DE10131018C1 - Leistungsschalter - Google Patents
LeistungsschalterInfo
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Abstract
Bekannt sind Leistungsschalter mit sogenannten Autokompressionskammern, bei denen die Kontakte in einer Schaltkammer beim Schaltvorgang mit einem Löschgas beströmt werden. Gemäß der Erfindung hat die Autokompressionskammer (100) wenigstens eine zusätzliche Öffnung (107, 207, 307), durch die das Gas während des Ausschaltvorganges in das Volumen (100; 110, 120) der Schaltkammer (10) einströmbar ist. Damit wird der bisher notwendige Aufwand zur Bevorratung des Gases wesentlich vermindert.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen Leistungsschalter, ins
besondere im Bereich der Mittelspannungsebene, mit gegenein
ander relativ beweglichen Kontakten und einem Gas zu Isolier
zwecken, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Speziell in der Mittelspannungsebene der Energieverteilung
können zum Schalten von Lastströmen bis hin zu kleineren
Kurzschlussströmen Leistungsschalter eingesetzt werden, die
direkt in einem mit Gas hoher dielektrischer Festigkeit ge
füllten, gasdicht verschlossenen Behälter einer Schaltanlage
integriert sind. Das Isoliergas steht dabei unter einem ge
ringen Überdruck, so wie es in handelsüblichen Schaltanlagen
eingesetzt wird, und kann gleichermaßen als Löschmedium des
Leistungsschalters verwendet werden.
Solche Schalter sind insgesamt kostengünstig zu produzieren.
Da die Schalter in der Regel mit relativ geringem Gasüber
druck betrieben werden, ist allerdings deren Bauraum ver
gleichsweise groß.
Vom Stand der Technik sind unterschiedliche Ausführungen von
Schaltern letzterer Art bekannt. Ein Verfahren zum Trennen
eines bewegten Lichtbogens zwischen zwei Kontakten mittels
eines Gases ist beispielsweise in der EP 0 313 106 A2 oder in
der DE 196 31 817 C1 beschrieben und dort anhand von Figuren
dargestellt. Der Schaltlichtbogen kommutiert dort nach dem
Trennen der Kontakte in eine Löschspule, in welcher der
Lichtbogen durch das Magnetfeld der Löschspule angetrieben
eine Rotationsbewegung ausführt. Durch diese Bewegung wird
dem Lichtbogen Energie entzogen und es kommt im natürlichen
Stromnulldurchgang zum Verlöschen des Schaltlichtbogens. Kon
takte und Löschspule sind bei diesen Schaltern offen im Behälter
der Schaltanlage angebracht, so dass der Bauraum ent
sprechend groß ausgebildet ist.
Eine spezifische Ausführungsform dieser Schalter sind so ge
nannte Autoexpansionsschalter, wie sie beispielsweise in
EP 0 932 176 A1 oder in EP 0 277 848 A1 beschrieben sind.
Hierbei brennt der Lichtbogen in einem abgeschlossenen Volu
men, das durch ein Isoliergehäuse begrenzt wird. Dieses Iso
liergehäuse wird üblicherweise als Schaltkammer bezeichnet.
Die Schaltkammer besitzt Ausströmöffnungen, durch die das vom
Schaltlichtbogen erhitzte Gas aus der Schaltkammer ausströmen
kann. Diese Strömung aus der Schaltkammer heraus kühlt den
Lichtbogen und führt im natürlichen Stromnulldurchgang zum
Löschen des Lichtbogens. Zusätzlich besitzen diese Autoexpan
sionsschalter Mittel zur Erzeugung von Magnetfeldern wie Spu
len oder Permanentmagnete. Diese Magnetfelder bewegen den
Lichtbogen auf einer Rotationsbahn. Die Rotationsbahn trennt
das Volumen der Schaltkammer in zwei Teilvolumina, von denen
eines innerhalb, eines außerhalb der Rotationsbahn liegt.
