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EP1826792A1 - Schaltkammer eines Hochspannungsschalters mit einem Heizvolumen zur Aufnahme von schaltlichtbogenerzeugtem Löschgas - Google Patents

Schaltkammer eines Hochspannungsschalters mit einem Heizvolumen zur Aufnahme von schaltlichtbogenerzeugtem Löschgas Download PDF

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Publication number
EP1826792A1
EP1826792A1 EP06405084A EP06405084A EP1826792A1 EP 1826792 A1 EP1826792 A1 EP 1826792A1 EP 06405084 A EP06405084 A EP 06405084A EP 06405084 A EP06405084 A EP 06405084A EP 1826792 A1 EP1826792 A1 EP 1826792A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
switching chamber
heating volume
chamber according
heating
arc
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
EP06405084A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP1826792B1 (de
Inventor
Andreas Dahlquist
Christian Franck
Martin Seeger
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
ABB Research Ltd Switzerland
ABB Research Ltd Sweden
Original Assignee
ABB Research Ltd Switzerland
ABB Research Ltd Sweden
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Family has litigation
First worldwide family litigation filed litigation Critical https://patents.darts-ip.com/?family=36636668&utm_source=google_patent&utm_medium=platform_link&utm_campaign=public_patent_search&patent=EP1826792(A1) "Global patent litigation dataset” by Darts-ip is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Application filed by ABB Research Ltd Switzerland, ABB Research Ltd Sweden filed Critical ABB Research Ltd Switzerland
Priority to AT06405084T priority Critical patent/ATE407442T1/de
Priority to EP06405084A priority patent/EP1826792B1/de
Priority to DE502006001492T priority patent/DE502006001492D1/de
Priority to PCT/CH2007/000056 priority patent/WO2007098619A1/de
Priority to JP2008556627A priority patent/JP2009528653A/ja
Priority to CN2007800068816A priority patent/CN101390179B/zh
Publication of EP1826792A1 publication Critical patent/EP1826792A1/de
Priority to US12/200,379 priority patent/US20080314873A1/en
Publication of EP1826792B1 publication Critical patent/EP1826792B1/de
Application granted granted Critical
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H33/00—High-tension or heavy-current switches with arc-extinguishing or arc-preventing means
    • H01H33/70—Switches with separate means for directing, obtaining, or increasing flow of arc-extinguishing fluid
    • H01H33/7015—Switches with separate means for directing, obtaining, or increasing flow of arc-extinguishing fluid characterised by flow directing elements associated with contacts
    • H01H33/7023—Switches with separate means for directing, obtaining, or increasing flow of arc-extinguishing fluid characterised by flow directing elements associated with contacts characterised by an insulating tubular gas flow enhancing nozzle
    • H—ELECTRICITY
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    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H33/00—High-tension or heavy-current switches with arc-extinguishing or arc-preventing means
    • H01H33/70—Switches with separate means for directing, obtaining, or increasing flow of arc-extinguishing fluid
    • H01H33/88—Switches with separate means for directing, obtaining, or increasing flow of arc-extinguishing fluid the flow of arc-extinguishing fluid being produced or increased by movement of pistons or other pressure-producing parts
    • H01H33/90—Switches with separate means for directing, obtaining, or increasing flow of arc-extinguishing fluid the flow of arc-extinguishing fluid being produced or increased by movement of pistons or other pressure-producing parts this movement being effected by or in conjunction with the contact-operating mechanism
    • H01H33/901—Switches with separate means for directing, obtaining, or increasing flow of arc-extinguishing fluid the flow of arc-extinguishing fluid being produced or increased by movement of pistons or other pressure-producing parts this movement being effected by or in conjunction with the contact-operating mechanism making use of the energy of the arc or an auxiliary arc
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    • H01H33/70—Switches with separate means for directing, obtaining, or increasing flow of arc-extinguishing fluid
    • H01H33/88—Switches with separate means for directing, obtaining, or increasing flow of arc-extinguishing fluid the flow of arc-extinguishing fluid being produced or increased by movement of pistons or other pressure-producing parts
    • H01H2033/888—Deflection of hot gasses and arcing products

Definitions

  • the present invention relates to a switching chamber of a high voltage switch with a heating volume according to the preamble of claim 1.
  • the invention also relates to a switch with such a switching chamber.
  • the switching chamber of the type mentioned allows the switching off of short-circuit currents in the range of 50 and more kA in the voltage range of up to a few hundred kV. It contains an axially symmetrical contact arrangement with two along a axis relative to each other movable arcing contacts, an insulating, a lsolierangesdüse, a heating volume and between the insulating and Isolierangesdüse partially axially guided and an arc zone with the heating volume connecting heating channel.
  • a high-power arc receiving arc zone When switching off a short-circuit current, a high-power arc receiving arc zone is limited when switching off a short-circuit current in the axial direction of the two arcing contacts and in the radial direction of the insulating and the Isolierangesdüse.
  • Hot gas formed by the switching arc is guided by the arc zone via a heating channel into a heating volume coaxial with the contact pieces.
  • the supplied hot gas is mixed with already existing cold gas and performed on approaching the current to be disconnected to a zero crossing as quenching gas for blowing the switching arc in the arc zone.
  • the breaking capacity of a high-voltage switch equipped with this switching chamber which is determined by the dielectric strength of the switching chamber, depends on the density of the extinguishing gas, ie on the pressure and the temperature of the extinguishing gas, from. If hot and cold gas are mixed only incompletely with each other, then, after the zero crossing of the short-circuit current in the heating volume, hot gas bubbles may still be present, which return to the arc zone with the extinguishing gas and may possibly lead to undesirable restrike.
  • a switching chamber of the type mentioned with an axially symmetrical contact arrangement is described in DE 19910166 A1 ,
  • this switching chamber communicates formed during switching off and two arc contacts axially limited arc zone via an axisymmetric heating channel with a formed in the manner of a torus heating volume.
