DE69419681T2 - Gasisolierter Hochspannungsschalter mit rotierendem Lichtbogen - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft einen Drehlichtbogenschalter mit einem Isoliergas hoher dielektrischer Festigkeit, der
• - einen feststehenden Kontakt sowie einen beweglichen Kontakt, ein gasdichtes Gehäuse, das mit dem genannten Gas gefüllt ist und eine, den feststehenden sowie den beweglichen Kontakt umgebende Lichtbogenlöschkammer bildet,
• - eine Anordnung mit einer Spule, um den Lichtbogen auf dem feststehenden Kontakt in Drehung zu versetzen,
• - sowie eine, in der Lichtbogenlöschkammer angeordnete Kühlvorrichtung mit mehreren Flachringen oder Blechen umfaßt, die zur Bildung von aufeinanderfolgenden Ringzwischenräumen annähernd parallel sowie in einem bestimmten Abstand zueinander angeordnet sind.
• Die Druckschrift FR-A-2 371 762 beschreibt einen Drehlichtbogenschalter der genannten Art mit Ringen (8), die dazu dienen, den Lichtbogen zu kühlen und eine Einschnürung des Gases zu bewirken. Dabei hat jeder dieser Ringe die Form einer Flachscheibe, deren Innendurchmesser bzw. Durchmesser der Mittelöffnung geringfügig größer ist als der Außendurchmesser eines erweiterten Abschnitts des beweglichen Kontakts (11), so daß das in der Lichtbogenlöschkammer erzeugte Gas zwangsweise in Längsrichtung in den, zwischen dem Außendurchmesser des beweglichen Kontakts und dem Innendurchmesser der Mittelöffnung jedes Rings (8) ausgebildeten Raum geführt wird, wodurch sich eine Einschnürung des Gases ergibt. Andererseits verläuft der Lichtbogen in solchen bekannten Schaltern im wesentlichen am Innenrand der Ringe entlang, so daß die Ringe zwar die Kühlung des Lichtbogens bewirken, das ionisierte Gas jedoch nicht ausreichend gekühlt wird. Das Ausschaltvermögen eines solchen Leistungsschalters ist begrenzt.
• Die Druckschrift EP-A-0 064 425 beschreibt einen Drehlichtbogenschalter mit einer im Innern einer Lichtbogenlöschkammer ausgebildeten, in Form einer Zylinderhülse ausgeführten und konzentrisch zur im wesentlichen ringförmigen Lichtbogenlöschkammer angeordneten Wand (44), welche Wand (44) dazu dient, den Gasstrom so zu führen, daß er im Innern der Lichtbogenlöschkammer in eine Drehbewegung versetzt wird, um so die Lichtbogenlöschung durch diese Gaszirkulation zu verbessern. Diese Wand (44) ist einstückig ausgeführt und weist daher nur zwei, einander gegenüberliegende zylindrische Oberflächen auf, wobei vom Gas beaufschlagte Berührungsfläche dieser annähernd konzentrisch um die Mittellängsachse des Schalters verlaufenden Oberflächen nicht ausreicht, um eine wesentliche Kühlung dieses Gases zu bewirken.
• Darüber hinaus treten bei diesen in den genannten Druckschriften beschriebenen Schaltern nach dem bisherigen Stand der Technik im allgemeinen "Lichtbogen- Nachströme" auf. Diese allgemein bekannte Erscheinung tritt auf, wenn der herkömmliche Schalter einen Strom abschaltet; dessen Höhe im Bereich des für diesen Schalter maximal zulässigen Stroms liegt, welcher bei einer Hochspannungsanlage beispielsweise 30 kA betragen kann. Bei diesen Lichtbogen-Nachströmen handelt es sich um Ströme, die nach dem Öffnen der elektrischen Kontakte über einige Zehntel Millisekunden fließen können, ohne die Abschaltung zu verhindern. Diese Ströme werden als "wiederkehrende Nachströme" bezeichnet.
• Eine der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, einen Hochspannungsschalter mit Drehlichtbogen zu schaffen, mit dem ohne Vergrößerung der Schalterabmessungen ein höheres Ausschaltvermögen erzielt werden kann.
