DE102009043195A1

DE102009043195A1 - Abbrandelement zur Anordnung an einem Schaltkontakt eines Leistungsschalters

Info

Publication number: DE102009043195A1
Application number: DE102009043195A
Authority: DE
Inventors: Armin Prof. Dr. Schnettler; Ming Chark Dipl.-Ing. Tang; Jan Dipl.-Ing. Kahlen; Matthias Dipl.-Ing. Hoffacker; Andreas Dipl.-Ing. Kurz
Original assignee: Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH
Current assignee: Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH
Priority date: 2009-09-26
Filing date: 2009-09-26
Publication date: 2011-03-31
Also published as: WO2011035781A1

Abstract

Abbrandelement zur Anordnung an einem Schaltkontakt (3) eines Leistungsschalters (1), insbesondere Selbstblasschalters, bei dem während des Schaltens ein Lichtbogen (9) zwischen dem Schaltkontakt (3) und einem zweiten Schaltkontakt (4) brennt, mit einer Einlagerungsausnehmung (11) zur Einlagerung des Lichtbogens (9), die in Längsrichtung (L) des Abbrandelements (20) verläuft und sich quer zur Längsrichtung (L) des Abbrandelements (20) durchgängig erstreckt, sowie ein Schaltelement mit einem solchen Abbrandelement (20) und ein Leistungsschalter (1) mit einem solchen Schaltelement.

Description

Die Erfindung betrifft ein Abbrandelement zur Anordnung an einem Schaltkontakt eines Leistungsschalters, insbesondere eines Selbstblasschalters, bei dem während des Schaltens ein Lichtbogen zwischen dem Schaltkontakt und einem zweiten Schaltkontakt brennt, sowie ein Schaltelement für einen Leistungsschalter mit einem solchen Abbrandelement und einen Leistungsschalter mit einem solchen Schaltelement.
Leistungsschalter sind Sicherheitselemente, die im Bereich der Mittel- und Hochspannung in Wechselspannungsnetzen zur Unterbrechung von Nenn- und Kurzschlussströmen eingesetzt werden können. Leistungsschalter können beispielsweise als Vakuum-Leistungsschalter oder als gasgefüllte Leistungsschalter ausgestaltet sein. In der Hochspannungsebene werden überwiegend gasgefüllte Leistungsschalter eingesetzt, die beispielsweise nach dem Selbstblasprinzip arbeiten können. Als Füllgas kann beispielsweise Schwefelhexafluorid eingesetzt werden.
Ein Leistungsschalter weist zumeist zwei Schaltkontakte auf, die im geschlossenen Zustand des Schalters miteinander in Kontakt stehen. Ein Schaltkontakt ist häufig tulpenförmig und der andere Schaltkontakt stiftförmig ausgestaltet. Zum Ausschalten werden die beiden Kontakte voneinander weg bewegt, wobei sich ein zwischen den Kontakten brennender Lichtbogen ausbildet. Entscheidend für ein erfolgreiches Abschalten des Stromes ist es, diesen Lichtbogen zwischen den Schaltkontakten zum Verlöschen zu bringen.
Bei Selbstblasschaltern wird das Verlöschen des Lichtbogens durch die Beblasung des Lichtbogens mit einem den Lichtbogen kühlenden Lösch- und Isoliergas erreicht. Dieses Gas muss einerseits dazu in der Lage sein, dem Lichtbogen Energie zu entziehen, ihn abzukühlen und zum Verlöschen zu bringen und andererseits nach dem Verlöschen des Lichtbogens eine hohe dielektrische Festigkeit zwischen den Schaltkontakten sicherzustellen und somit erneute Überschläge zwischen den Kontakten zu verhindern.