  • the heating channel opens into the heating volume with a section inclined outwards relative to the axis of symmetry. Hot gas formed by a switching arc in the arc zone therefore enters the heating volume with a velocity component guided outwards away from the axis.
  • the object is to provide a switching chamber of the type mentioned in the cold gas and generated when switching off hot gas to form a high quality extinguishing gas are mixed with simple means effectively and so a good breaking performance the switching chamber and a switch equipped with this switching chamber is ensured.
  • an opening into the heating volume portion of the heating channel is inclined inwardly against the axis.
  • inflowing hot gas has an inwardly directed velocity component and is guided along an axially oriented inner wall of the heating volume to a heating volume in the flow direction axially delimiting rear wall.
  • the inward velocity component prevents detachment of the hot gas flow from the inner wall and therefore allows deep penetration of the hot gas into the heating volume in areas near the axis.
  • present in the heating volume existing cool quenching gas to the incoming hot gas only a relatively small flow resistance, so that the speed of the incoming hot gas is not significantly reduced.
  • a vortex formation which promotes the mixing of the hot gas with cool quenching gas therefore only takes place in a relatively large distance from the mouth of the heating channel into the heating volume.
  • the formed vortex Due to the low viscosity of the hot gas, the formed vortex remains largely stable over a comparatively large period of several milliseconds, so that cool gas is obtained over this period at the mouth of the heating channel into the heating volume.
  • a quenching gas flow from the heating volume in the arc zone is then already at the beginning of an arc extinguishing cool quenching gas for blowing the switching arc available.
  • extinguishing gas with good extinguishing properties which is formed by intensive mixing as a result of the long-acting vortex in a remote from the mouth part of the heating volume, it is ensured that short-circuit currents of different levels and duration can be successfully interrupted.
  • the inwardly inclined course of the mouth section enables a reduction of the dimensions of the heating volume in the radial direction.
  • a lsolierwhisdüse delimiting the heating channel on its inner side can be chamfered into the heating volume at the discharge point of the heating channel, so that the inner wall of the heating volume is then formed by a contact carrier of an arc contact of the switching chamber having a small diameter.
  • the outer diameter of the heating volume can therefore be reduced and thus the manufacturing costs of the switching chamber can be reduced.
  • this edge facilitates the detachment of the hot gas flow from the lateral surface and at the same time additionally favors the formation of the vortex on the rear wall of the heating volume.
  • a vortex promoting the mixing of hot gas and cold gas is thus reliably formed downstream of the edge, which leads to an extinguishing gas of good quality even in the case of low-power switching arcs.
  • a further improvement of the leadership of the hot gas flow and thus also the dielectric properties of the quenching gas is achieved in that the sharp edge is arranged on a projecting in the manner of a nose into the heating volume ring.
  • the advantageous effects of the inclined heating channel are largely retained if the mouth section has at least two partial channels extending in the direction of inclination and arranged offset from one another in the circumferential direction. This is especially true when the sub-channels each have a running in the manner of a banana cross-sectional profile.
  • the flow rate of the hot gas can also be kept constant while maintaining an inwardly directed velocity component in the entire mouth section. The likelihood of undesirable premature vortex formation in the heating channel due to flow inhomogeneities is thus reduced.
  • the mouth section is formed as a hollow truncated cone tapering in the direction of inclination, then the constant cross section in the mouth section is achieved in that the inner surface of the hollow Truncated cone is more inclined than the lateral surface.
  • Such a sizing of the heating volume favors the formation and stabilization of the vortex in a portion of the heating volume downstream of the orifice.
  • the heating volume is designed in the manner of a torus and has a predominantly rectangular cross-section in the circumferential direction, then it is advantageous for the formation and stabilization of the hot gas vortex and thus also for the quality of the extinguishing gas obtained by mixing hot and cold gas the ratio of the length of the torus in the axial direction to the height of the torus in the radial direction is between 1 and 3.
  • the switching chamber of a high-voltage circuit breaker illustrated in FIGS. 1 and 2 contains a housing 1 filled with a compressed insulating gas, for example based on sulfur hexafluoride, nitrogen, oxygen or carbon dioxide or mixtures of these gases, for example air, for example air and largely axially symmetrical
  • a compressed insulating gas for example based on sulfur hexafluoride, nitrogen, oxygen or carbon dioxide or mixtures of these gases, for example air, for example air and largely axially symmetrical
  • a compressed insulating gas for example based on sulfur hexafluoride, nitrogen, oxygen or carbon dioxide or mixtures of these gases, for example air, for example air and largely axially symmetrical
  • a compressed insulating gas for example based on sulfur hexafluoride, nitrogen, oxygen or carbon dioxide or mixtures of these gases, for example air, for example air and largely axially symmetrical
  • the arcing contact 4 does not necessarily have to be fixed, it can also
  • the two arcing contacts 3, 4 are coaxially covered by an insulating nozzle 6 and a heating volume 7 for storing quenching gas.
  • the heating volume 7 is designed in the manner of a torus with a rectangular cross-section in the circumferential direction. With a switch designed for nominal voltages of typically 200 to 300 kV and for a nominal short-circuit breaking current of typically 50 to 70 kA, the heating volume 7 can generally accommodate approximately 1 to 2 liters of pressurized extinguishing gas.
  • the left end of the arcing contact 4 is inserted in an electrically conductive manner in the right end of the tubular arc contact 3.
  • the two arc contacts 3, 4 separate from each other and this forms a footing on the two ends of the arcing contacts arc 8, which - as can be seen - burns in an arc zone 9.
  • the arc zone 9 is axially bounded by the two arc contacts 3, 4 and axially by the insulating nozzle 6 and an insulating auxiliary nozzle 11.
