DE69109508T2 - Mittelspannungsschalter mit Selbstbeblasung. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft einen Trennschalter für mittlere oder hohe Spannung, bei dem die Isolierung durch ein Gas mit guten dielektrischen Eigenschaften bewirkt wird, wie z.B. Schwefelhexafluorid SF&sub6;, wobei dieses gleiche Gas durch automatische Blaswirkung den Lichtbogen löscht, der sich bei der Trennung der Bogenkontakte des Schalters bildet.
• Bei dieser Art Gerät gibt es ein thermisches Volumen oder Blasvolumen genanntes Volumen, das die Lichtbogenkontakte enthält und das zum Zeitpunkt der Trennung der Kontakte vom Lichtbogen erwärmt wird und daher einen Druckanstieg erfährt. Beim ersten Nulldurchgang des Stroms dehnt sich das Gas aus und löscht den Lichtbogen.
• Die bei der Herstellung eines solchen Geräts auftretenden Schwierigkeiten sind bekannt:
• - Beim Unterbrechen der Ströme geringer Stärke (zum Beispiel eines Werts bis zur Nenn-Stromstärke, in dem Stromkreis, in den der Schalter eingefügt ist) kann der Druckanstieg nicht ausreichend oder zu groß sein, je nach der Größe des Blasvolumens. Wenn das Blasvolumen groß ist, ist der Druckanstieg gering und die Blaswirkung kann unzureichend sein; wenn das Blasvolumen klein ist, ist der Druckanstieg groß, aber die Dauer des Blasens kann für eine gute Wirksamkeit unzureichend sein.
• - Beim Unterbrechen von Strömen großer Stärke (zum Beispiel Kurzschlußströme) dürfen der Druckanstieg und die Erwärmung nicht zu groß sein, was den Unterbrechungsversuch scheitern lassen könnte.
• Um dieses Problem zu lösen, wurde insbesondere von der Druckschrift EP-A-0 315 505 vorgeschlagen, eine Trennkammer vorzusehen, die als Blasvolumen dient und ein je nach der Stromstärke des zu unterbrechenden Stroms veränderliches Volumen aufweist.
• Dies wird dadurch erhalten, daß der feste Lichtbogenkontakt, den man normalerweise bei Trennschaltern findet, durch einen halbfesten Kontakt ersetzt wird, der mit einem Kolben verbunden ist, welcher von einer Gegenfeder zurückgestoßen wird.
• Je nach der Stromstärke des zu unterbrechenden Stroms ist die Bewegung des Kolbens mehr oder weniger lang und demgemäß das Blasvolumen mehr oder weniger groß.
• Ein solches Gerät hat einen Nachteil.
• Beim Unterbrechen der Ströme großer Stromstärke erzeugt das schnelle und vollständige Ansteigen des halbfesten Kontakts, das die Feder nicht begrenzen kann, eine übertrieben große Verlängerung des Lichtbogens, was eine zu starke Erwärmung des Blasgases hervorrufen würde mit Gefahren eines dielektrischen Durchschlags bei der Unterbrechung, einer übertriebenen Verschmutzung des den Lichtbogen umgebenden Milieus und eines Fehlschlags der zweiten Unterbrechung bei Zyklen der Art "Öffnen - nach 0,3s Schließen, Öffnen" führen.
• Ein erstes Ziel der Erfindung ist es, die Unterbrechung starker Ströme durch automatische Blaswirkung mit Wärmeausdehnung in einem zu diesem Zweck bemessenen Wärmeausdehnungsvolumen und die Unterbrechung schwacher Ströme durch zusätzliche autopneumatische Blaswirkung mit Kolbensteuerung nur in einem Teil des Wärmeausdehnungsvolumens durchzuführen.
• Ein zweites Ziel der Erfindung ist die Herstellung eines Geräts, bei dem die Geschwindigkeit und der Anstiegshub des halbfesten Elements fortschreitend begrenzt werden.
• Ein drittes Ziel der Erfindung ist die Herstellung eines Geräts, bei dem ein frisches Gas in den Bereich der Lichtbogenkontakte bei einem Einschaltvorgang injiziert wird, was bei Betriebszyklen der oben erwähnten Art deutlich den Betrieb des Geräts verbessert.
• Diese Ziele werden durch den erfindungsgemäßen Trennschalter, wie er im Anspruch 1 definiert ist, erreicht. Bezüglich von Merkmalen einer bevorzugten Ausführungsform dieses Trennschalters wird auf die abhängigen Patentansprüche verwiesen.
• Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben.
• Figur 1 zeigt im axialen Schnitt einen erfindungsgemäßen Trennschalter in der eingeschalteten Stellung.
• Figur 2 zeigt einen axialen Schnitt durch den gleichen Trennschalter bei einem Abschalten eines Stroms geringer Stärke.
• Figur 3 zeigt einen axialen Schnitt durch den gleichen Trennschalter bei einem Abschalten eines Kurzschlußstroms.
• Figur 4 zeigt einen axialen Schnitt durch den gleichen Trennschalter bei einem Einschaltmanöver.
• Figur 1 zeigt eine Hülle 1 aus isolierendem Material, in deren Innerem sich ein Gas mit guten dielektrischen Eigenschaften wie Schwefelhexafluorid SF&sub6; unter einem Druck von einem bis einigen Bar befindet. Ein erster Stromanschluß 2, der die Hülle dicht durchquert, ist elektrisch über eine Litze 3 mit einem ersten Kontakt 4 verbunden, der aus weiter unten erläuterten Gründen "halbfest" genannt wird. Der rohrförmige Kontakt 4 endet in einem Verbrauchsteil 4A aus einem Material, das den Wirkungen des elektrischen Bogens widersteht, zum Beispiel aus einer Legierung auf Wolframbasis.