In Selbstblasschaltern wird die im Lichtbogen umgesetzte Energie dazu genutzt, um den zur Beblasung des Lichtbogens notwendigen Gasdruck aufzubauen. Der Lichtbogen zwischen den Schaltkontakten kann hierbei während des Abschaltvorganges in Abbranddüsen aus einem Isoliermaterial wie PTFE geführt werden, welches unter dem Einfluss des Lichtbogens verdampft und somit einen hohen Gasdruck erzeugt.
Der Abschaltvorgang kann im Wesentlichen in zwei Phasen gegliedert werden, nämlich in die Hochstromphase und die Stromnulldurchgangsphase. Die Hochstromphase beginnt mit der Trennung der Abbrandkontakte und umfasst die Zeit bis zu einer vorgegebenen Zeitspanne (meist 500 μs) vor dem Verlöschen des Lichtbogens in einem natürlichen Stromnulldurchgang des sinusförmigen Stromes. in dieser ersten Phase des Abschaltvorganges sorgt der Abbrand der Isolierstoffdüsen durch den Lichtbogen für eine Druckerhöhung im Lichtbogenbereich. Dadurch erfolgt eine Gasströmung aus dem Lichtbogenbereich in ein Löschgasvolumen (Druckvolumen), welches mit dem Lichtbogenbereich über einen Strömungskanal strömungsverbunden ist, so dass dort ebenfalls ein Druckaufbau erfolgt. Nach Überschreiten des Scheitelwertes des Stromes beginnt eine Rückströmung des Gases aus dem Druckvolumen in den Lichtbogenbereich. Ein Löschen des Lichtbogens bzw. eine Unterbrechung des Stromes während der Hochstromphase ist im Regelfalle nicht möglich. Der während der Hochstromphase erzielte Druckaufbau ist aber entscheidend für das Abschalten im natürlichen Stromnulldurchgang.
Die Stromnulldurchgangsphase schließt sich an die Hochstromphase an und umfasst die Zeit beginnend (meist 500 μs) vor dem Verlöschen des Lichtbogens in einem Nulldurchgang des sinusförmigen Stromes bis zum Verlöschen des Lichtbogens in diesem Stromnulldurchgang. Diese zweite Phase ist geprägt von einer Gasströmung aus dem Druckvolumen in den Lichtbogenbereich. Die Voraussetzungen für diese Gasströmung wurden in der Hochstromphase geschaffen. Diese Strömung sorgt für eine Kühlung des Lichtbogens und bringt ihn somit zum Verlöschen. Das Löschgas wird aus dem Lichtbogenbereich in ein Auspuffvolumen abgeleitet. Die Ausgestaltung der Abbranddüsen ist für den Aufbau des Gasdruckes und somit des Ausschaltverhaltens von entscheidender Bedeutung.
Bei bekannten Leistungsschaltern behält der Lichtbogen während des gesamten Ausschaltvorganges seine Lichtbogenform in den Isolierstoffdüsen bei. Er nimmt im Wesentlichen eine zylindrische Form im Zentrum der Isolierstoffdüsen an.
Die WO 2007/016797 A1 zeigt einen Selbstblasschalter mit einem zusätzlichen, zylindrischen Abbrandelement als Steuerkörper, welches an einer Stirnseite eines als Schaltstift ausgestalteten Schaltkontaktes im Zentrum der ebenfalls zylindrischen Isolierstoffdüse angeordnet ist. Hierdurch entsteht ein Lichtbogenbereich in Form eines Ringspaltes, in dem sich der Lichtbogen während des Ausschaltvorganges ausbildet. Durch das zusätzliche Abbrandelement kann ein höherer Anteil an verdampfendem Isolierstoff erzielt werden, der zu einem höheren Druckaufbau während der Hochstromphase beiträgt. Solche Steuerkörper in Leistungsschaltern werden ferner in der CH 689 362 A5 und der EP 0 524 088 A1 beschrieben.
