DD160363A3 - METHOD FOR LOADING A LIGHT ARC IN A GAS-FILLED LOESCHKAMMER OF AN ELECTRICAL SWITCH - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Elektroenergieversorgungseinrichtungen. Die Erfindung zielt auf eine Realisierung von hohen Schaltleistungen mit einer Schaltstrecke ab. Die Erfindung loest die Aufgabe, ein Verfahren zur Loeschung eines Lichtbogens in einer mit Gas gefuellten Loeschkammer eines elektrischen Schalters zu entwickeln dadurch, dass die Reduzierung der elektrischen Leitfaehigkeit des Schaltlichtbogenplasmas dadurch bewirkt wird, dass im Gas vor dem Abschaltvorgang durch aeussere oder innere mechanische Mittel oder/und durch den Energieinhalt des brennenden Schaltlichtbogens ein Druckanstieg bis auf einen oberhalb des Instabilitaetsbereiches eines nichtidealen Gases liegenden Wert herbeigefuehrt wird und danach ein negativer Druckimpuls aufgebracht wird.Die Erfindung wird bei Loeschkammern elektrischer Leistungsschalter realisiert.The invention relates to the field of electric power supply devices. The invention aims at realizing high switching powers with a switching path. The object of the invention is to develop a method for extinguishing an arc in a gas-filled soldering chamber of an electrical switch by causing the reduction of the electrical conductivity of the switching arc plasma by causing external or internal mechanical means in the gas to be switched off / and by the energy content of the burning switching arc, a pressure increase is brought up to a value lying above the Instabilitaetsbereiches a non-ideal gas value and then a negative pressure pulse is applied.The invention is implemented in Loeschkammern electrical circuit breaker.
Description
Dr. rer, nat. Hold Dienemann !? j^ 7 3 1 Dr.-Ing. Bkkehard Anke ^* * ü Dr. rer, nat. Hold Dienemann! j ^ 7 3 1 Dr.-Ing. Bkkehard Anke * * ü
Dr.-Ing· Heinz Hänisch Dr.-Ing. Harald Mencke Dr0 se. nat. Helmut HeßDr.-Ing · Heinz Hänisch Dr.-Ing. Harald Mencke Dr 0 se. Nat. Helmut Hess
Verfahren zur Löschung eines Schaltlichtbögens in einer gasgefüllten Löschkammer eines elektrischen Schalters»Method for extinguishing a switching arc in a gas-filled quenching chamber of an electrical switch »
Die Erfindung wird im Bereich der Eiektroenergieversorgung wirksam und bezieht sich auf ein Verfahren zur Löschung eines Schaltlichtbogens, das in gasgefüllten Löschkammern elektrischer Schalter realisierbar ist,The invention is effective in the field of Eiektroenergieversorgung and relates to a method for extinguishing a switching arc, which is feasible in gas-filled extinguishing chambers electrical switch,
Für die Lichtbogenlöschung sind ^Löschverfahren bekannt, bei denen der Abschaltlichtbogen durch ein Gas oder durch Gasgemische (z. B. Luft, Schwefelhexafluorid) beströmt bzw, beblasen wird.For arc quenching, extinguishing methods are known in which the shutdown arc is flowed through or blown through a gas or through gas mixtures (eg air, sulfur hexafluoride).