• Ein zweiter Stromanschluß 5, der die Hülle dicht durchquert, ist elektrisch über Gleitkontakte 6 mit einem Stab 7 verbunden, der einen beweglichen Kontakt des Trennschalters bildet; der Stab 7 durchquert die Hülle dicht und ist mit einem nicht dargestellten Betätigungsmechanismus verbunden. Der Stab 7 besitzt ein Ende 7A aus einem den Wirkungen des elektrischen Lichtbogens widerstehenden Material.
• Der halbfeste Kontakt 4 trägt einen Kolben 8, der in einem festen Zylinder 9 gleitet; der Hub des Kolbens 8 wird von einer unteren Schulter 11 und einer oberen Krone 12 begrenzt; der halbfeste Kontakt 4 wird von einer Feder 13 belastet, die komprimiert ist, wenn der Trennschalter sich in der eingeschalteten Position befindet, wie dies in Figur 1 der Fall ist.
• Der Zylinder 9 ist mit einem Boden 14 an einem Zylinder 15 größerer Abmessungen befestigt; der Zylinder 15 ist an der Hülle 1 befestigt; er trägt an einem Ende eine Düse 16 aus Isolierstoff, durch die der Stab 7 gleitet.
• Der Kolben 8 trennt das Innere des Zylinders in zwei Volumen, nämlich V1 im unteren Bereich der Figur und V2 im oberen Bereich. Die Volumen V1 und V2 können über Öffnungen 18 im Kolben in Verbindung stehen; diese Öffnungen können gleichzeitig von einem Einwegventil verschlossen werden, das aus einer Scheibe 19 besteht, die von einer Schulter 21 des Kolbens 8 gehalten wird. Das Volumen V2 kann mit dem Volumen V3 außerhalb des Zylinders 9 über Öffnungen 22 in Verbindung stehen, die im Boden dieses Zylinders angebracht sind; diese Öffnungen können gemeinsam von einem Einwegventil verschlossen werden, das von einer Scheibe 23 gebildet wird, die von der Krone 12 gehalten wird.
• Öffnungen 24 im Zylinder 15 erleichtern die Strömung des Gases im Inneren der Hülle 1.
• V4 bezeichnet das Volumen zwischen den Zylinder 15 und 9; dieses Volumen V4, das in dauerhafter Verbindung mit dem Volumen V1 über einen Durchlaß zwischen der Düse 16 und dem Ende des Zylinders 9 steht, bildet mit dem Volumen V1 ein gemeinsames Wärmeexpansions-Volumen V1+V4 des Trennschalters.
• Nun wird der Betrieb des Trennschalters beschrieben.
Unterbrechung von Strömen geringer Stärke
• Es handelt sich um Ströme, deren Stärke bis zur Nenn-Stromstärke der Leitungsphase reicht, in die der Trennschalter eingefügt ist.
• Der Stab 7 wird vom Betätigungsmechanismus in der Figur nach unten gezogen. Der von der Feder 13 belastete halbfeste Kontakt 4 begleitet den Stab in seiner Bewegung, bis er durch die Schulter 11 angehalten wird. Der Stab setzt seine Bewegung alleine fort und bewirkt so die Trennung der Kontakte. Ein Lichtbogen 50 entsteht zwischen den Kontakten (Figur 2) und erwärmt das umgebende Gas. Der von der Bewegung des Kolbens 8 und der Erwärmung des Gases in den Volumen V1 und V4 erzeugte Überdruck bewirkt ein Anblasen des Lichtbogens durch die Düse 16 und den Kontakt 4A und sein Löschen bei einem Nulldurchgang des Stroms.
• Während dieses Vorgangs hat der leichte Überdruck im Volumen V1 das Ventil 19 gegen seinen Sitz gedrückt und so das Volumen V2 isoliert.
Unterbrechung von Strömen großer Stärke
• Es handelt sich um Kurzschlußströme.
• Der Ausschaltvorgang ist der gleiche wie der soeben beschriebene bis zur Trennung der Kontakte.
• Aber dieses Mal ist der Lichtbogen 51 (Figur 3) sehr groß und bewirkt eine Wärmeabgabe, die zu einem sehr großen Druckanstieg in den Volumen V1 und V4 führt. Der Kontakt 4 wird nach oben in der Figur gestoßen aufgrund des sehr hohen Drucks, der auf den Kolben 8 ausgeübt wird und der eine größere Kraft als die der Feder 13 erzeugt. Das Volumen V1 wird so vergrößert, so daß der dort herrschende Druck zwar groß ist, aber von annehmbarem Wert bleibt.
• Der Überdruck im Volumen V1 bewirkt das Schließen des Ventils 19, das das Volumen V2 isoliert. Dieses letztere verkleinert sich aufgrund der Bewegung des Kolbens 8; daraus folgt ein Anstieg des Drucks im Volumen V2, der einerseits das Ventil 23 schließt und andererseits die Geschwindigkeit und den Hub des Kolbens 8 begrenzt, wobei das Gas des Volumens V2 die Rolle eines Dämpfers spielt. So verlängert sich der Lichtbogen 51 nicht übermäßig, was es erlaubt, die Erwärmung und die Verschmutzung des umgebenden Gases durch die Zersetzungsprodukte des SF&sub6;-Gases zu begrenzen.
• Der im wesentlichen durch Wärmeausdehnung in den Volumen V1 und V4 erzeugte Überdruck bewirkt ein Ausblasen des Lichtbogens durch die Düse 16 und den Kontakt 4A und sein Löschen bei einem Nulldurchgang des Stroms.
• Nach dem Löschen des Lichtbogens bringt die Feder 13 den halbfesten Kontakt in Anschlag gegen die Schulter 1, wie Figur 2 zeigt.
Wiedereinschalten
• Beim Wiedereinschalten, das durch Verschieben des Stabs 7 nach oben in der Figur (Figur 4) geschieht, entsteht ein Unterdruck im Volumen V1, das das Ventil 19 öffnet. Nicht verschmutztes Gas aus dem Volumen V2 durchquert dann die Öffnungen 18, was die dielektrische Qualität des Gases in den Volumen V1 und V4 verbessert und so den Erfolg eines eventuellen Unterbrechungsvorgangs begünstigt, der kurz nach dem Wiedereinschalten durchgeführt würde (Fall eines Zyklus Öffnen - nach 0,3 Sekunden Schließen, Öffnen).
• Die Erfindung ist auf Trennschalter für mittlere und hohe Spannung anwendbar.