  • the arc zone 9 communicates with a heating channel 10.
  • the heating channel 10 is partially axially guided between the insulating nozzle 6 and the insulating auxiliary nozzle 11 and opens into the heating volume 7 with an inwardly inclined portion 5 against the axis 5.
  • the angle of inclination is ⁇ .
  • the insulating auxiliary nozzle 11 comprises the free end of the arcing contact 3 formed by contact fingers in the circumferential direction.
  • the pressure in the arc zone 9 is generally greater than in the heating volume 7.
  • the heating channel 10 then leads from the arc 8 formed hot gas in the heating volume 7. Leaves the heating effect of the arc 8 as it approaches the zero crossing of the current , so there is a flow reversal. Gas stored in the heating volume 7 flows as quenching gas via the heating channel 10 into the arc zone 9 and there blows the arc 8 at least until it is extinguished in the current zero crossing.
  • the quality of the extinguishing gas stored in the heating volume 7 for arc blowing and thus also the breaking capacity of the switching chamber depend on the gas density determined by the pressure and temperature of the extinguishing gas. Pressure and temperature are determined primarily by the current intensity and duration of the switching arc, but also by the shape and volume of the heating volume 7. While the size of the heating volume 7 only affects the pressure build-up, the shape of the heating volume affects the gas mixing and thus the quenching gas temperature , However, the quality of the extinguishing gas also depends substantially on the flow behavior of the hot gas on the way from the arc zone 9 into the heating volume 7.
  • the mouth portion 12 inclined inwardly into the heating chamber 7 receives the indicated by a double arrow 13 hot gas an inwardly directed velocity component and is guided along a tubular contact carrier 14 of the arcing contact 3 to a heating volume in the flow direction axially limiting the rear wall 15.
  • the inward velocity component prevents detachment of the hot gas flow 13 from the contact carrier 14, which forms the axially aligned inner wall of the heating volume 7, and thus allows deep penetration of the hot gas flow 13 into the heating volume in areas near the axis.
  • a mixing of the hot gas 13 with cold gas 16 promoting swirling therefore takes place only far from the junction of the heating channel 10 in the heating volume 7 away.
  • a hot gas vortex 17 formed during the turbulence remains largely stable over a comparatively large period of several milliseconds, so that over this Period at the mouth of the heating channel into the heating volume of cold gas 18 is maintained.
  • the cold gas 18 As a particularly high-quality quenching gas for blowing the switching arc available. Also, a later-acting portion of the extinguishing gas, which was formed by intensive mixing of the hot gas vortex 17 in the rear part of the heating volume 7 with the cold gas 16 is of high quality and thus ensures that short-circuit currents of different levels and duration can be successfully interrupted.
  • the inclination angle ⁇ can be up to 45 °. At larger angles, the hot gas flow tends to prematurely detach from the contact carrier 14.
  • a well-trained axial guidance of the hot gas 13 into the interior of the heating volume 7 at the same time kept small outside diameter of the heating volume is achieved with inclination angles ⁇ , which are between 10 ° and 30 °.
  • the mouth portion 12 is designed in the manner of a tapered in the direction of inclination, hollow truncated cone.
  • the hollow truncated cone can be formed by conically tapering the Isolierwhisdüse 11 to form an inner surface 19 of the hollow truncated cone acting conical surface molding a acting as a lateral surface 20 of the truncated cone conical surface in the insulating nozzle 11 and subsequent setting of Isolieragisdüse 11 on the contact carrier 14 and the insulating nozzle 6 at the marked with the reference numeral 21 outer wall of the heating volume 7 can be achieved.
  • the heating channel 10 has over its entire length largely constant cross-section.
  • the flow rate of the hot gas is therefore largely constant in the entire heating channel, in particular in the mouth section 12.
  • the probability of undesirable premature vortex formation in the heating channel 10 due to flow inhomogeneities is kept so low.
  • the constant cross section in the mouth section 12 is achieved in that the surface 19 is inclined more than the surface 20.
  • the lateral surface 20 is limited at the transition from the mouth portion 12 into the heating volume 7 of a trained as a ring, sharp edge 22.
  • This edge facilitates the detachment of the hot gas flow 13 from the lateral surface 20 and therefore favors the formation of the vortex 17 only at the rear wall 15 of the heating volume.
  • the radius of the edge 22 is typically 0.1 to 1 mm.
  • the edge 22 is arranged on a projecting into the heating volume in the manner of a ring 23 ring.
  • the ring 23 provides improved guidance of the hot gas flow 13 in the mouth region.
  • the mouth portion 12 may also be shaped differently. It can be seen from FIGS. 3 and 4 that the mouth section can have partial channels 12 '(FIG. 3) and 12 "(FIG. 4) offset in the circumferential direction, which, as shown in FIG. 3, has an approximately circular cross-section or as shown in FIG .4 can be seen in the form of a banana executed cross-sectional profile.
  • the ratio of the length of the torus in the axial direction to the height of the torus in the radial volume is between 1 and 3 in the radial direction.

Landscapes

  • Circuit Breakers (AREA)
  • Arc-Extinguishing Devices That Are Switches (AREA)

Abstract

Die Schaltkammer ist für einen gasisolierten Hochspannungsschalter bestimmt. Sie enthält eine Kontaktanordnung (2) mit zwei längs einer Achse (5) relativ zueinander beweglichen Lichtbogenkontakten (3, 4), mit einer Isolierdüse (6), einer Isolierhilfsdüse (11), einem Heizvolumen (7) und einem Heizkanal (10). Der Heizkanal (10) ist zwischen der Isolierdüse (6) und der Isolierhilfsdüse (11) teilweise axial geführt und verbindet eine Lichtbogenzone (9) mit dem Heizvolumen (7). Ein ins Heizvolumen (7) mündender Abschnitt (12) des Heizkanals (10) ist nach innen gegen die Achse (5) geneigt. Beim Abschalten eines Kurzschlussstroms in der Lichtbogenzone (9) gebildetes Heissgas (13) strömt daher mit einer nach innen gerichteten Geschwindigkeitskomponente ins Heizvolumen (7) und kann in achsennahen Bereichen tief ins Heizvolumen (7) eindringen. Die Qualität eines im Heizvolumen (7) aus dem Heissgas (13) und bereits vorhandenem Kaltgas (16, 18) gebildeten Löschgases, welches der Beblasung eines beim Ausschalten in der Lichtbogenzone (9) brennenden Schaltlichtbogens (8) dient, kann so verbessert werden.