Bei den bekannten Ausgestaltungen ist zwar auf der einen Seite ein erhöhter Abbrand in der Hochstromphase gegeben, auf der anderen Seite erfolgt allerdings in nachteiliger Weise eine Abschattung des Lichtbogens im Ringspalt durch das Abbrandelement selbst, so dass in den Fällen, in denen der Lichtbogen nicht vollständig symmetrisch, an einer undefinierten Stelle in dem Ringspalt angeordnet ist, ein nicht unerheblicher Teil des Löschgases keinen Beitrag zur Kühlung des Lichtbogens leistet, wodurch das Ausschaltvermögen des Leistungsschalters negativ beeinträchtigt ist.
Die Erfindung hat die Aufgabe, ein Abbrandelement bereitzustellen, durch welches das Ausschaltvermögen eines Leistungsschalters erhöht werden kann.
Die Erfindung löst die Aufgabe mit den Merkmalen des Patentanspruches 1. Ein erfindungsgemäßes Schaltelement umfassend einen Schaltkontakt und ein Abbrandelement ist Bestandteil von Patenanspruch 17. Ein erfindungsgemäßer Leistungsschalter ist Bestandteil von Patentanspruch 20. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Bestandteil der abhängigen Ansprüche.
Das erfindungsgemäße Abbrandelement weist eine Einlagerungsausnehmung zur Einlagerung des Lichtbogens auf, die in Längsrichtung des Abbrandelements verläuft und sich quer zur Längsrichtung des Abbrandelements durchgängig erstreckt. Mittels der Einlagerungsausnehmung im Abbrandelement kann der Lichtbogen den zumeist ringspaltförmigen Lichtbogenbereich verlassen, in dem er in die Einlagerungsausnehmung eintritt. Dadurch dass sich die Einlagerungsausnehmung quer zur Längsrichtung durchgängig erstreckt, kann der Lichtbogen insbesondere zur Mitte des Abbrandelements wandern, so dass er dann von mehreren Seiten aus gekühlt werden kann, wodurch der Anteil des zur Kühlung des Lichtbogens beitragenden Löschgases erhöht wird. Es hat sich nämlich gezeigt, dass während der Hochstromphase der Lichtbogen dazu neigt, mit möglichst großem Durchmesser zu brennen, so dass sich der Lichtbogen vornehmlich im Ringspalt ausbreitet. Hierdurch wird, wie im Stand der Technik bereits bekannt, erreicht, dass eine große Fläche an Abbrandmaterial zur Erhöhung des Druckaufbaues zur Verfügung steht. Während der Stromnulldurchgangsphase allerdings wird der Lichtbogen unter anderem aufgrund des Druckaufbaues in die Freiräume des Abbrandelements eingelagert, so dass er nunmehr von mehreren Seiten aus mit Löschgas kühlend beströmbar ist.
Das Abbrandelement kann aus einem nicht-leitfähigen Material bestehen, welches unter dem Einfluss eines Lichtbogens verdampfbar ist, beispielsweise aus PTFE.
Das Abbrandelement kann derart ausgestaltet sein, dass es an der Stirnseite eines, insbesondere als Schaltstift ausgestalteten, Schaltkontakts anordbar ist.
Das Abbrandelement kann ferner eine im Wesentlichen zylindrische Grundform aufweisen, so dass es im Wesentlichen parallel zum Lichtbogen verlaufen kann.
Die Längsrichtung des Abbrandelements kann ferner parallel zur Mittelachse des Abbrandelements und/oder zum Lichtbogen verlaufen, wobei sich bei einer vorteilhaften Ausgestaltung die Einlagerungsausnehmung entlang der Mittelachse des Abbrandelements erstreckt. Die Einlagerungsausnehmung kann somit im Zentrum des Abbrandelements verlaufen, so dass sich der Lichtbogen im Beblasungszeitpunkt im Bereich der Mittelachse des Abbrandelements aufhalten kann und somit gleichmäßig von mehreren Seiten aus gekühlt werden kann.