Die beschriebenen Ausströmöffnungen liegen bei allen auf vor
stehen erläuterten Prinzip basierenden Schaltern innerhalb
der vom Lichtbogen beschriebenen Rotationsbahn. Ansonsten ist
die Schaltkammer mit Ausnahme dieser Öffnungen hermetisch
verschlossen. Durch diese Anordnung der Ausströmöffnung wäh
rend des Schaltvorganges kann aus plasmaphysikalischen sowie
thermodynamischen Gründen niemals Gas vom außerhalb der
Löschkammer liegenden Volumen in die Kammer eindringen. Die
Gasdichte innerhalb der Schaltkammer nimmt während einer Aus
schaltung zwangsläufig ab. Damit beim natürlichen Stromnull
durchgang noch eine Restgasdichte vorhanden ist, die die die
lektrische Festigkeit der Schaltstrecke gewährleistet, muss
das Ausgangsvolumen der Schaltkammer ausreichend groß sein.
Dies bedingt einen großen Bauraum der Schaltkammer und damit
einen ebenfalls großen Bauraum der gesamten Schaltanlage.
Es besteht also die Forderung, die Schalter der eingangs be
schriebenen Kategorie im Vergleich zum Stand der Technik
deutlich zu verkleinern. Ausgehend vom Stand der Technik ist
es daher Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten bzw. ver
einfachten Leistungsschalter mit kleinem Bauraum zu schaffen.
Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Merkmale des Pa
tentanspruches 1 gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängi
gen Ansprüchen angegeben.
Beim Leistungsschalter gemäß der Erfindung ändern sich die
physikalischen Vorgänge innerhalb der Autokompressionskammer
deutlich, was weiter unten im Einzelnen ausgeführt wird. Der
für die Löschung des Lichtbogens erforderliche Gasvorrat der
Schaltkammer kann dadurch vorteilhafterweise erheblich redu
ziert werden. Damit geht die geforderte Reduzierung des Bau
raumes der Schaltkammer und auch der gesamten Schaltanlage
einher.
Die Erfindung beinhaltet ein Einbringen mindestens einer zu
sätzlichen Öffnung im Gehäuse außerhalb der Rotationsbahn des
Lichtbogens einer vom Stand der Technik bekannten Autokom
pressionskammer, durch die nunmehr während des Ausschaltvor
ganges das Gas aus dem Gasraum der Schaltanlage in das Volu
men der Schaltkammer einströmen kann. Die geänderten physika
lischen Phänomene lassen sich wie folgt beschreiben:
Durch den rotierenden Lichtbogen wird das Gas ebenfalls in Rotation versetzt und durch die Fliehkräfte nach außen ge drückt. Dadurch baut sich ein Druckgradient auf, wodurch in der Nähe der Außenwand, d. h. bei größeren Radien, ein Über druck entsteht, während in der Nähe der Kontakte, d. h. bei kleineren Radien ein Unterdruck entsteht. Durch diesen Unter druck wird Gas von außerhalb der Schaltkammer durch die oben beschriebene Öffnung in den Gasraum, der außerhalb der Rota tionsbahn des Lichtbogens liegt, gesaugt. Dadurch wird die Gasmenge in diesem Raum und der mittlere Druck erhöht. Bei Verringerung des Stroms bzw. im Stromnulldurchgang vermindert sich die Antriebskraft auf den Lichtbogens, so dass die Rota tion des Lichtbogens geringer wird. Im Stromnulldurchgang fällt der Antrieb des Lichtbogens, der das Gas in Rotation hält, vollständig weg. Dadurch wirken keine Fliehkräfte mehr auf das Gas, und der aufgebaute Druckgradient wird durch Aus blasen des Gases abgebaut. Durch das Ausblasen wird gleicher maßen das heiße Plasma von den Kontakten weg geblasen, so dass es bei Spannungswiederkehr zu keinem erneuten Zünden des Lichtbogens kommen kann.