Claims (5)

1. Trennschalter für Mittel- oder Hochspannung mit automatischem Ausblasen des Lichtbogens, wobei der Schalter eine mit einem dielektrischen Gas gefüllte dichte Hülle (1) aufweist, in der ein erster halbfester Kontakt (4), der elektrisch mit einem ersten Stromanschluß (2) verbunden ist, und ein zweiter, beweglicher Kontakt (7) angeordnet sind, der mit einem zweiten Stromanschluß (5) und mechanisch mit einem Betätigungsorgan verbunden ist, wobei der halbfeste Kontakt (4) fest mit einem Kolben (8) verbunden ist, der sich in einem Zylinder (9) bewegt und der im Zylinder (9) ein erstes Volumen (V1) im Bereich des Lichtbogens und ein zweites Volumen (V2) begrenzt, wobei das erste Volumen (V1) mit einer Blasdüse (16), durch die der bewegliche Kontakt (7) gleitet, ein Wärmeausdehnungsvolumen bildet, und der halbfeste Kontakt (4) der Wirkung einer Feder (13) unterworfen ist, die bei einem Ausschaltvorgang den halbfesten Kontakt in die gleiche Richtung wie den festen Kontakt (7) drückt, wobei die Verschiebung des halbfesten Kontakt s während des Ausschaltvorgangs vor dem Hubende des Betätigungsorgans begrenzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Volumen (V2) erste Öffnungen (22) aufweist, die es mit der Außenseite des Zylinders (9) verbinden, daß die ersten Öffnungen mit ersten Einwegventilen (23) ausgestattet sind, die die ersten Öffnungen verschließen, wenn der Druck im zweiten Volumen (V2) höher als der in der Hülle herrschende Druck ist, und daß der Kolben (8) mit zweiten ihn durchquerenden öffnung (18) versehen ist, die zweite Einwegventile (19) aufweisen, die die Öffnungen verschließen, wenn der Druck im ersten Volumen (V1) höher als der Druck im zweiten Volumen (V2) wird.

2. Trennschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Ventile aus einer gemeinsamen ersten Scheibe (23) bestehen.

3. Trennschalter nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Ventile aus einer gemeinsamen zweiten Scheibe (19) bestehen.

4. Trennschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Volumen (V1) permanent mit einem Volumen (V4) über einen Durchlaß zwischen der Düse (16) und dem Zylinder (9) in Verbindung steht.

5. Trennschalter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß dieses Volumen (V4) von diesem Zylinder (9) und einem zweiten Zylinder (15) begrenzt wird, der koaxial zum erstgenannten Zylinder (9) liegt.