Die Einlagerungsausnehmung kann ferner radial zur Mittelachse des Abbrandelements verlaufen, so dass ein ungehindertes Einströmen von Löschgas zum Bereich der Mittelachse möglich ist, wobei die radialen Abschnitte als Blaskanäle wirken.
Bei einer besonders bevorzugten Ausgestaltung erstreckt sich die Einlagerungsausnehmung in Längsrichtung im Wesentlichen über die gesamte Länge des Abbrandelements. Die Einlagerungsausnehmung kann zumindest an einer axialen Stirnfläche des Abbrandelements offen sein. Dies bietet sich insbesondere dann an, wenn das Abbrandelement an der Stirnseite eines Schaltstiftkontaktes angeordnet ist, da dann der Lichtbogen direkt im Bereich der Einlagerungsausnehmung mit dem Schaltkontakt in Kontakt steht.
Eine besonders einfache Ausgestaltung eines Abbrandelements kann derart ausgebildet sein, dass es aus mehreren einzelnen voneinander getrennten Abbrandkörpern besteht. Diese können fest mit dem Schaltkontakt in Verbindung gebracht werden.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung eines Abbrandelements sieht vor, dass die Einlagerungsausnehmung mindestens zwei insbesondere rechtwinklig zueinander angeordnete Einlagerungsbereiche aufweist. Hierdurch kann erreicht werden, dass der vorzugsweise sich im Zentrum des Abbrandelements aufhaltende Lichtbogen während der Stromnulldurchgangsphase im Beblasungszeitpunkt von vier Seiten aus beblasen wird.
Eine einfache Ausgestaltung eines Abbrandelements sieht vor, dass die Einlagerungsausnehmung spalt- oder schlitzförmig ausgebildet ist. Hierbei kann nämlich die Einlagerungsausnehmung in einfacher Weise hergestellt werden, beispielsweise durch Fräsen eines Spaltes aus einem Vollkörper. Bei einer Ausgestaltung mit nur einem Spalt wird der Lichtbogen von zwei Seiten aus beblasen. Um mehr Blaskanäle zu erhalten, können weitere Spalte in das Abbrandelement eingebracht werden, so dass die Einlagerungsausnehmung dann durch mehrere winklig zueinander angeordnete Spalte gebildet wird. Die Spalte können insbesondere im Bereich der Mittelachse miteinander in Verbindung stehen. Insgesamt kann sich somit eine sternförmige Anordnung der Spalte zueinander ergeben.
Um das Abbrandelement bei im Wesentlichen symmetrischen Lichtbogenbereichen einzusetzen, kann auch das Abbrandelement in Querschnitt achsensymmetrisch ausgestaltet sein.
Eine erfindungsgemäßes Schaltelement weist einen Schaltkontakt auf, an dem ein bereits beschriebenes Abbrandelement angeordnet ist. Bevorzugt ist das Abbrandelement an einer Stirnseite des Schaltkontaktes angeordnet. Der Schaltkontakt ist bevorzugt stiftförmig ausgestaltet und kann konzentrisch zur Mittelachse des Abbrandelements verlaufen. Das Abbrandelement kann ferner einen Durchmesser aufweisen, der geringer als der Durchmesser des Schaltkontaktes ist, so dass das Abbrandelement nicht mit dem zweiten Schaltkontakt kollidiert.
Ein erfindungsgemäßer Leistungsschalter weist ein bereits beschriebenes Schaltelement auf. Der Leistungsschalter kann einen zweiten insbesondere tulpenförmigen Schaltkontakt aufweisen, wobei der erste und der zweite Schaltkontakt im geschlossenen Zustand des Leistungsschalters miteinander in Kontakt sind, und wobei zum Öffnen des Leistungsschalters die Kontakte relativ zueinander in Richtung der Mittelachse des Abbrandelements voneinander weg bewegbar sind. Bevorzugt bewegt sich hierbei das Abbrandelement mit dem bewegbaren Schaltkontakt mit.