Durch den rotierenden Lichtbogen wird das Gas ebenfalls in Rotation versetzt und durch die Fliehkräfte nach außen ge drückt. Dadurch baut sich ein Druckgradient auf, wodurch in der Nähe der Außenwand, d. h. bei größeren Radien, ein Über druck entsteht, während in der Nähe der Kontakte, d. h. bei kleineren Radien ein Unterdruck entsteht. Durch diesen Unter druck wird Gas von außerhalb der Schaltkammer durch die oben beschriebene Öffnung in den Gasraum, der außerhalb der Rota tionsbahn des Lichtbogens liegt, gesaugt. Dadurch wird die Gasmenge in diesem Raum und der mittlere Druck erhöht. Bei Verringerung des Stroms bzw. im Stromnulldurchgang vermindert sich die Antriebskraft auf den Lichtbogens, so dass die Rota tion des Lichtbogens geringer wird. Im Stromnulldurchgang fällt der Antrieb des Lichtbogens, der das Gas in Rotation hält, vollständig weg. Dadurch wirken keine Fliehkräfte mehr auf das Gas, und der aufgebaute Druckgradient wird durch Aus blasen des Gases abgebaut. Durch das Ausblasen wird gleicher maßen das heiße Plasma von den Kontakten weg geblasen, so dass es bei Spannungswiederkehr zu keinem erneuten Zünden des Lichtbogens kommen kann.
Durch die erfindungsgemäße zusätzliche Öffnung wird vorteil
hafterweise der mittlere Druck in der Schaltkammer erhöht.
Dadurch wird die Ausblaswirkung verbessert bzw. es kann bei
kleinerer Bauform die gleiche Ausblaswirkung wie bei Kammern
ohne entsprechende Öffnungen erreicht werden.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich
aus nachfolgender Figurenbeschreibung von Ausführungsbeispie
len anhand der Zeichnung in Verbindung mit den Patentansprü
chen. Es zeigen jeweils in schematischer Schnittdarstellung
Fig. 1 einen Leistungsschalter mit Autokompressionskammer
und ringförmiger zusätzlicher Öffnung um den Schalt
bolzen,
Fig. 2 einen Leistungsschalter mit Autokompressionskammer
und rückseitiger zusätzlicher Öffnung sowie einer Ab
führung für das Schaltgas im Schaltbolzen,
Fig. 3 einen Leistungsschalter mit Autokompressionskammer,
bei der zusätzliche Öffnungen als Teilringe im
Schaltbolzen angeordnet sind und das einströmende Gas
im Bolzen geführt wird,
Fig. 4 einen Leistungsschalter gemäß Fig. 1 und Ringöffnung
um den Bolzen in zwei Schaltstellungen, woraus die
Funktion einer Ventilklappe als Verschlussmittel er
kennbar ist und
Fig. 5 einen Leistungsschalter gemäß Fig. 1 mit ringförmig
um einen konischen Bolzen angeordneter Schlitzöffnung
in zwei Schaltstellungen, wobei durch die Bolzenver
schiebung eine Selbstdichtung erfolgt.
Gleiche bzw. gleichwirkende Teile haben in den Figuren glei
che bzw. sich entsprechende Bezugszeichen. Die Figuren werden
nachfolgend teilweise gemeinsam beschrieben.
In Fig. 1 ist beispielhaft der Querschnitt einer im Zusam
menhang mit Autokompressionsschaltern an sich bekannten
Schaltkammer 10 dargestellt. Die Schaltkammer 10 umschließt
ein Volumen 100 und wird von einem Gehäuse 104 aus Isolierma
terial gebildet. Innerhalb des der Schaltkammer 10 befinden
sich ein beweglicher Kontakt 101 und ein feststehender Kon
takt 102, unterhalb dessen ein Element 103 zur Magnetfelder
zeugung angeordnet ist. Das Magnetfelderzeugungselement 103
kann beispielsweise durch eine Spule oder einen Permanentmag
neten gebildet sein.