Description

    TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Schaltkammer eines Hochspannungsschalters mit einem Heizvolumen nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1. Die Erfindung betrifft auch einen Schalter mit einer solchen Schaltkammer.
  • Die Schaltkammer der eingangs genannten Art ermöglicht im Spannungsbereich von bis zu einigen hundert kV das Abschalten von Kurzschlusströmen im Bereich von 50 und mehr kA. Sie enthält eine axialsymmetrisch ausgeführte Kontaktanordnung mit zwei längs einer Achse relativ zueinander beweglichen Lichtbogenkontakten, eine Isolierdüse, eine lsolierhilfsdüse, ein Heizvolumen und einen zwischen Isolierdüse und Isolierhilfsdüse teilweise axial geführten und eine Lichtbogenzone mit dem Heizvolumen verbindenden Heizkanal. Die beim Abschalten eines Kurzschlusstrom einen leistungsstarken Schaltlichtbogen aufnehmende Lichtbogenzone ist beim Abschalten eines Kurzschlussstroms in axialer Richtung von den beiden Lichtbogenkontakten und in radialer Richtung von der Isolierdüse und der Isolierhilfsdüse begrenzt. Durch den Schaltlichtbogen gebildetes heisses Gas wird von der Lichtbogenzone über einen Heizkanal in ein die Schaltstücke koaxial umfassendes Heizvolumen geführt. Im Heizvolumen wird das zugeführte heisse Gas mit bereits vorhandenem kalten Gas gemischt und bei Annäherung des abzuschaltenden Stroms an einen Nulldurchgang als Löschgas zur Beblasung des Schaltlichtbogens in die Lichtbogenzone geführt.
  • Die von der dielektrischen Festigkeit der Schaltkammer bestimmte Ausschaltleistung eines mit dieser Schaltkammer ausgerüsteten Hochspannungsschalters hängt von der Dichte des Löschgases, d.h. vom Druck und der Temperatur des Löschgases, ab. Werden heisses und kaltes Gas nur unvollständig miteinander vermischt, so können nach dem Nulldurchgang des Kurzschlussstroms im Heizvolumen noch Heissgasblasen vorhanden sein, die mit dem Löschgas in die Lichtbogenzone zurückkehren und gegebenenfalls zu einer unerwünschten Rückzündung führen können.
    • STAND DER TECHNIK
  • Eine Schaltkammer der eingangs genannten Art mit einer axialsymmetrischen Kontaktanordnung ist beschrieben in DE 19910166 A1 . Bei dieser Schaltkammer kommuniziert eine beim Ausschalten gebildete und von zwei Lichtbogenkontakten axial begrenzte Lichtbogenzone über einen axialsymmetrischen Heizkanal mit einem nach Art eines Torus ausgebildeten Heizvolumen. Der Heizkanal mündet mit einem gegenüber der Symmetrieachse nach aussen geneigten Abschnitt ins Heizvolumen. Von einem Schaltlichtbogen in der Lichtbogenzone gebildetes heisses Gas tritt daher mit einer von der Achse weg nach aussen geführten Geschwindigkeitskomponente ins Heizvolumen.
  • In dem von D.Yoshida, H.Ito, H.Kohyama, T.Sawada, K.Kamei und M.Hidaka verfassten Bericht "Evaluation of Current Interrupting Capability of SF6 Gas Blast Circuit Breakers", Proceedings of the XIV International Conference on Gas Discharge and their Applications (Liverpool, 2 - 6 Sept.2002), wird gezeigt, dass es für eine gute Durchmischung eines axial mit Heissgas angeströmten und Kaltgas enthaltenden torusförmigen Heizvolumens einer Schaltkammer vorteilhaft ist, wenn das Verhältnis der Länge L dieses Volumens in axialer Richtung zur Quadratwurzel des Querschnitts A senkrecht zur Achse etwa 0,5 beträgt.
  • Ferner beschreiben Georges Gaudart, Pierre Chévrier, Vicenzo Girlando und Antonio Lubello im Bericht "New Circuit Breaker 245 kV 50 kA 50 Hz and 60 HZ with a very low operating energy", 2nd European Conference on HV & MV Substation Equipment (Lyon, France, 20-21 November, 2003), eine Schaltkammer für einen Hochspannungsleistungsschalter, bei der zur Antriebsunterstützung ein torusförmig ausgebildetes Heizvolumen vorgesehen ist, in das der Heizkanal axial einmündet. Zur Verbesserung der Durchmischung von einströmendem Heissgas und bereits vorhandenem kaltem Gas sind an der Mündung des Heizvolumens als Rohr ausgebildete und axial ins Heizvolumen geführte Führungselemente für das Heissgas angeordnet.
    • DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
  • Der Erfindung, wie sie in den Patentansprüchen angegeben ist, liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltkammer der eingangs genannten Art zu schaffen, in der Kaltgas und beim Ausschalten erzeugtes Heissgas zur Bildung eines qualitativ hochwertigen Löschgases mit einfachen Mitteln wirksam durchmischt werden und so eine gute Ausschaltleistung der Schaltkammer und eines mit dieser Schaltkammer ausgerüsteten Schalters gewährleistet ist.