Each einer Trennung der Schaltkontakte entsteht der durch eine Beblasung zu löschende Schaltlichtbogen. Die Beblasung der Schaltstrecke kann vor oder nach der Kontakt-*· trennung einsetzen und sowohl quer oder längs zur Achse des Schaltlichtbogens erfolgen· Das hierzu erforderliche unter Druck stehende Löschgas wird dann entweder einem mit Druckgas gefüllten Behälter entnommen oder die Löschgasströmung wird durch die mit einem beweglichen Kontakt derEach a separation of the switching contacts is formed by a blowing to be deleted switching arc. The blowing of the switching path can be used before or after the contact separation and can take place transversely or longitudinally to the axis of the switching arc. The requisite pressurized quenching gas is then either taken from a container filled with compressed gas or the quenching gas flow is replaced by the with a moving contact the
P\ r\ — -ϊ Λ r\ r"i P \ r \ - - \ r \ r "i
-^-2-273 19 5- ^ - 2-273 19 5
Schaltstrecke verbundenen Kolben innerhalb des Schalters selbst erzeugt. Weiterhin ist bekannt, die Löschmittelströmung mittels des Energieinha3.tes des Schaltiichtbogens selbst zu erzeugen, indem die Zersetzung von flüssigen oder festen Stoffen vorgesehen ist«Switching distance associated piston generated within the switch itself. Furthermore, it is known to generate the extinguishing agent flow by means of the energy content of the circuit diagram itself by providing the decomposition of liquid or solid substances. "
Bei einem bekannten, nach dem Selbstblasprinzip arbeitenden Schalter (DS-OS 28 11 508) wird durch den brennenden Lichtbogen während der Anfangsphase in speziell vorgesehenen Bäumen eine Druckerhöhung des Schaltmediums erzeugt* Erst bei einer bestimmten Schaitkontaktstellung werden Öffnungen dieser Räume freigegeben, die dann eine sofortige Beblasung des Lichtbogens ermöglichen« Die Schalter mit dem Selbstblasprinzip haben gegenüber herkömmlichen Blaskolben— schaltern den Vorteil, daß sie zur Druckerhöhung in einem speziellen Volumen keinen mechanischen Antrieb benötigen» Allerdings ist die erzeugbare Druckerhöhung mit dem Selbstblasprinzip im aligemeinen auf Drücke kleiner 2 IiPa. beschränkt, so daß diese Schalter keine höhere Abschaltleistung als die gewöhnlichen Blaskolbenschalter aufweisen»In a known, working on the Selbstblasprinzip switch (DS-OS 28 11 508) is generated by the burning arc during the initial phase in specially designated trees an increase in pressure of the switching medium * Only at a certain Schaitkontaktstellung openings of these rooms are released, which then an immediate Blowing through the arc "The switches with the self-blow principle have the advantage over conventional blow piston switches that they do not require a mechanical drive to increase the pressure in a special volume." However, the pressure increase with the self-blow principle is generally at pressures below 2 IiPa. limited, so that these switches have no higher Abschaltleistung than the usual Blaskolbenschalter »
Durch die Beblasung der Schaltstrecke wird der Plasmazustand des brennenden Lichtbogens verändert« Durch eine Kühlung des Lichtbogenplasmas wird die Leitfähigkeit herabgesetzt, so daß in einem Uulldurchgang des Stromes eine löschung des Lichtbogens erfolgt· Damit die wiederkehrende Spannung zu keiner erneuten Zündung des Schaltlichtbogens führt, wird der Kontaktabstand entsprechend ge- ' wählt, und gleichzeitig wird durch die Art des Gases und die Höhe des Gasdruckes die Spannungsfestigkeit der Schaltstrecke bestimmteThe plasma state of the burning arc is changed by the blowing of the switching path. The conductivity is reduced by cooling the arc plasma, so that the arc is extinguished in a zero crossing of the current, so that the recurring voltage does not lead to renewed ignition of the switching arc Contact distance selected accordingly ' , and at the same time determines the dielectric strength of the switching path by the type of gas and the height of the gas pressure
Eine weitere Möglichkeit, die Gefahr des Wiederzündens des Lichtbogens zu reduzieren, wird dadurch erreicht, ' daß die Schaltstrecke auf eine Leistungstrennstelie und eine Spannungstrennstelle aufgeteilt ist. Außerdem kannAnother way to reduce the risk of re-ignition of the arc, is achieved 'that the switching path is divided into a Leistungsstrennstelie and a voltage separation point. In addition, can
die Schaltleistung durch mehrere in Reihe liegende Schaltstrecken realisiert werden· Hierdurch kann jede Schaltstreolre unmittelbar nach dem Stromnulldurchgang einen "bestimmten Spannungswert tragen·the switching power can be realized by a plurality of series-connected switching paths. As a result, each switching rotor can carry a certain voltage value immediately after the current zero crossing.
Sin weiteres Verfahren benutzt für die Löschung des Schaltlichtbogens eine Vakuumkammer mit 10 J bisAnother method uses a 10 J to vacuum chamber to extinguish the switching arc
10 Torr. Ein Schaltlichtbogen entsteht - wie bekannt durch Kontakttrennung. Der Lichtbogen brennt unter Vakuum im Metalldampf und führt unter der Wirkung des eigenen Magnetfeldes eine meistens kreisende Bewegung ausβ Der Metalldampf kondensiert an dafür vorgesehenen metallischen Schirmen, was im Sfulldurchgang des Stromes bei der hier vorliegenden verringerten Ladungsträgerentstehen zur Löschung des Schalt lichtbogens führt«.10 Torr. A switching arc is created - as known by contact separation. The arc burns under vacuum in the metal vapor and performs under the action of its own magnetic field a mostly circular movement ausβ The metal vapor condenses on designated metallic screens, resulting in Sfulldurchgang the current at the present reduced charge carriers resulting in the extinction of the switching arc «.