• Eine weitere der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, einen Schalter der genannten Art zu schaffen, der darüber hinaus seine verbesserten Eigenschaften bei geringeren Schalterabmessungen beibehält.
• Eine weitere, der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, einen Schalter der genannten Art zu schaffen, der darüber hinaus das Auftreten von "wiederkehrenden Nachströmen" verhindert, wenn der Schalter zur Abschaltung von elektrischen Strömen eingesetzt wird, deren Höhe im Bereich des für diesen Schalter maximal zulässigen Stroms liegt.
• Der erfindungsgemäße Schalter ist dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlvorrichtung mittels Befestigungsmitteln fest mit einem biegesteifen Teil des Schalters verbunden ist, daß jeder der genannten Ringe im wesentlichen als annähernd flache und dünne, scheibenförmige Platte mit einer Mittelöffnung ausgebildet ist, deren Durchmesser größer ist als der größte Außendurchmesser des beweglichen Kontakts, daß die Ringe annähernd konzentrisch zur Mittellängsachse des genannten Schalters um den beweglichen Kontakt herumgeführt sind und daß der Maximalabstand zwischen dem feststehenden und dem beweglichen Kontakt kleiner oder gleich der Summe aus dem Mindestabstand zwischen der genannten Kühlvorrichtung und dem feststehenden Kontakt einerseits und dem Mindestabstand zwischen der genannten Kühlvorrichtung und dem vollständig geöffneten beweglichen Kontakt andererseits ist.
• Zum besseren Verständnis der Erfindung sind mehrere Ausgestaltungen in den beigefügten Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung unter Angabe der genannten sowie weiterer Aufgaben, Merkmale und Vorteile näher erläutert. Dabei zeigen
• Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Schalter in einer vereinfachten Längsschnittdarstellung gemäß einer ersten Ausgestaltung der Erfindung;
• Fig. 1A eine Seitenansicht eines Rings der Kühlvorrichtung;
• Fig. 2 einen erfindungsgemäßen Schalter in einer vereinfachten Längsschnittdarstellung gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung;
• Fig. 3 einen erfindungsgemäßen Schalter in einer vereinfachten Längsschnittdarstellung gemäß einer wiederum anderen Ausgestaltung der Erfindung;
• Fig. 4 einen erfindungsgemäßen Schalter in einer vereinfachten Längsschnittdarstellung gemäß einer wiederum anderen Ausgestaltung der Erfindung und
• Fig. 5 einen vergrößerten Halbschnitt einer Ausführungsvariante der Erfindung.
• Fig. 1 zeigt die Hauptbestandteile eines Hochspannungsschalters mit Drehlichtbogen 1, der beispielsweise in Leistungsschaltern zum Einsatz kommen kann. In diesem Schalter kommen einige Verbesserungen zur Anwendung, die nachstehend beschrieben werden und es ermöglichen, dem Schalter ein Ausschaltvermögen von über 30 kVA zu verleihen und dabei gleichzeitig die Schalterabmessungen zu reduzieren. Ein solcher Schalter kann beispielsweise auf einfache Weise ausgelegt werden, um Ströme in der Größenordnung von 40 bis 50 kA abzuschalten, ohne daß dabei wiederkehrende Nachströme auftreten.
• Der Schalter 1 ist mit einem Isoliergas hoher dielektrischer Festigkeit, insbesondere Schwefelhexafluorid isoliert und umfaßt einen feststehenden Kontakt 2, einen beweglichen Kontakt 3, ein gasdichtes Gehäuse 4, welches im Innern eine den feststehenden Kontakt 2 sowie den beweglichen Kontakt 3 umgebende Lichtbogenlöschkammer 5 bildet, sowie eine Anordnung 6 zur Erzeugung der Lichtbogendrehung. Die Anordnung 6 zur Erzeugung der Lichtbogendrehung umfaßt eine um den feststehenden Kontakt 2 geführte und über eine Spule 7 mit diesem verbundene, feststehende Ringelektrode. In der Zeichnung ist der