  • Bei der Schaltkammer und dem Schalter nach der Erfindung ist ein ins Heizvolumen mündender Abschnitt des Heizkanals nach innen gegen die Achse geneigt.
  • Durch diese Massnahme wird zum einen erreicht, dass ins Heizvolumen einströmendes Heissgas eine nach innen gerichtete Geschwindigkeitskomponente aufweist und längs einer axial ausgerichteten Innenwand des Heizvolumens an eine das Heizvolumen in Strömungsrichtung axial begrenzende Rückwand geführt wird. Die nach innen gerichtete Geschwindigkeitskomponente verhindert ein Ablösen der Heissgasströmung von der Innenwand und ermöglicht daher in achsennahen Bereichen ein tiefes Eindringen des heissen Gases ins Heizvolumen. Zugleich setzt dann im Heizvolumen vorhandenes kühles Löschgas dem einströmenden Heissgas nur einen verhältnismässig kleinen Strömungswiderstand entgegen, so dass das die Geschwindigkeit des einströmenden Heissgases nicht wesentlich reduziert wird. Eine die Vermischung des Heissgases mit kühlem Löschgas fördernde Wirbelbildung findet daher erst in einem relativ grossen Abstand von der Mündung des Heizkanals ins Heizvolumen statt. Der gebildete Wirbel bleibt wegen der geringen Viskosität des Heissgases über einen vergleichsweise grossen Zeitraum von mehreren Millisekunden weitgehend stabil, so dass über diesen Zeitraum an der Mündung des Heizkanals ins Heizvolumen kühles Gas erhalten bliebt. Bei Annäherung des abzuschaltenden Stroms an einen Nulldurchgang und Einsetzen einer Löschgasströmung aus dem Heizvolumen in die Lichtbogenzone steht dann schon zu Beginn eines Lichtbogenlöschvorganges kühles Löschgas zur Beblasung des Schaltlichtbogens zur Verfügung. Dadurch und durch nachfolgend ausströmendes Löschgas mit guten Löscheigenschaften, das durch intensives Vermischen infolge des lange wirkenden Wirbel in einem von der Mündung abgewandten Teil des Heizvolumens gebildet wird, ist sichergestellt, dass Kurzschlussströme unterschiedlicher Höhe und Dauer erfolgreich unterbrochen werden können.
  • Zudem anderen ermöglicht der nach innen geneigte Verlauf des Mündungsabschnitts eine Reduktion der Abmessungen des Heizvolumens in radialer Richtung. Eine den Heizkanal auf seiner Innenseite begrenzende lsolierhilfsdüse kann an der Mündungsstelle des Heizkanals ins Heizvolumen abgeschrägt werden, so dass die Innenwand des Heizvolumens dann von einem einen geringen Durchmesser aufweisenden Kontaktträger eines Lichtbogenkontakts der Schaltkammer gebildet wird. Der Aussendurchmesser des Heizvolumens kann daher reduziert und so die Fertigungskosten der Schaltkammer herabgesetzt werden.
  • Grosse Neigungswinkel ermöglichen zwar eine wirtschaftlich vorteilhafte Reduktion des Aussendurchmessers des Heizvolumens, jedoch weist die Heissgasströmung mit wachsenden grossen Neigungswinkeln zunehmend die Tendenz auf, sich vorzeitig von der Innenwand abzulösen. Oberhalb eines Neigungswinkels von 45° ist diese Ablösetendenz bei bestimmten Strömungsgeschwindigkeiten gegebenenfalls schon relativ stark ausgeprägt. Eine besonders gute axial orientierte Führung des Heissgases ins Innere des Heizvolumens bei gleichzeitig klein gehaltenem Aussendurchmesser des Heizvolumens wurde mit einem zwischen 10° und 30° liegenden Neigungswinkel erreicht.
  • Mit Vorteil ist der Mündungsabschnitt nach Art eines sich in Neigungsrichtung verjüngenden, hohlen Kegelstumpfs ausgeführt. Ein solcher Mündungabschnitt kann durch Ausführen folgender Massnahmen erreicht werden:
    • Abschrägen einer Isolierhilfsdüse, Festsetzen der Isolierhilfsdüse am Kontaktträger des vorgenannten Lichtbogenkontakts, Einformen einer den Mündungsabschnitt nach aussen begrenzenden und eine Mantelfläche des hohlem Kegelstumpfs bildenden konischen Fläche in die Isolierdüse und Festsetzen der Isolierdüse.
  • Ist diese Mantelfläche am Übergang vom Mündungsabschnitt zum Heizvolumen von einer als Ring ausgebildeten, scharfen Kante begrenzt, so erleichert diese Kante die Ablösung der Heissgasströmung von der Mantelfläche und begünstigt zugleich zusätzlich die Bildung des Wirbels an der Rückwand des Heizvolumens. Bei einer von einem Schaltlichtbogen geringer Leistung erzeugten, schwachen Heissgasströmung wird so mit Sicherheit stromabwärts der Kante ein die Vermischung von Heissgas und Kaltgas fördernder Wirbel gebildet, welcher auch bei leistungsschwachen Schaltlichtbögen zu einem Löschgas guter Qualität führt. Eine weitere Verbesserung der Führung der Heissgasströmung und damit auch der dielektrischen Eigenschaften des Löschgases wird dadurch erreicht, dass die scharfe Kante an einem nach Art einer Nase ins Heizvolumen ragenden Ring angeordnet ist.
  • Die vorteilhaften Wirkungen des geneigten Heizkanals bleiben weitgehend erhalten, wenn der Mündungsabschnitt mindestens zwei in Neigungsrichtung erstreckte und in Umfangsrichtung gegeneinander versetzt angeordnete Teilkanäle aufweist. Dies gilt vor allem dann, wenn die Teilkanäle jeweils ein nach Art einer Banane ausgeführtes Querschnittsprofil aufweisen.