Bin weiteres Verfahren läßt durch den nach der Kontakttrennung entstandenen Schaltlichtbogen eine flüssigkeit verdampfen» Uachdem sich ein hinreichend hoher Druck aufgebaut hat, wird für eine plötzliche Entspannung des Gasvolumens gesorgt. Der Dampf kondensiert in feinen Tröpfchen und verringert durch eine Anlagerung die Beweglichkeit der freien Ladungsträger, so daß ihre Beschleunigung stark behindert wird, wodurch der Lichtbogen erlischt«A further method allows the resulting after contact separation switching arc evaporate a liquid "After a sufficiently high pressure has built up, provided for a sudden relaxation of the gas volume. The vapor condenses in fine droplets and, by addition, reduces the mobility of the free charge carriers, so that their acceleration is greatly hindered, causing the arc to extinguish. "
Bisher hat sich praktisch nur das erstgenannte Verfahren, den Lichtbogen in Wechselwirkung mit einem Gasstrom zu bringen, für die Konstruktion von Schaltkammern mit hohen Nennspannungen als geeignet erwiesen» Alle anderen Verfahren und Schaltprinzipien wurden bisher vorwiegend nur für Mittelspannungsschalter angewendeteSo far, virtually only the former method, to bring the arc in interaction with a gas flow, for the construction of switching chambers with high nominal voltages has been found to be suitable. "All other methods and switching principles have been used mainly only for medium voltage switch
.4- 22731 9 b.4- 22731 9 b
Die Beströmung mit einem Löschgas erfordert einen großen technischen Aufwand für die zentrale Verdichtung und Speicherung oder für die Druckerzeugung während des AusschaltVorgangesο Das Löschprinzip, das die Zersetzung eines Stoffes ausnutzt, hat den Nachteil, daß eine kurzfristige Revision erforderlich wird» Bin weiterer Nachteil besteht darin, daß zwecks Ableitung der Zersetzungsprodukte die Schaltkaminer mit einem die Schaltkammer umgebenden Raum in Verbindung stehen muße-The flow with a quenching gas requires a great deal of technical effort for the central compression and storage or for the generation of pressure during AusschaltVorgangesο The extinguishing principle, which exploits the decomposition of a substance, has the disadvantage that a short-term revision is required »Another disadvantage is that in order to dissipate the decomposition products, the switching chamber must be in communication with a space surrounding the switching chamber e -
Die Erfindung zielt auf eine Realisierung von hohen Schaltleistungen mit einer Schaltstrecke bei gleichzeitiger, mit einem geringen Energieaufwand innerhalb eines Hulldurchganges des Stromes möglichen Löschung eines Schaltlichtbogens ohne Wiederzündung des Lichtbogens durch die wiederkehrende Spannung hin=The invention aims to realize a high switching capacity with a switching path while at the same time, with a low energy consumption within a Hulldurchganges the current possible extinction of a switching arc without re-ignition of the arc through the recurring voltage out =
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Löschung eines zwischen Schaltkontakten brennenden Lichtbogens in einer mit einem Gas gefüllten Löschkammer eines elektrischen Schalters mittels eines auf Grund seines hohen Fülldruckes nicht mehr den idealen Gasgesetzen folgenden Gases zu entwickeln·The object of the invention is to develop a method for extinguishing an arc burning between switching contacts in a quenching chamber of an electrical switch filled with a gas by means of a gas that no longer follows the ideal gas laws due to its high filling pressure.