Das Magnetfelderzeugungselement 103 versetzt während des Aus
schaltvorganges den Lichtbogen 106 durch die Lorentzkraft in
eine Rotationsbewegung. Der rotierende Lichtbogen 106 trennt
mit seiner Lichtbogenbahn das Gasvolumen 100 der Löschkammer
in zwei thermisch getrennte Teilvolumina 120 und 130. Das ei
ne Teilvolumen 130 liegt dabei innerhalb, das andere Teilvo
lumen 120 außerhalb der Lichtbogenbahn. In Bezug auf die Ro
tationsachse des Lichtbogens 106 ist das Teilvolumen 120 ach
senfern und das Teilvolumen 130 achsennah orientiert. Der
feststehende Kontakt 102 am Boden des Gehäuses 104 spart für
das Teilvolumen 130 innerhalb der Lichtbogenbahn eine Öffnung
105 aus, aus der das während des Ausschaltvorganges durch den
Lichtbogen 106 erhitzte Gas aus in der Schaltkammer 10 vor
handenen Gasvolumen 100 abströmen kann.
Die Schaltkammer 10 ist Teil einer Schaltanlage mit einem in
den Figuren nicht im Einzelnen dargestellten Gaskessel mit
Gasvolumen 200, in den das aus der Schaltkammer 10 abströmen
de Gas aufgenommen wird. Diesbezüglich findet als ein Gasaus
tausch statt.
Der bewegliche Kontakt 101, der zum Trennen des Stromkreises
aus einer Schaltstellung "Ein", die durch die galvanische Be
rührung von beweglicher und feststehender Kontaktflächen be
stimmt ist, kann durch eine Hubbewegung in eine Schaltstel
lung "Aus" verfahren werden. Der Bewegkontakt 101 kann als
Rundstab bzw. Bolzen oder auch als Rohr ausgebildet sein.
In Fig. 1 befindet sich im Deckel 109 des Schaltkammergehäu
ses 104 eine zusätzliche Öffnung 107. Die Öffnung 107 ist in
Form eines konzentrisch um den beweglichen Kontakt 101 ange
ordneten Ringspaltes, durch die während der Rotation des
Lichtbogens Gas aus der Umgebung 200 außerhalb der Schaltkam
mer angesaugt werden kann, ausgebildet. Zur Realisierung der
eingangs erläuterten physikalischen Zusammenhänge liegt die
Öffnung 107 im achsenfernen Teilvolumen 120 des in der
Schaltkammer 10 befindlichen Volumens 100, also außerhalb der
vom Lichtbogen 106 umschriebenen Rotationsbahn.
Die ringförmige Öffnung 107 in Fig. 1 ist nach außen hin
vorteilhafterweise als Trichter 108 mit Abschrägungen in der
Deckelwandung 109 ausgebildet. Dadurch kann das Gas, das mit
Schallgeschwindigkeit strömt, hinreichend schnell in die
Schaltkammer 10 eingebracht werden.
Fig. 2 zeigt ein gegenüber Fig. 1 abgewandeltes Ausfüh
rungsbeispiel, bei dem die zusätzliche Öffnung als diskrete
Öffnung 207 im Deckel 208 der Schaltkammer 100 ausgebildet
ist. Es können mehrere derartige Öffnungen vorhanden sein.
Der Durchlass des bewegbaren Kontaktes 201 durch den Deckel
208 ist in diesem Fall gasdicht ausgeführt.
Beim Leistungsschalter gemäß Fig. 2 wird das zur Löschung
verwendete Gas nach der bestimmungsgemäßen Anwendung innerhalb
des Kontaktbolzens 201 zurückgeführt. Dazu ist im Kon
taktbolzen 101 ein konzentrischer Kanal 205 vorhanden. Dage
gen entfällt bei dieser Ausführungsform die zentrale untere
Öffnung 105, so dass diesbezüglich das Gehäuse 104 geschlos
sen ist.
