section facing away from the face of the electrode, at least extend approximately half the axial length of the electrode and on the front side facing the separation zone except for the The outer surface of the hollow contact piece are guided.

Durch diese Anordnung der beiden ringsektorförmigen Körper, d. h. der beiden Teilzylinder bildende Schalen, in einem Ringraum, der im Übergangsbereich zwischen der Außenfläche der Elektrode - von einer Stirnfläche ausgehend - und dem rohrförmigen Körper des hohlen Kontaktstücks liegt und auf der der Trennstrecke zugewandten Seite bis an die Außenfläche des Kontaktstücks geführt ist, wird erreicht, daß der während des Ausschaltvorganges über den Lichtbogen fließende Strom nicht unmittelbar von der düsenförmigen, abbrennfesten Elektrode auf den rohrförmigen Körper des Kontaktstücks übertreten kann, sondern stets seinen Weg über die beiden ringsektorförmigen Körper nehmen muß.Due to this arrangement of the two ring sector-shaped bodies, d. H. the two part-forming shells, in one Annulus in the transition area between the outer surface the electrode - starting from an end face - and the tubular body of the hollow contact piece lies and on the the side facing the separation distance up to the outer surface of the Contact piece is performed, it is achieved that during the Switch-off process does not flow over the arc flowing current directly from the nozzle-shaped, burn-resistant electrode can pass over the tubular body of the contact piece, but always its way over the two ring sector-shaped Body must take.

Infolge der unterschiedlichen wählbaren elektrischen Leitfähig keit dieser beiden ringsektorförmigen Körper, wobei der eine sogar aus Isolierstoff bestehen kann, wird somit, über den Um fang des hohlen Kontaktstücks gesehen, eine ungleichmäßige Stromverteilung erzwungen, deren Übergangsbereich und Richtung durch die Formgebung dieser ringsektorförmigen Körper, nämlich durch die Wahl der Öffnungswinkel und durch ihre Ausrichtung entlang des Umfangs des Ringraumes, vorherbestimmbar und ein stellbar ist. Dadurch wird der resultierende Strompfad einsei tig radial aus der Düsenachse ausgelenkt und erzeugt ein ent sprechendes inneres Magnetfeld H_i in unmittelbarer Nähe der Düsen.As a result of the different selectable electrical conductivity of these two ring sector-shaped bodies, one of which can even be made of insulating material, an uneven current distribution is thus forced, seen over the circumference of the hollow contact piece, the transition region and direction of which is shaped by the shape of these ring sector-shaped bodies, namely by the choice of the opening angle and by their orientation along the circumference of the annular space, can be predetermined and set. As a result, the resulting current path is deflected radially on one side radially from the nozzle axis and generates a corresponding internal magnetic field H _i in the immediate vicinity of the nozzles.

Dieses Gegenmagnetfeld H_i überlagert sich dem durch die Geome trie der Zuleitungen zu den Unterbrechereinheiten gegebenen äußeren Magnetfeld H_a. Entsprechend der gegebenen Richtung der durch das äußere Magnetfeld H_a hervorgerufenen, auf den Licht bogen einwirkenden Kraft F kann eine Kompensation des äußeren Magnetfeldes H_a durch das Gegenmagnetfeld H_i derart erreicht werden, daß sich ein resultierender Strompfad nahe an der Düsenachse des hohlen Kontaktstücks einstellt und somit die Kraft F verkleinert bzw. unwirksam wird. Die radial gerichteten Strecken des ausgelenkten resultierenden Strompfades bilden dabei den wesentlichen Anteil des Magnetfeldes H_i.This counter magnetic field H _{i is} superimposed on the external magnetic field H _a given by the geometry of the leads to the interrupter units. According to the given direction of the force F caused by the external magnetic field H _a and acting on the arc, compensation of the external magnetic field H _a by the counter magnetic field H _i can be achieved in such a way that a resulting current path is established close to the nozzle axis of the hollow contact piece and thus the force F is reduced or ineffective. The radially directed sections of the deflected resulting current path form the essential part of the magnetic field H _i .