Diese Aufgabe wurde dadurch gelöst, daß ein Verfahren zur' Löschung eines zwischen Schaltkontakten brennenden Lichtbogens entwickelt wurde, das erfindungsgemäß die Reduzierung der elektrischen Leitfähigkeit des Schaltlichtbogenplasmas dadurch bewirkt, daß vor oder während des Schaltvorganges durch innere oder äußere Mittel oder/und durchThis object has been achieved in that a method for 'extinguishing a burning between switching contacts arc has been developed according to the invention causes the reduction of the electrical conductivity of Schaltlichtbogenplasmas characterized in that before or during the switching operation by internal or external means and / or by
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die freie Energie des brennenden Schaltlichtbogens in der Löschkammer ein Druckanstieg bis auf einen oberhalbthe free energy of the burning switching arc in the quenching chamber a pressure increase to one above
liegenden Wertes herbeigeführt wird und nach Erreichen . der dazu erforderlichen Druck- und Temperaturwerte während des Schaltvorganges ein derart negativer, vom jeweils verwendeten Gas abhängiger Druckimpuls auf das nichtideale Plasma aufgebracht wird, daß ein Phasenübergang von einem Plasma mit hoher Elektronendichte oberhalb des Instabilitätsbereiches zu einem mit niedriger, unterhalb des Instabilitätsbereiches liegender Elektronendichte eintrittalying value is achieved and after reaching. the required pressure and temperature values during the switching process such a negative, depending on the gas used pressure pulse is applied to the non-ideal plasma, that a phase transition from a plasma with high electron density above the instability region to a lower, below the instability range lying electron density eintritta
Das betrachtete Instabilitätsgebiet ist durch folgende Bedingung gekennzeichnet:The considered instability region is characterized by the following condition:
Darin bedeuten:In this mean:
a,b = Elektron, Ion, Atoma, b = electron, ion, atom
3? - freie Energie des Plasmas H '" = Teilchenzahl3? - free energy of the plasma H '"= particle number
B = partielle AbleitungB = partial derivative
<f ^ kleine Änderung von 3tfa oder Kb<f ^ small change of 3tfa or Kb
Nach der erfolgten Druckerhöhung muß die Temperatur des Plasmas immer kleiner als die kritische Temperatur des nichtidealen Plasmas sein» Bei der kritischen Temperatur besitzt die zugehörige Isotherme einen Wendepunkt. Die zulässige Größe der Temperaturerhöhung ist im wesentlichen abhängig von der Größe der Schaltleistung, dem verwendeten Löschgas und dessen Ausgangsdruck in der Schaltkammer* denn diese bestimmen das erforderliche Maß der Reduzierung der elektrischen Leitfähigkeit des sich zwischen den Schaltkontakten befindenden Gases»After the pressure has been increased, the temperature of the plasma must always be lower than the critical temperature of the non-ideal plasma. "At the critical temperature, the associated isotherm has a turning point. The permissible size of the temperature increase is essentially dependent on the size of the switching capacity, the extinguishing gas used and its output pressure in the switching chamber * because these determine the required degree of reduction in the electrical conductivity of the gas located between the switching contacts »
Als !löschgas kommt Xenon in Betracht· Bei diesem Gas ist eine Druckerhöhung auf mindestens 1800 MPa bei einer Temperaturerhöhung bis auf maximal 12000 K vorzunehmen und der während des Schaltvorganges aufzubringende negative Druckimpuis muß zu einer Absenkung des Druckes auf mindestens 1500 MPa führen·Xenon may be considered as an extinguishing gas. In the case of this gas, an increase in pressure to at least 1800 MPa must be carried out with a temperature increase up to a maximum of 12000 K and the negative pressure pulse to be applied during the switching process must lead to a reduction of the pressure to at least 1500 MPa.
Die Erfindung sieht auch die Verwendung von Zäsium als Löschgas voro Bei diesem Gas ist eine Druckerhöhung auf mindestens 20 MPa bei einer Temperaturerhöhung bis auf maximal 9^00 K erforderlich und der aufzubringende negative Druckimpuls muß den Druck in der löschkammer auf mindestens 10 MPa während des SchaltVorganges absenken»The invention also provides for the use of cesium as extinguishing gas. In this gas, a pressure increase to at least 20 MPa is required with a temperature increase up to a maximum of 9 ^ 00 K and applied negative pressure pulse must the pressure in the extinguishing chamber to at least 10 MPa during the switching process lower "
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Löschung des Lichtbogens kommt gegenüber den bekannten Hochleistungsschaltern ohne Beblasung des Lichtbogens aus., wobei ein Arbeitsdrucknereich von größer 10 MPa erforderlich ist» Der zu wählende Arbeitsdruck ist abhängig vom verwendeten Schaltmedium und von der erwarteten Größe der Kurzschlußströme» Die angestrebten hohen Abschaltleistungen werden dadurch realisiert, daß durch Erzeugung eines negativen Druckimpulses in der Schaltkammer das Hochdruckplasma eine schnelle Abkühlung und Drucksenkung derart erfährt, daß die thermodynamischen Parameteränderungen mit einem Plasmaphasenübergang einhergehen, wodurch eia-Leitfähigkeitssprung von mehreren Größenordnungen eintritt„The inventive method for extinguishing the arc is compared to the known high-performance switches without blowing out of the arc., Where a Arbeitsdrucknereich greater than 10 MPa is required »The selected operating pressure depends on the switching medium used and the expected size of the short-circuit currents» The desired high turn-off are realized by the generation of a negative pressure pulse in the switching chamber, the high-pressure plasma undergoes rapid cooling and pressure reduction such that the thermodynamic parameter changes associated with a plasma phase transition, whereby eia-conductivity jump of several orders of magnitude occurs "
Das erfindungsgemäße Verfahren, mit dem~eTne Hedüzierung der elektrischen Leitfähigkeit des Schaltlichtbogenplasmas erreicht wird, soll an einem Ausführungsbe:s?iel näher erläutert werden·The method according to the invention with which the electrical conductivity of the switching arc plasma is obtained is to be explained in more detail with reference to an embodiment.