In Fig. 3 ist ein weiteres Beispiel für eine erfindungsgemä
ße Realisierung der zusätzlichen Öffnung in der Schaltkammer
100 dargestellt. Bei dieser Ausführungsform ist der obere
Teil des beweglich Kontaktes als Rohr 301 ausgeführt. Das
Rohr 301 besitzt Umlauföffnungen 302 zum Volumen 120 außer
halb der Lichtbogenrotationsbahn, so dass hierdurch Gas vom
Volumen 200 außerhalb der Schaltkammer 100 in das achsenferne
Teilvolumen 120 der Schaltkammervolumen 110, nicht aber in
das achsennahe Teilvolumen 130 treten kann, sobald die Rota
tion des Lichtbogens 106 die hierfür erforderlichen Druckver
hältnisse geschaffen hat. In das für das durch den Lichtbogen
106 thermisch getrennte Volumen 130 tritt also kein Gas ein.
Fig. 4 zeigt ein Beispiel für das gesteuerte Verschließen
der zusätzlichen Öffnung 107, die als Ausgangsöffnung für das
Gas wirkt, mittels eines Ventilelementes 110, 110'. Damit
kann der Gasstrom so gesteuert werden, dass er ausschließlich
in die Schaltkammer 100 hinein gerichtet wird. Ist durch die
Rotation des Gases innerhalb der Schaltkammer 10 der Druck im
Bereich der Rotationsachse geringer als im Bereich außerhalb
der Schaltkammer, gibt das Ventilelement 110 die Gasströmung
in die Schaltkammer 10 hinein frei und das Gas dringt aus dem
Außenraum ein. Steigt mit vom Lichtbogen ausgehender, fort
schreitender Aufheizung des Gases innerhalb der Schaltkammer
10 der Gasdruck im Gasvolumen 100 über den Gasdruck an, der
in der Umgebung 200 außerhalb der Schaltkammer 10 herrscht,
drückt der Druck in der Schaltkammer 10 das Ventilelement
110' gegen die Ansaugöffnung 107 und verschließt diese. Es
kann durch die Ansaugöffnung 107 kein Gas aus der Schaltkam
mer 10 entweichen. Der Gasstrom aus der Schaltkammer 10 heraus
ist dann also in gewünschter Weise allein auf die Aus
blasöffnung 105 konzentriert.
Anhand Fig. 5 wird verdeutlicht, wie durch eine Ausformung
des beweglichen Schaltkontaktes 501 während der Bewegung der
Querschnitt der Ansaugöffnung gesteuert werden kann. Zu Be
ginn des Löschvorganges ist die komplette Ansaugöffnung 107
freigegeben. Das Gas aus dem äußeren Volumen 200 kann ange
saugt werden und mit hoher Strömungsgeschwindigkeit in die
Schaltkammer 10 gelangen. Durch die weitere Bewegung hin zum
Ende des Löschvorganges verringert sich allmählich der Quer
schnitt der Ansaugöffnung 107. Die durch das Ansteigen des
Druckes innerhalb der Schaltkammer 10 einsetzende Strömung
aus der Schaltkammer 10 heraus wird unterdrückt und insbeson
dere auf die Ausblasöffnung 105 der Schaltkammer 10 konzent
riert.
Claims (11)
1. Leistungsschalter, insbesondere im Bereich der Mittel
spannungsebene, mit gegeneinander in einer Schaltkammer be
weglichen Kontakten und einem Gas zu Isolierzwecken,
bestehend aus einem Gasraum innerhalb einer Schaltkammer und einem Gasraum außerhalb der Schaltkammer,
wobei die Schaltkammer mindestens eine Öffnung hat, durch die während des Schaltvorganges Gas aus dem Gasraum inner halb der Schaltkammer in den Gasraum außerhalb der Schalt kammer strömen kann
und wobei Mittel zur Rotation des Lichtbogens entlang einer Lichtbogenbahn vorhanden sind,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Schaltkammer (10) wenigstens eine zusätzliche Öffnung (107, 207, 307) aufweist, die außerhalb der vom Lichtbogen beschriebenen Rotationsbahn liegt, durch welche Öffnung (107, 207, 307) das Gas während des Ausschaltvor ganges in den Gasraum (100; 120, 130) der Schaltkammer (10) einströmen kann.