Durch diese Kompensation des äußeren Magnetfeldes H_a unmittel bar im Düsenbereich des Hochspannungsschalters brennt der beim Ausschalten zwischen den düsenförmigen Elektroden des Kontakt systems entstehende Lichtbogen mit von Ausschaltung zu Ausschal tung statistisch verteilten Ort des Fußpunktes auf den Umfang der Düsen und läuft ungehindert in die Düsen ein, woraus eine Erhöhung des Schaltvermögens des Hochspannungsschalters resultiert.Due to this compensation of the external magnetic field H _a direct bar in the nozzle area of the high-voltage switch, the arc that arises when switching off between the nozzle-shaped electrodes of the contact system burns with a statistically distributed location of the base point on the circumference of the nozzles from switching to switching off and runs unimpeded into the nozzles , which results in an increase in the switching capacity of the high-voltage switch.

Im folgenden sei anhand der Fig. 1 und 2 der Zeichnung ein Ausführungsbeispiel, auf das die Erfindung jedoch nicht be schränkt ist, noch näher beschrieben und die Wirkungsweise er läutert.In the following, an embodiment, to which the invention is not limited, however, is described in more detail with reference to FIGS. 1 and 2 of the drawing and the mode of operation he explains.

Fig. 1 zeigt schematisch im Längsschnitt eine Kontaktanordnung für einen druckgasisolierten Hochspannungsschalter nach der Erfindung. Fig. 1 shows schematically in longitudinal section a contact arrangement for a compressed gas insulated high voltage switch according to the invention.

Fig. 2 zeigt einen Radialschnitt durch das hohle Kontaktstück entsprechend der Schnittlinie II-II in Fig. 1. FIG. 2 shows a radial section through the hollow contact piece according to section line II-II in FIG. 1.

Bei einem SF₆-Blaskolben-Hochspannungs-Leistungsschalter ent hält die nicht im ganzen dargestellte Unterbrechereinheit inner halb des ebenfalls nicht dargestellten Gehäuses das Kontaktsy stem 1 und das als Löschgas dienende SF₆. Dieses Kontaktsy stem 1 weist zwei einander gegenüberliegende, hohle Kontakt stücke 2 auf, welche die Trennstrecke 3 begrenzen. Die hohlen Kontaktstücke 2 bestehen im wesentlichen aus einem rohrförmigen Körper 4, z. B. aus Kupfer, der auf der der Trennstrecke 3 zugewandten Stirnseite eine düsenförmige, abbrennfeste Elek trode 5 aus Graphit trägt. Diese düsenförmige, abbrennfeste Elektrode 5 erstreckt sich zum Teil in den inneren Hohlraum 6 des als Träger dienenden rohrförmigen Körpers 4 und somit des hohlen Kontaktstücks 2 und erleichtert die Abfuhr der während der Lichtbogendauer beim Ausschalten des Leistungsschalters entstehenden heißen Gase über diesen Hohlraum 6.In an SF ₆ blown bulb high-voltage circuit breaker, the interrupter unit (not shown in the whole) contains the contact system 1 within the housing (also not shown ) and the SF ₆ serving as an extinguishing gas. This Kontakttsy stem 1 has two opposing, hollow contact pieces 2 , which limit the separation distance 3 . The hollow contact pieces 2 consist essentially of a tubular body 4 , for. B. made of copper, on the face 3 facing the end face carries a nozzle-shaped, burn-resistant electrode 5 made of graphite. This nozzle-shaped, burn-off-resistant electrode 5 extends partly into the inner cavity 6 of the tubular body 4 serving as a support and thus of the hollow contact piece 2 and facilitates the removal of the hot gases which arise during the arc duration when the circuit breaker is switched off via this cavity 6 .

Die düsenförmige Elektrode 5 ist nicht unmittelbar vom rohrför migen Körper 4 getragen, sondern zwischen der Außenfläche 7 der Elektrode 5 und dem rohrförmigen Körper 4 ist ein Ringraum 8 ausgespart, der von der der Trennstrecke 3 abgewandten Stirn fläche 9 der düsenförmigen Elektrode 5 ausgeht und benachbart zur Trennstrecke 3 bis auf die Außenfläche 10 des hohlen Kontaktstückes 2 geführt ist. In diesem Ringraum 8 liegen zwei ringsektorförmige Körper 11, 12, die sich zumindest angenähert über die halbe axiale Länge der Elektrode 5 erstrecken. Ihre Öffnungswinkel alpha bzw. beta ergänzen sich zu 360°, so daß sie den gesamten Umfang des Ringraumes 8 ausfüllen. Ein Stromfluß von der Elektrode 5 zum rohrförmigen Körper 4 des hohlen Kontaktstückes 2 muß also zwangsläufig seinen Weg über diese ringsektorförmigen Körper 11, 12 nehmen.The nozzle-shaped electrode 5 is not carried directly by the tube-shaped body 4 , but between the outer surface 7 of the electrode 5 and the tubular body 4 , an annular space 8 is recessed, the surface 9 of the nozzle-shaped electrode 5 extending from the end face facing away from the separating section 3 and adjacent to the isolating section 3 up to the outer surface 10 of the hollow contact piece 2 . In this annular space 8 there are two ring sector-shaped bodies 11 , 12 which extend at least approximately over half the axial length of the electrode 5 . Their opening angles alpha and beta add up to 360 °, so that they fill the entire circumference of the annular space 8 . A current flow from the electrode 5 to the tubular body 4 of the hollow contact piece 2 must therefore inevitably make its way over these ring sector-shaped bodies 11 , 12 .