Eine Löschkammer ist mit einem Gas unter einem definierten Druck gefüllt» Als Gas findet das einatomige Gas Xenon (Xe) Anwendung» Der in der Löschkammer vor einem Schaltvorgang herrschende Druck.liegt bei Werten, bei denen das Xe-Gas A quenching chamber is filled with a gas under a defined pressure »The gas used is the monatomic gas xenon (Xe)» The pressure prevailing in the quenching chamber before a switching operation lies at values at which the Xe gas
sich noch wie ein ideales oder auch schon nichtideales Gas verhält· Durch den im Augenblick des einsetzenden Schaltvorganges entstehenden Schaltlichtbogen erfolgt eine Abgabe von freier Energie aus dem Schaltlichtbogen an cb.2 Gas« Bs erhöhen sich der Druck und die Temperatur des Gases bei geringfügig durch das Betätigen des Schaltstiftes herbeigeführter Volumenvergrößerung der Löschkammer. Die Druckerhöhung muß auf einen solchen Wert führen, bei dem die abgegebene Energie des Lichtbogens an das Gas den Arbeitspunkt für den nachfolgenden Yerfahrensschritt oberhalb des Instabilitätsbereiches des Gases gewährleistet und bei nachfolgend eingeleiteter plötzlicher Druckabsenkung die erforderliche Größenordnung der Reduzierung der elektrischen Leitfähigkeit des Lichtbogenplasmas gesichert ist» Die vorgesehene Druckerhöhung soll im Beispiel zu einem Druck von 3000 MPa bei einer 'Temperaturerhöhung bis auf 10 E führen (siehe Fig» 1). Bei Erreichen dieses Arbeitspunktes wird zu einem definierten Zeitpunkt nach Entstehen des Schaltlichtbogens ein negativer Druckimpuls aufgegeben, der den Druck in der Löschkammer auf einen Wert von 2000 IsSPa herabsetzt» Im Augenblick des wirkenden Druckimpulses sinkt spontan die elektrische Leitfähigkeit des Gases bis auf einen Wert unterhalb des Instabilitätsbereiches ab, wobei alle thermodynamischen Zustandsänderungen durch das Instabilitätsgebiet laufen. Beim Durchlaufen dieses Instabilitätsgebietes findet ein Phasenübergang, der Mottübergang von einem Plasma mit hohem lonisationsgrad zu einem mit niedrigem Ionisationsgrad statt· Der damit verbundene Leitfähigkeitssprung tritt in mehreren Größenordnungen auf, auch unter Berücksichtigung einer Energiezuführung durch den Schaltlichtbogen selbst. Die eintretende Strombegrenzung als Folge der !Reduzierung der Leitfähigkeit des Lichtbogenplasmas bewirkt, daß der Schaltlichtbogen im Stromnulldurchgang erlischt und danach nicht wiederzündet.The switching arc produced at the moment of the switching operation causes a release of free energy from the switching arc to cb.2 Gas and the temperature of the gas increase slightly at this time Actuation of the switching pin induced volume increase of the quenching chamber. The increase in pressure must lead to such a value at which the energy delivered by the arc to the gas ensures the operating point for the subsequent step above the instability range of the gas and the subsequent magnitude of the reduction in the electrical conductivity of the arc plasma is ensured when the sudden drop in pressure is subsequently initiated. The intended increase in pressure should lead in the example to a pressure of 3000 MPa at a 'temperature increase up to 10 E (see Fig. 1). Upon reaching this operating point, a negative pressure pulse is given at a defined time after the emergence of the switching arc, which reduces the pressure in the quenching chamber to a value of 2000 IsSPa »At the moment of acting pressure pulse, the electrical conductivity of the gas decreases spontaneously to a value below Instability range from where all thermodynamic state changes run through the instability region. When passing through this Instabilitätsgebietes takes place a phase transition, the Mottübergang from a plasma with a high degree of ionization to a low degree of ionization · The associated conductivity jump occurs in several orders of magnitude, even taking into account a power supply through the switching arc itself. The current limit as a result of! Reducing the conductivity of the arc plasma causes the switching arc extinguished in the current zero crossing and then does not re-ignite.
Claims (1)
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