  • Weist der Heizkanal über seine gesamte Länge einen weitgehend konstanten Querschnitt auf, so kann auch die Strömungsgeschwindigkeit des Heissgases unter Beibehalt einer nach innen gerichteten Geschwindigkeitskomponente im gesamten Mündungsabschnitt konstant gehalten werden. Die Wahrscheinlichkeit einer unerwünschten vorzeitigen Wirbelbildung im Heizkanal infolge von Strömungsinhomogenitäten wird so reduziert.
  • Ist der Mündungsabschnitts als sich in Neigungsrichtung verjüngender, hohler Kegelstumpf ausgebildet, so wird der konstante Querschnitt im Mündungsabschnitt dadurch erreicht, dass die Innenfläche des hohlen Kegelstumpfs stärker geneigt ist als dessen Mantelfläche. Eine solche Bemessung des Heizvolumens begünstigt die Bildung und Stabilisierung des Wirbels in einem stromabwärts der Mündung gelegenen Teil des Heizvolumens.
  • Ist das Heizvolumen nach Art eines Torus ausgebildet ist und weist es in Umfangsrichtung einen vorwiegend rechteckigen Querschnitt auf, so ist es für die Bildung und Stabilisierung des Heissgaswirbels und damit auch für die Qualität des durch Mischen von Heiss- und Kaltgas erzielten Löschgases von Vorteil, wenn das Verhältnis von Länge des Torus in axialer Richtung zu Höhe des Torus in radialer Richtung zwischen 1 und 3 liegt.
    • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Anhand von-Zeichnungen werden nachfolgend Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Hierbei zeigt:
    • Fig.1
    eine Aufsicht auf einen axial geführten Schnitt auf einen oberhalb einer Achse gelegenen Teil einer ersten Ausführungsform einer Schaltkammer nach der Erfindung,
    Fig.2
    eine Aufsicht auf einen längs II-II geführten Schnitt durch die Schaltkammer nach Fig.1,
    Fig.3
    eine Aufsicht auf einen entsprechend Fig.2 geführten Schnitt durch eine zweite Ausführungsform der Schaltkammer nach der Erfindung,
    Fig. 4
    eine Aufsicht auf einen entsprechend Fig.2 geführten Schnitt durch eine dritte Ausführungsform der Schaltkammer nach der Erfindung, und
    Fig.5
    eine Aufsicht auf einen axial geführten Schnitt auf einen oberhalb einer Achse gelegenen Teil einer vierten Ausführungsform einer Schaltkammer nach der Erfindung.
    WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
  • In allen Figuren beziehen sich gleiche Bezugszeichen auf gleichwirkende Teile. Die in den Figuren 1 und 2 dargestellte Schaltkammer eines Hochspannungsleistungsschalters enthält ein mit einem komprimierten Isoliergas, etwa auf der Basis von Schwefelhexafluorid, Stickstoff, Sauerstoff oder Kohlendioxid oder von Mischungen dieser Gase untereinander, beispielsweise Luft, gefülltes und weitgehend axialsymmetrisch gestaltetes Gehäuse 1 sowie eine vom Schaltkammergehäuse 1 aufgenommene und ebenfalls weitgehend axialsymmetrisch gestaltete Kontaktanordnung 2. Von der während eines Abschaltvorgangs dargestellte Kontaktanordnung 2 sind zwei Lichtbogenkontakte 3, 4 dargestellt, von denen der Lichtbogenkontakt 3 längs einer Achse 5 bewegbar angeordnet und der Lichtbogenkontakt 4 feststehend im Gehäuse 1 gehalten ist. Der Lichtbogenkontakt 4 muss nicht notwendigerweise feststehend, er kann auch beweglich ausgebildet sein. Die beiden Lichtbogenkontakte 3, 4 sind von einer Isolierdüse 6 und einem Heizvolumen 7 zum Speichern von Löschgas koaxial umfasst. Das Heizvolumen 7 ist nach Art eines Torus mit einem rechteckigen Querschnitt in Umfangsrichtung ausgeführt. Bei einem für Nennspannungen von typischerweise 200 bis 300 kV und für einen Nenn-Kurzschlussausschaltstrom von typischerweise 50 bis 70 kA bestimmten Schalter kann das Heizvolumen 7 im allgemeinen ca. 1 bis 2 Liter unter Druck stehendes Löschgas aufnehmen.
  • In der nicht dargestellten Einschaltposition der Kammer ist das linke Ende des Lichtbogenkontakts 4 in stromleitender Weise in das rechte Ende des rohrförmig ausgebildeten Lichtbogenkontakts 3 eingeschoben. Beim Ausschalten trennen sich die beiden Lichtbogenkontakte 3, 4 voneinander und bildet sich hierbei ein auf den beiden Enden der Lichtbogenkontakte fussender Lichtbogen 8, der - wie Fig.1 entnehmbar ist - in einer Lichtbogenzone 9 brennt. Die Lichtbogenzone 9 ist von den beiden Lichtbogenkontakten 3, 4 axial und von der Isolierdüse 6 und einer Isolierhilfsdüse 11 radial begrenzt. Die Lichtbogenzone 9 kommuniziert mit einem Heizkanal 10. Der Heizkanal 10 ist zwischen der Isolierdüse 6 und der lsolierhilfsdüse 11 teilweise axial geführt und mündet mit einem nach innen gegen die Achse 5 geneigten Abschnitt 12 ins Heizvolumen 7. Der Neigungswinkel beträgt α. Die Isolierhilfsdüse 11 umfasst das von Kontaktfingern gebildete freie Ende des Lichtbogenkontakts 3 in Umfangsrichtung.