Im Einschaltzustand des SF₆-Blaskolben-Hochspannungs-Leistungs schalters ist die Trennstrecke 3 durch das bewegliche Schalt stück 13 überbrückt. Dessen federnd gelagerte Kontaktlamellen 14 liegen jeweils an der Außenfläche 10 der hohlen Kontaktstücke 2 an und bilden somit den Nennstromkontakt. Dieser liegt aber außerhalb des Bereiches der ringsektorförmigen Körper 11, 12.In the switched-on state of the SF ₆ blower piston high-voltage circuit breaker, the isolating section 3 is bridged by the movable switching piece 13 . Whose resiliently mounted contact blades 14 each rest on the outer surface 10 of the hollow contact pieces 2 and thus form the nominal current contact. However, this lies outside the area of the ring sector-shaped bodies 11 , 12 .

Mit dem beweglichen Schaltstück 13 ist außerdem ein Blaszylin der 15 verbunden und ein die Gasströmung beeinflussendes Blas gitter 16. Im Innern des Blaszylinders 15 liegt ferner der ortsfest angeordnete Blaskolben 17. Zur Vereinfachung der Darstellung ist das bewegliche Schaltsück 13 und die Anordnung des Blaskolbens 17 und des Blaszylinders 15 nur im unteren Teil der Fig. 1 dargestellt. Die gezeigte Lage entspricht einer Zwischenstellung während der Ausschaltbewegung des beweglichen Schaltstücks 13, bei der zwischen den beiden düsenförmigen Elektroden 5 ein Lichtbogen 18 brennt, so daß ein Strom I fließt.With the movable contact piece 13 , a Blaszylin 15 is also connected and a blowing grid influencing the gas flow 16 . In the interior of the blowing cylinder 15 there is also the blowing piston 17 arranged in a fixed position. To simplify the illustration, the movable switching piece 13 and the arrangement of the blow piston 17 and the blow cylinder 15 are only shown in the lower part of FIG. 1. The position shown corresponds to an intermediate position during the switching-off movement of the movable contact piece 13 , in which an arc 18 burns between the two nozzle-shaped electrodes 5 , so that a current I flows.

Die gegebene konstruktive Anordnung der nicht dargestellten äußeren Zuleitungen zu der Unterbrechereinheit des Hochspan nungs-Leistungsschalters bilden eine Schleife, durch welche ein äußeres Magnetfeld H_a induziert wird (angedeutet, auch in seiner Richtung, durch den Kreis mit Punkt). Dieses hat eine nach unten gerichtete Kraft F, die auf den Lichtbogen 18 einwirkt, zur Folge.The given structural arrangement of the outer leads, not shown, to the interrupter unit of the high-voltage circuit breaker form a loop through which an external magnetic field H _{a is} induced (indicated, also in its direction, by the circle with a dot). This results in a downward force F, which acts on the arc 18 .