bewegliche Kontakt 3 in der oberen Bildhälfte in der Einschaltstellung des Schalters und in der unteren Bildhälfte in der Ausschaltstellung des Schalters dargestellt. Der bewegliche Kontakt 3 ist im wesentlichen als Hohlrohr 8 ausgebildet, das konzentrisch um die Mittellängsachse 9 des Schalters 1 geführt ist. Der bewegliche Kontakt 3 wird entlang dieser Mittellängsachse 9 hin- und hergeschoben. Der feststehende Kontakt 2 ist im wesentlichen ringförmig ausgebildet, und der bewegliche Kontakt 3 ist ebenfalls im wesentlichen ringförmig ausgebildet, wobei die beiden Ringdurchmesser nahezu identisch sind. Der feststehende Kontakt 2 und der bewegliche Kontakt 3 sind über mehrere Anschlußteile 10, 11, 12 fest und gasdicht mit dem gasdichten Gehäuse 4 verbunden. Der feststehende Kontakt 2 ist an eine Klemme oder ein Anschlußelement 13 zur äußeren elektrischen Verbindung angeschlossen, und der bewegliche Kontakt 3 ist fest mit einer mechanischen Betätigungsvorrichtung (nicht dargestellt) gekoppelt, mit der die Hin- und Herbewegung des Kontakts in Längsrichtung gesteuert werden kann, sowie elektrisch mit einer Klemme oder einem Anschlußelement (nicht dargestellt) verbunden. Die Teile 10, 11, 12, 13 sowie die übrigen zuvor erwähnten und in Fig. 1 nicht dargestellten Teile können auf für derartige Hochspannungsschalter mit Drehlichtbogen 1 gut bekannte, herkömmliche Weise ausgeführt sein, so daß diese Teile nachstehend nicht weiter beschrieben werden.
• Eine der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, im Inneren der Lichtbogenlöschkammer 5 eine Gaskühlvorrichtung 14 vorzusehen, die mehrere Funktionen erfüllt, deren Hauptfunktion jedoch darin besteht, bei der Öffnung des beweglichen Kontakts 3 eine schnelle Kühlung der bei der Bildung des Drehlichtbogens erzeugten Löschgase zu bewirken. Die Gaskühlvorrichtung 14 ist als biegesteife Anordnung mit einem ringförmigen Teil ausgebildet, das im Innern der Lichtbogenlöschkammer 5 befestigt und konzentrisch um die Mittellängsachse 9 des Schalters 1 herumgeführt ist. Das gasdichte Gehäuse 4 weist vorzugsweise eine im wesentlichen zylindrische Form auf, so daß die nach außen durch die Innenwand des gasdichten Gehäuses 4 und nach innen durch die Außenwand des Tragrohrs 8 des beweglichen Kontakts 3 begrenzte Lichtbogenlöschkammer 5 als ringförmige Kammer ausgebildet ist.
• Ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen, könnte auch ein Schalter 1 mit einer Lichtbogenlöschkammer ausgelegt sein, deren Form von der Ringform abweicht und beispielsweise als Form mit quadratischen Querschnitt ausgebildet ist, wobei in diesem Fall die Gaskühlvorrichtung 14 ebenfalls eine Form mit quadratischem Querschnitt aufweisen könnte. Es könnten auch weitere Formen in Betracht gezogen werden, ohne daß dadurch der Rahmen der Erfindung verlassen würde.
• Die erfindungsgemäße Gaskühlvorrichtung 14 umfaßt mehrere Ringe 15, wobei jeder Ring 15 als annähernd flache Scheibe ausgebildet ist, d. h. daß jeder Ring 15 einen kreisförmigen Außenrand 16 sowie eine Mittelöffnung aufweist, die durch einen Innenrand 17 begrenzt wird. Die Ringe 15 sind vorzugsweise parallel sowie in einem konstanten oder variablen Abstand zueinander angeordnet, derart daß zwischen den Ringen 15 mehrere Ringzwischenräume 18 ausgebildet werden, die annähernd radial zur Mittellängsachse 9 des Schalters 1 verlaufen. Die Ringe 15 können mit Hilfe von herkömmlichen Stützteilen 19 jeglicher Art, welche eine feste Verbindung der Ringe 15 mit einem biegesteifen Teil 11 des Schalters 1 ermöglichen, in der beschriebenen Position fixiert