  • In einer Halbwelle des abzuschaltenden Stroms ist der Druck in der Lichtbogenzone 9 im allgemeinen grösser als im Heizvolumen 7. Der Heizkanal 10 führt dann vom Lichtbogen 8 gebildetes heisses Gas ins Heizvolumen 7. Lässt die Heizwirkung des Lichtbogens 8 bei Annäherung an den Nulldurchgang des Stroms nach, so erfolgt eine Strömungsumkehr. Im Heizvolumen 7 gespeichertes Gas strömt als Löschgas über den Heizkanal 10 in die Lichtbogenzone 9 und bebläst dort den Lichtbogen 8 mindestens solange bis dieser im Stromnulldurchgang gelöscht ist.
  • Die Qualität des zur Lichtbogenbeblasung im Heizvolumen 7 gespeicherten Löschgases und damit auch die Ausschaltleistung der Schaltkammer hängen von der durch Druck und Temperatur des Löschgases bestimmten Gasdichte ab. Druck und Temperatur werden vor allem durch Stromstärke und Dauer des Schaltlichtbogens bestimmt, unter anderem aber auch durch Form und Rauminhalt des Heizvolumens 7. Während die Grösse des Heizvolumens 7 nur den Druckaufbau beeinflusst, werden durch die Form des Heizvolumens die Gasdurchmischung und damit die Löschgastemperatur beeinflusst. Die Qualität des Löschgases hängt aber auch wesentlich vom Strömungsverhalten des heissen Gases auf dem Weg von der Lichtbogenzone 9 ins Heizvolumen 7 ab. Dadurch, dass der Mündungsabschnitt 12 nach innen geneigt in die Heizkammer 7 einläuft, erhält das durch einen Doppelpfeil 13 gekennzeichnete Heissgas eine nach innen gerichtete Geschwindigkeitskomponente und wird längs eines rohrförmigen Kontaktträgers 14 des Lichtbogenkontakts 3 an eine das Heizvolumen in Strömungsrichtung axial begrenzende Rückwand 15 geführt. Die nach innen gerichtete Geschwindigkeitskomponente verhindert ein Ablösen der Heissgasströmung 13 vom Kontaktträger 14, welche die axial ausgerichtete Innenwand des Heizvolumens 7 bildet, und ermöglicht so in achsennahen Bereichen tiefes Eindringen der Heissgasströmung 13 ins Heizvolumen. Eine die Vermischung des Heissgases 13 mit Kaltgas 16 fördernde Verwirbelung findet daher erst weit von der Einmündung des Heizkanals 10 ins Heizvolumen 7 entfernt statt. Ein bei der Verwirbelung gebildeter Heissgaswirbel 17 bleibt wegen der geringen Viskosität des Heissgases über einen vergleichsweise grossen Zeitraum von mehreren Millisekunden weitgehend stabil, so dass über diesen Zeitraum an der Mündung des Heizkanals ins Heizvolumen Kaltgas 18 erhalten bleibt.
  • Bei Annäherung des abzuschaltenden Stroms an einen Nulldurchgang und Einsetzen einer Löschgasströmung aus dem Heizvolumen 7 in die Lichtbogenzone 9 steht dann schon zu Beginn eines Lichtbogenlöschvorgangs das Kaltgas 18 als besonders hochwertiges Löschgas zur Beblasung des Schaltlichtbogens zur Verfügung. Auch ein später wirkender Anteil des Löschgas, der durch intensives Vermischen des Heissgaswirbels 17 im hinteren Teil des Heizvolumens 7 mit dem Kaltgas 16 gebildet wurde, ist qualitativ hochwertig und stellt so sicher, dass Kurzschlussströme unterschiedlicher Höhe und Dauer erfolgreich unterbrochen werden können.
  • Aus Fig.1 ist ersichtlich, dass der nach innen geneigte Verlauf des Mündungsabschnitts 12 die Abmessungen des Heizvolumens 7 in radialer Richtung reduziert. Ersichtlich ist die Isolierhilfsdüse 11 im Mündungsabschnitt 12 abgeschrägt ausgebildet. Die Innenwand des Heizvolumens 7 wird daher von dem einen geringeren Durchmesser als die lsolierhilfsdüse 11 aufweisenden Kontakträger 14 des Lichtbogenkontakts 3 gebildet, so dass der den Rauminhalt des Heizvolumens 7 bestimmende Aussendurchmesser dieses Volumens reduziert werden kann.
  • Der Neigungswinkels α kann bis zu 45° betragen. Bei grösseren Winkeln tendiert die Heissgasströmung dazu, sich vorzeitig vom Kontaktträger 14 abzulösen. Eine gut ausgebildete axiale Führung des Heissgases 13 ins Innere des Heizvolumens 7 bei gleichzeitig klein gehaltenem Aussendurchmesser des Heizvolumens wird mit Neigungswinkeln α erreicht, die zwischen 10° und 30° liegen.
  • In der in den Figuren 1 und 2 dargestellten Ausführungsform der Schaltkammer nach der Erfindung ist der Mündungsabschnitt 12 nach Art eines sich in Neigungsrichtung verjüngenden, hohlen Kegelstumpfs ausgeführt. Der hohle Kegelstumpf kann durch konisches Abschrägen der Isolierhilfsdüse 11 unter Bildung einer als Innenfläche 19 des hohlen Kegelstumpfs wirkenden konischen Fläche, Einformen einer als Mantelfläche 20 des Kegelstumpfs wirkenden konischen Fläche in die Isolierdüse 11 und nachfolgendes Festsetzen der Isolierhilfsdüse 11 am Kontaktträger 14 und der Isolierdüse 6 an der mit dem Bezugszeichen 21 gekennzeichneten Aussenwand des Heizvolumens 7 erreicht werden.