Um diese Kraft F zu kompensieren, liegen die Elektroden 5 in den beiden schalenartigen, ringsektorförmigen Körpern 11 und 12, von denen der schraffierte obere Körper 11 mit dem Öffnungswin kel alpha aus einem Material höherer elektrischer Leitfähig keit, wie z. B. Kupfer besteht, während der schwarz angelegte untere Körper 12 mit dem Öffnungswinkel beta aus dem Material niedrigerer Leitfähigkeit, z. B. Isolierstoff, wie Polytetra fluoräthylen, besteht. Der Stromübergang von der Elektrode 5 auf den rohrförmigen Körper 4 (oder umgekehrt) findet somit hauptsächlich im Bereich des gut leitenden oberen Körpers 11 statt. Dies hat zur Folge, daß, wie in Fig. 1 dargestellt, der resultierende Stromverlauf I zunächst aus der strichpunktiert angedeuteten Düsenachse 19 um die radial gerichtete Strecke 20 nach oben ausgelenkt wird und dann im rechten Kontaktstück 2 wieder um die radial gerichtete Strecke 21 nach unten (Para meter d) geführt ist. Diese Auslenkung des resultierenden Strompfades aus der Düsenachse 19 heraus erzeugt in unmittel barer Nähe der Düsen (Elektroden 5) ein Gegenmagnetfeld H_i, das durch den Kreis mit Kreuz angedeutet ist.In order to compensate for this force F, the electrodes 5 lie in the two shell-like, ring-sector-shaped bodies 11 and 12 , of which the hatched upper body 11 with the opening angle alpha of a material of higher electrical conductivity, such as, for. B. copper, while the black body 12 with the opening angle beta of the lower conductivity material, for. B. insulating material, such as polytetra fluorethylene. The current transfer from the electrode 5 to the tubular body 4 (or vice versa) thus takes place mainly in the area of the highly conductive upper body 11 . This has the consequence that, as shown in Fig. 1, the resulting current profile I is first deflected upward from the nozzle axis 19 indicated by dash-dotted lines by the radially directed path 20 and then in the right contact piece 2 again downwards by the radially directed path 21 (Para meter d) is performed. This deflection of the resulting current path out of the nozzle axis 19 generates in the immediate vicinity of the nozzles (electrodes 5 ) a counter magnetic field H _i , which is indicated by the circle with a cross.

Der entscheidende Anteil des Magnetfeldes H_i wird durch die radial gerichteten Strecken 20, 21 der resultierenden Strom pfade erzeugt. Dieses Gegenmagnetfeld H_i ist dem durch Pfeile angedeuteten Parameter d proportional und den durch Pfeile angedeuteten Längen l₁ und l₂ umgekehrt proportional. Durch die Wahl des Parameters d - bestimmt durch die Leitfähigkeit und die Öffnungswinkel (alpha und beta) der ringsektorförmigen Körper 11, 12 - und der Parameter l₁ und l₂ - bestimmt durch die axiale Länge der schalenförmigen Körper 11, 12 - läßt sich die Größe des Magnetfeldes H_i und damit ein bestimmter Kompen sationsgrad einstellen. Die Parameter l₁ und l₂ können auch noch durch die axiale Anordnung der ringsektorförmigen Körper 11, 12 innerhalb des Bereiches der Elektroden 5 beeinflußt werden.The decisive part of the magnetic field H _i is generated by the radially directed paths 20 , 21 of the resulting current paths. This counter magnetic field H _i is proportional to the parameter d indicated by arrows and inversely proportional to the lengths l ₁ and l ₂ indicated by arrows. By choosing the parameter d - determined by the conductivity and the opening angle (alpha and beta) of the ring sector-shaped body 11 , 12 - and the parameters l ₁ and l ₂ - determined by the axial length of the bowl-shaped body 11 , 12 - the Set the size of the magnetic field H _i and thus a certain degree of compensation. The parameters l ₁ and l ₂ can also be influenced by the axial arrangement of the ring sector-shaped bodies 11 , 12 within the region of the electrodes 5 .

Claims

1. Pressurized gas-insulated high-voltage switch, in particular SF ₆ - high-voltage circuit breaker, with at least one hollow contact piece ( 2 ), consisting of a tubular body ( 4 ) which, on the end face facing the isolating section ( 3 ), has a nozzle-shaped, burn-resistant electrode ( 5 ), in particular made of graphite, and in which in the area of the burn-off fixed electrode ( 5 ) an annular space ( 8 ) two ring sector-shaped body ( 11 , 12 ) made of material of different electrical conductivity are arranged, characterized in that the ring sector-shaped body ( 11 , 12 ) are arranged on the outer surface ( 7 ) of the flame-resistant electrode ( 5 ) facing the tubular body ( 4 ), at least starting from the end face ( 9 ) of the electrode ( 5 ) facing away from the separating section ( 3 ) Approximately extend over half the axial length of the electrode ( 5 ) and on the parting line ( 3 ) facing forehead ite up to the outer surface ( 10 ) of the hollow contact piece ( 2 ).

2. Gas-insulated high-voltage switch according to claim 1, characterized in that the opening angle of the two ring sector-shaped body ( 11 , 12 ) are of different sizes.