werden. Bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist nur eins dieser Stützteile 19 dargestellt, wobei dieses Teil 19 im wesentlichen als Gewindestange ausgebildet ist, deren linkes Ende am Anschlußelement 11 befestigt ist und die sich annähernd in Längsrichtung im Innern der Lichtbogenlöschkammer 5 erstreckt. Die Ringe 15 weisen den Stützteilen 19 entsprechende Öffnungen auf und sind in Form eines Stapels auf den durch die Öffnungen der Ringe hindurchgeführten Stützteilen 19 montiert. Zwischen je zwei Ringen 15 sind Abstandshalter 20 eingesetzt, so daß ein bestimmter Abstand der Ringe 1 S zueinander gewährleistet ist, wobei dieser Abstand die Ausbildung der verschiedenen, zuvor beschriebenen Ringzwischenräume 18 ermöglicht.
• Die Funktionsweise der Gaskühlvorrichtung 14 ist nachstehend beschrieben. Entsprechend der Darstellung in Fig. I weist die Gaskühlvorrichtung 14 eine Mittelöffnung auf, deren Durchmesser größer ist als der Außendurchmesser des beweglichen Kontakts 3. Der dem feststehenden Kontakt 2 am nächsten liegende Ring 15A weist einem verhältnismäßig geringen Längsabstand zum feststehenden Kontakt 2 auf, und der Abstand zwischen seinem Innenrand 17 und dem Außenrand des feststehenden Kontakts 2 ist in der Figur mit D1 bezeichnet. Der dem Ring 15A gegenüberliegende Ring 15B liegt entweder dem beweglichen Kontakt 3 in dessen Ausschaltstellung annähernd gegenüber, oder ist entsprechend der Darstellung in der unteren Bildhälfte von Fig. 1 in Bezug zum beweglichen Kontakt 3 nach hinten versetzt, wenn sich dieser in der Ausschaltstellung befindet. Im letzteren Fall stellt in der Ausschaltstellung des beweglichen Kontakts ein zwischen den Endringen 15A und 15B angeordneter Ring 15 denjenigen Ring dar, dessen Innenrand 17 dem Außenrand des in der Ausschaltstellung befindlichen beweglichen Kontakts 3 am nächsten liegt, und der Abstand zwischen diesem Innenrand 17 und dem Außenrand des beweglichen Kontakts 3 entspricht gemäß der Darstellung in Fig. 1 einem Abstand D2. Der Abstand zwischen dem beweglichen Kontakt 3 und dem feststehenden Kontakt 2 entspricht in der Ausschaltstellung des beweglichen Kontakts 3 einem Abstand C. Die Gaskühlvorrichtung 14 ist vorzugsweise so ausgelegt und in der Lichtbogenlöschkammer S angeordnet, daß die Summe der Abstände D1 und D2 dem Abstand C annähernd entspricht oder größer ist als dieser.
• Beim Öffnen des beweglichen Kontakts 3 entsteht ein Drehlichtbogen, der sich annähernd über den kürzesten Weg zwischen dem feststehenden Kontakt 2 und dem beweglichen Kontakt 3 ausbreitet und die Erhitzung des im Innern der Löschkammer 5 enthaltenden Gases bewirkt. Dieses Löschgas strömt radial durch die radialen Zwischenräume 18 der Gaskühlvorrichtung 14 und wird beim Kontakt mit den Ringen 15 wirksam gekühlt. Die Breite der Ringzwischenräume 18, d. h. der Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Ringen 15 ist mit beispielsweise 0,5 bis 5 mm verhältnismäßig klein und die Anzahl der Ringzwischenräume 18 mit beispielsweise 5 bis 20 verhältnismäßig groß. Das Löschgas wird durch die annähernd radial zur Mittellängsachse 9 ausgebildeten Ringzwischenräume 18 geleitet, so daß dieses Gas nicht nur stark gekühlt sondern auch dazu gebracht wird, radial zur allgemeinen Ausbreitungsrichtung des zwischen dem feststehenden Kontakt 2 und dem beweglichen Kontakt 3 abbrennenden Lichtbogens zu strömen. Die Kombination dieser Wirkungen führt dazu, daß das Löschgas den Lichtbogen mit großer Geschwindigkeit radial bebläst, das Innere der Lichtbogenlöschkammer 5 schleifenförmig schnell durchströmt und anschließend durch die Mittelöffnung des Rohrs 8 austritt. Beim Durchströmen der Ringzwischenräume 18 wird dieses Löschgas stark abgekühlt, was folgende Vorteile mit sich bringt:
• - eine schnelle Lichtbogenlöschung,
• - ein schnelles Entweichen des Gasstroms durch das Rohr 8,
• - kein Auftreten von wiederkehrenden Nachströmen.
• Dadurch können Hochspannungsschalter mit Drehlichtbogen für Ausschaltvermögen von 40 bis 50 kA hergestellt werden, ohne die Abmessungen oder die Antriebsenergie erhöhen zu müssen.
• Fig. 2 zeigt eine Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Gaskühlvorrichtung 14. Bei dieser Variante sind die Ringe 15 dicker ausgeführt und in geringerer Anzahl von beispielsweise drei vorhanden, bestehen jedoch aus einem gasdurchlässigen Metallwerkstoff, beispielsweise einem porösen Metallwerkstoff oder einem aus zusammengepreßten Kugeln oder gesinterten Teilchen bestehenden Metallwerkstoff. Daraus folgt, daß die Berührungsfläche zwischen dem Gas und dem Metallwerkstoff erheblich größer wird, wodurch der Wärmeaustausch zwischen dem Gas und den Ringen 15 zunimmt, so daß eine wirksamere Kühlung des Gases erreicht wird.
• Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführungsvariante der Gaskühlvorrichtung 14. Gemäß dieser Variante ist um die Anordnung der Ringe 15 ein ringförmiges Zylinderteil 20 geführt, das in einem gewissen Abstand vom Außenrand 16 der Ringe 15 angeordnet ist und aus einem porösen Metallwerkstoff besteht.
• Fig. 4 zeigt wiederum eine andere Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Gaskühlvorrichtung 14. Die Ringe 15 sind hier wie zuvor im wesentlichen als Flachscheiben ausgebildet, weisen jedoch an jedem Ring ähnliche Wülste auf, die dazu führen, daß nach dem Aufeinanderstapeln der Ringe der zwischen je zwei benachbarten Ringen 15 ausgebildete Ringzwischenraum 18 keine geradlinige sondern eine zickzackförmige Strecke bildet, da die Wülste als Hindernisse wirken. Dies hat eine gewisse Verwirbelung des die Ringzwischenräume 18 durchströmenden Gases zur Folge, wodurch der Wärmeaustausch zwischen dem Gas und den Ringen 15 weiter verstärkt und eine noch wirksamere Kühlung des Gases erreicht werden.
• Bei der in Fig. 5 gezeigten Variante wird der Blech- oder Metallringstapel 15 der Gaskühlvorrichtung 14 mit Hilfe von Gewindebolzen 32 (von denen einer in Figur dargestellt ist) direkt auf der Stirnseite 30 der Spule 7 befestigt. Die Spule 7 besteht aus aufeinanderfolgenden, in Reihe geschalteten Windungen 34, die mit Hilfe von, parallel zu den Gewindebolzen 32 angeordneten Schrauben 36 zusammengehalten werden. Die obere Windung 34 der Spule 7 hat Kontakt zu einem Stromversorgungsanschluß 37, der mit der oberen Klemme 38 des Leistungsschalters verbunden ist. Bei dem in Fig. 5 gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Bleche 15 der Gaskühlvorrichtung durch Isoliermittel, die insbesondere eine um jeden Gewindebolzen 32 geführte Isolierstoffhülse 40 umfassen, elektrisch von der Spule 7 isoliert. Gemäß einer Variante ohne Isoliermittel liegen die Bleche 15 der Gaskühlvorrichtung auf dem gleichen Potential wie die Spule.
• Die Erfindung ist nicht auf die beispielhaft beschriebenen Ausgestaltungen beschränkt. So können die Ringe 15 beispielsweise aus einem Metallwerkstoff oder einem Isolierstoff bestehen. Bei Ausführung der Ringe 15 aus einem elektrisch leitenden Material können Schlitze 30 (siehe Fig. 1A) in diesen Ringen ausgebildet sein, um Wirbelströme zu verhindern bzw. zu begrenzen, die durch die Wirkung der Spule 7 der Anordnung 6 zur Erzeugung der Lichtbogendrehung in den Ringen 15 entstehen können.