  • Der Heizkanal 10 weist über seine gesamte Länge weitgehend konstanten Querschnitt auf. Die Strömungsgeschwindigkeit des Heissgases ist daher im gesamten Heizkanal, insbesondere auch im Mündungsabschnitt 12, weitgehend konstant. Die Wahrscheinlichkeit einer unerwünschten vorzeitigen Wirbelbildung im Heizkanal 10 infolge von Strömungsinhomogenitäten wird so gering gehalten. Der konstante Querschnitt im Mündungsabschnitt 12 wird dadurch erreicht, dass die Fläche 19 stärker geneigt ist als die Fläche 20.
  • Aus Fig.1 ist ersichtlich, dass die Mantelfläche 20 am Übergang vom Mündungsabschnitt 12 ins Heizvolumen 7 von einer als Ring ausgebildeten, scharfen Kante 22 begrenzt ist. Diese Kante erleichtert das Ablösen der Heissgasströmung 13 von der Mantelfläche 20 und begünstigt daher die Bildung des Wirbels 17 erst an der Rückwand 15 des Heizvolumens. Der Radius der Kante 22 beträgt typischerweise 0,1 bis 1 mm.
  • Bei der Ausführungsform der Schaltkammer gemäss Fig.5 ist die Kante 22 an einem nach Art einer Nase ins Heizvolumen ragenden Ring 23 angeordnet. Der Ring 23 sorgt für eine verbesserte Führung der Heissgasströmung 13 im Mündungsbereich.
  • Anstelle als hohler Kegelstumpf kann der Mündungsabschnitt 12 auch anders geformt sein. Aus den Figuren 3 und 4 ist ersichtlich, dass der Mündungsabschnitt in Umfangsrichtung gegeneinander versetzt angeordnete Teilkanäle 12' (Fig.3) und 12" (Fig.4) aufweisen kann, welche wie in Fig.3 dargestellt etwa kreisförmigen Querschnitt oder wie aus Fig.4 ersichtlich ein nach Art einer Banane ausgeführtes Querschnittsprofil aufweisen können.
  • Für die Qualität des durch Mischen von Heiss- und Kaltgas erzielten Löschgases ist es günstig, wenn beim Heizvolumen 7 das Verhältnis von Länge des Torus in axialer Richtung zu Höhe des Torus in radialer Richtung zwischen 1 und 3 liegt.
    • BEZUGSZEICHENLISTE
    • 1
    Gehäuse
    2
    Kontaktanordnung
    3, 4
    Kontaktstücke
    5
    Achse
    6
    Isolierdüse
    7
    Heizvolumen
    8
    Lichtbogen
    9
    Lichtbogenzone
    10
    Heizkanal
    11
    Isolierhilfsdüse
    12
    Mündungsabschnitt
    12', 12"
    Teilkanäle
    13
    Heissgas(strömung)
    14
    Kontaktträger
    15
    Rückwand
    16, 18
    Kaltgas
    17
    (Heissgas)wirbel
    19
    Innenfläche
    20
    Mantelfläche
    21
    Aussenwand
    22
    Kante
    23
    Ring

Claims (12)

  1. Schaltkammer für einen gasisolierten Hochspannungsschalter mit einer Kontaktanordnung (2), enthaltend zwei längs einer Achse (5) relativ zueinander bewegliche Lichtbogenkontakte (3, 4), eine Isolierdüse (6), eine Isolierhilfsdüse (11), ein Heizvolumen (7) und einen zwischen Isolierdüse (6) und Isolierhilfsdüse (11) teilweise axial geführten und eine Lichtbogenzone (9) mit dem Heizvolumen (7) verbindenden Heizkanal (10), dadurch gekennzeichnet, dass ein ins Heizvolumen (7) mündender Abschnitt (12) des Heizkanals (10) nach innen gegen die Achse (5) geneigt ist.
  2. Schaltkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Neigungswinkel (α) höchstens 45° beträgt.
  3. Schaltkammer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Neigungswinkel (α) zwischen 10° und 30° liegt.
  4. Schaltkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Mündungsabschnitt (12) nach Art eines sich in Neigungsrichtung verjüngenden, hohlen Kegelstumpfs ausgeführt ist.
  5. Schaltkammer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine den Mündungsabschnitt (12) radial nach aussen begrenzende Mantelfläche (20) des hohlen Kegelstumpfs am Übergang vom Mündungsabschnitt (12) ins Heizvolumen (7) von einer als Ring ausgebildeten, scharfen Kante (22) begrenzt ist.
  6. Schaltkammer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die scharfe Kante (22) an einem nach Art einer Nase ins Heizvolumen (7) ragenden Ring (23) angeordnet ist.
  7. Schaltkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Mündungsabschnitt (12) mindestens zwei in Neigungsrichtung erstreckte und in Umfangsrichtung gegeneinander versetzt angeordnete Teilkanäle (12', 12") aufweist.
  8. Schaltkammer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilkanäle (12") jeweils ein nach Art einer Banane ausgeführtes Querschnittsprofil aufweisen.
  9. Schaltkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizkanal (10) über seine gesamte Länge einen weitgehend konstanten Querschnitt aufweist.
  10. Schaltkammer nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass bei Ausbildung des Mündungsabschnitts (12) als sich in Neigungsrichtung verjüngender, hohler Kegelstumpf dessen Innenfläche (19) stärker geneigt ist als dessen Mantelfläche (20).
  11. Schaltkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizvolumen (7) nach Art eines Torus ausgebildet ist und in Umfangsrichtung einen vorwiegend rechteckigen Querschnitt aufweist, wobei das Verhältnis von Länge des Torus in axialer Richtung zu Höhe des Torus in radialer Richtung zwischen 1 und 3 liegt.
  12. Hochspannungsschalter mit einer Schaltkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 11.
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