bestehend aus einem Gasraum innerhalb einer Schaltkammer und einem Gasraum außerhalb der Schaltkammer,
wobei die Schaltkammer mindestens eine Öffnung hat, durch die während des Schaltvorganges Gas aus dem Gasraum inner halb der Schaltkammer in den Gasraum außerhalb der Schalt kammer strömen kann
und wobei Mittel zur Rotation des Lichtbogens entlang einer Lichtbogenbahn vorhanden sind,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Schaltkammer (10) wenigstens eine zusätzliche Öffnung (107, 207, 307) aufweist, die außerhalb der vom Lichtbogen beschriebenen Rotationsbahn liegt, durch welche Öffnung (107, 207, 307) das Gas während des Ausschaltvor ganges in den Gasraum (100; 120, 130) der Schaltkammer (10) einströmen kann.
2. Leistungsschalter nach Anspruch 1, dadurch ge
kennzeichnet, dass durch die Lichtbogenbahn der
Gasraum (100) innerhalb der Schaltkammer (10) mit seinem
Volumen in zwei Teilvolumina (120, 130) unterteilt ist, von
denen das eine Teilvolumen (130) achsennah und das andere
Teilvolumen (120) achsenfern in Bezug auf die Rotationsachse
des Lichtbogens (106) orientiert ist, und dass die wenigstens
eine zusätzliche Öffnung (107, 207, 307) das achsenferne
Teilvolumen (120) mit dem Gasvolumen (200) außerhalb der
Schaltkammer (10) verbindet.
3. Leistungsschalter nach Anspruch 2, dadurch ge
kennzeichnet, dass die zusätzliche Öffnung
(107) symmetrisch zum Schaltbolzen (101) des Bewegkontaktes
angeordnet ist.
4. Leistungsschalter nach Anspruch 3, dadurch ge
kennzeichnet, dass die Öffnung eine Ringöffnung
(107) um den Schaltbolzen (101) bildet.
5. Leistungsschalter nach Anspruch 4, dadurch ge
kennzeichnet, dass die Ringöffnung (107) im
Querschnitt einen Trichter (108) bildet.
6. Leistungsschalter nach Anspruch 2, dadurch ge
kennzeichnet, dass die Öffnung (107) am rück
seitigen Teil der Schaltkammer (100) angeordnet ist.
7. Leistungsschalter nach einem der Ansprüche 2 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, dass der
Öffnung (107) Mittel (110, 110') zum Verschließen zugeordnet
sind.
8. Leistungsschalter nach Anspruch 6, dadurch ge
kennzeichnet, dass die Verschlussmittel als
Ventilklappe (110, 110') ausgebildet sind.
9. Leistungsschalter nach Anspruch 7, dadurch ge
kennzeichnet, dass durch eine konische Ausbil
dung des Schaltbolzens (101) mit dessen Linearverschiebung
ein selbsttätiges Verschließen der ringförmigen Öffnung (107)
erfolgt.
10. Leistungsschalter nach Anspruch 1 oder Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass zur Zu
führung des Gases ein als Bewegkontakt arbeitender Schaltbol
zen als Hohlrohr (301) ausgebildet ist und im seinem dem
Festkontakt (102) zugewandten Teil die wenigstens eine
Öffnung (307) aufweist.
11. Leistungsschalter nach Anspruch 10, dadurch
gekennzeichnet, dass die Öffnung eine Ring
öffnung (307) im Hohlrohr (301) ist.
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE2001131018 DE10131018C1 (de) | 2001-06-27 | 2001-06-27 | Leistungsschalter |
EP02013162A EP1276125A3 (de) | 2001-06-27 | 2002-06-14 | Leistungsschalter |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE2001131018 DE10131018C1 (de) | 2001-06-27 | 2001-06-27 | Leistungsschalter |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE10131018C1 true DE10131018C1 (de) | 2003-01-23 |
Family
ID=7689655
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE2001131018 Revoked DE10131018C1 (de) | 2001-06-27 | 2001-06-27 | Leistungsschalter |
Country Status (1)
Country | Link |
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DE (1) | DE10131018C1 (de) |
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Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
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Ref document number: 10204042 Country of ref document: DE Kind code of ref document: P |
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