Claims (9)

1. Drehlichtbogenschalter mit einem Isoliergas hoher dielektrischer Festigkeit, der

- einen feststehenden Kontakt (2) sowie einen beweglichen Kontakt (3),

- ein gasdichtes Gehäuse (4), das mit dem genannten Gas gefüllt ist und eine, den feststehenden sowie den beweglichen Kontakt umgebende Lichtbogenlöschkammer (5) bildet,

- eine Anordnung (6) mit einer Spule (7), um den Lichtbogen auf dem feststehenden Kontakt in Drehung zu versetzen,

- sowie eine, in der Lichtbogenlöschkammer angeordnete Kühlvorrichtung (14) mit mehreren Flachringen (15) oder Blechen umfaßt, die zur Bildung von aufeinanderfolgenden Ringzwischenräumen (18) annähernd parallel sowie in einem bestimmten Abstand zueinander angeordnet sind,

dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlvorrichtung (14) mittels Befestigungsmitteln fest mit einem biegesteifen Teil des Schalters verbunden ist, daß jeder der genannten Ringe (15) im wesentlichen als annähernd flache und dünne, scheibenförmige Platte mit einer Mittelöffnung ausgebildet ist, deren Durchmesser größer ist als der größte Außendurchmesser des beweglichen Kontakts (3), daß die Ringe annähernd konzentrisch zur Mittellängsachse (9) des genannten Schalters um den beweglichen Kontakt herumgeführt sind und daß der Maximalabstand (C) zwischen dem feststehenden und dem beweglichen Kontakt kleiner oder gleich der Summe aus dem Mindestabstand (D1) zwischen der genannten Kühlvorrichtung und dem feststehenden Kontakt einerseits und dem Mindestabstand (D2) zwischen der genannten Kühlvorrichtung und dem vollständig geöffneten beweglichen Kontakt andererseits ist.

2. Drehlichtbogenschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlvorrichtung (14) an der Stirnseite (30) der Spule (7) befestigt ist.

3. Drehlichtbogenschalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Ringe (15) in annähernd flachen Blechen ausgebildet sind.

4. Drehlichtbogenschalter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Bleche (15) der Kühlvorrichtung durch Isoliermittel, die eine um jeden Gewindebolzen (32) geführte Isolierstoffhülse (40) umfassen, elektrisch von der Spule (7) isoliert sind.

5. Drehlichtbogenschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Ringe (15) in annähernd flachen Isolierblechen ausgebildet sind.

6. Drehlichtbogenschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Ringe (15) in Platten aus einem porösen Material ausgebildet sind.

7. Drehlichtbogenschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Ringe (15) in annähernd flachen, mit Wülsten versehenen Blechen ausgebildet sind.

8. Drehlichtbogenschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in einem gewissen Abstand vom Außenrand (16) der Ringe ein äußeres, ringförmiges Zylinderteil (20) um die genannten Ringe geführt ist.

9. Drehlichtbogenschalter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Metallringe (15) mindestens einen Radialschlitz (30) aufweisen.