Bei einer besonders bevorzugten Ausgestaltung befindet sich das Abbrandelement im geschlossenen Zustand des Leistungsschalters innerhalb des zweiten Schaltkontaktes. Hierdurch kann erreicht werden, dass sich das Abbrandelement während des Bewegens des ersten Schaltkontaktes zwischen den beiden Schaltkontakten und somit im Bereich der Lichtbogenzone befindet.
Das Abbrandelement kann derart ausgestaltet sein, dass der Lichtbogen in der Stromnulldurchgangsphase im Bereich der Mittelachse des Abbrandelements angeordnet ist. Bevorzugt wird der Lichtbogenbereich, d. h. der Bereich in dem der Lichtbogen brennt, durch einen Ringspaltbereich und einen Einlagerungsbereich gebildet. Somit kann der Lichtbogen zunächst von dem Ringspaltbereich, wo möglichst viel Abbrandmaterial verdampft wird, in den Einlagerungsbereich des Abbrandelements übergehen, wo er von mehreren Seiten aus effektiv gekühlt werden kann.
Der Leistungsschalter kann einen Löschgasraum aufweisen, der über Öffnungen mit dem Lichtbogenbereich strömungsverbunden ist, wobei die Öffnungen der Einlagerungsausnehmung gegenüberliegen, so dass das Löschgas zum Kühlen des Lichtbogens in der Einlagerungsausnehmung von dem Löschgasraum möglichst ungehindert zum Lichtbogen gelangen kann.
Zusätzlich zu der oben beschriebenen Einbringung von Abbrandelementen in den Lichtbogenbereich kann auch eine Modifikation des Löschgas-Strömungskanales, d. h. der Verbindung zwischen dem Löschgasraum und dem Lichtbogenbereich, vorgesehen werden, durch welche die Löschgasströmung während der Stromnulldurchgangsphase möglichst effektiv auf den Lichtbogen, der sich bevorzugt im Zentrum der Düsenanordnung befindet, einwirken kann. Dies kann dadurch erreicht werden, dass die Löschgasströmung an den zusätzlichen Abbrandelementen vorbei auf den Lichtbogen geleitet wird. Somit kann verhindert werden, dass ein Teil der Löschgasströmung den Lichtbogenbereich verlässt, ohne zur Kühlung des Lichtbogens beizutragen.
Bevorzugt weist der Bereich des Abbrandelements, der während der Stromnulldurchgangsphase einer Öffnung des Strömungskanals gegenüber liegt, einen größeren Durchmesser auf, so dass der Ringspaltbereich verkleinert ist. Hierdurch kann wiederum erreicht werden, dass das Löschgas verstärkt durch das Abbrandelement hindurch geführt wird und den Lichtbögen bebläst.
Durch die Erfindung kann der Lichtbogen während der Hochstromphase sowohl an der Wand einer beispielsweise zylindrischen Düse als auch an den zusätzlichen Abbrandelementen einen Abbrand erzeugen, der insgesamt höher ist als der Abbrand bei Anordnungen mit entsprechender Düsen aber ohne zusätzliche Abbrandelemente. Somit kann ein höherer Druckaufbau im Lichtbogenbereich und im Druckvolumen erreicht werden. Wenn der sinusförmige Strom nach Durchlaufen seines Scheitelwertes abnimmt, tritt eine Strömungsumkehr ein. Das Löschgas kann dann aus dem Löschgasraum durch den Löschgas-Strömungskanal in den Lichtbogenbereich geleitet werden, wo es den Lichtbogen beblasen und kühlen kann. Hierbei kann sich während der Stromnulldurchgangsphase der Lichtbogen an einer definierten Position insbesondere im Zentrum der Düsenanordnung und/oder des Abbrandelements befinden, so dass er durch eine effektive Beblasung zum Verlöschen gebracht werden kann.
Vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der 1 bis 13 beschrieben. Es zeigen:
1 einen Selbstblasschalter im Längsschnitt mit geschlossenen Schaltkontakten;
2 den Leistungsschalter nach 1 in der Hochstromphase;
3 den Leistungsschalter nach 1 in der Stromnulldurchgangsphase;
4 den Lichtbogenbereich des Leistungsschalters nach 3 im Querschnitt;
5 eine Simulation der Lichtbogenverteilung während der Hochstromphase gemäß 4;
6 eine Simulation der Lichtbogenverteilung während der Stromnulldurchgangsphase gemäß 4;
7 eine weitere Ausgestaltung eines Abbrandelements im Querschnitt;
8 ein Schaltelement gemäß 7 in einer perspektivischen Darstellung;
9 einen Selbstblasschalter gemäß 3 während der Stromnulldurchgangsphase;
10 den Lichtbogenbereich im Querschnitt gemäß der Schnittlinie A aus 9;
11 den Lichtbogenbereich im Querschnitt gemäß der Schnittlinie B aus 9;
12 den Leistungsschalter nach 3 im Längsschnitt; und
13 den Lichtbogenbereich im Querschnitt gemäß der Schnittlinie AB aus 12.
Die 1 bis 3 zeigen in schematischer Darstellung einen Selbstblasschalter 1 in einer Längsschnittansicht. Der Leistungsschalter 1, der im Wesentlichen um die Rotationsachse 5 symmetrisch aufgebaut ist, weist einen ersten Schaltkontakt 3 auf, der als Schaltstift ausgestaltet ist und der in dem in 1 gezeigten geschlossenen Zustand mit einem als Hohlzylinder tulpenförmig ausgestalteten zweiten Schaltkontakt 4 in Kontakt steht. An der Stirnseite 15 des Schaltstiftes 3 ist ein Abbrandelement 20 als Lichtbogensteuerelement angeordnet, welches im Querschnitt in 4 dargestellt ist. Während des geschlossenen Zustandes des Schalters 1 befindet sich das Abbrandelement 20 innerhalb des Schaltkontaktes 4.
Zum Öffnen des Leistungsschalters 1 kann der Schaltkontakt 3 zusammen mit dem Abbrandelement 20 entlang der Längsrichtung L des Abbrandelements 20 bewegt werden, wobei sich dann zwischen den Schaltkontakten 3 und 4 ein Lichtbogen 9 ausbildet.
In der 2 ist der Schalter 1 während der Hochstromphase dargestellt. Hierbei brennt ein Lichtbogen 9 zwischen den Kontakten 3 und 4, wobei um den Lichtbogen herum eine zylindrische Isolierstoffdüse 6 angeordnet ist, die aus einem Abbrandmaterial wie PTFE besteht. Der Lichtbogen 9 kann dieses Abbrandmaterial der Isolierstoffdüse 6 verdampfen, so dass ein Gasdruck aufgebaut wird und eine Gasströmung durch den Löschgas-Strömungskanal 8 in ein Löschgasvolumen 7 einer Löschgaskammer 2 einströmt.
In der in 3 gezeigten Stromnulldurchgangsphase kehrt sich diese Gasströmung aus dem Löschgasvolumen 7 um, so dass Löschgas durch den Löschgas-Strömungskanal 8 zum Lichtbogen 9 geführt wird und diesen abkühlt und somit zum Verlöschen bringt. Diese Stellung des Leistungsschalters 1 ist auch in der 12 und der 13, die einen Querschnitt gemäß der Schnittlinie AB aus 12 zeigt, dargestellt.
Das erfindungsgemäße Abbrandelement 20, welches aus einem nicht leitfähigen Material wie PTFE besteht, welches unter dem Einfluss eines Lichtbogens 9 verdampfbar ist, ist nun derart ausgestaltet, dass es zum einen während der Hochstromphase ein zusätzliches Abbrandmaterial bereitstellt, zugleich allerdings auch während der Stromnulldurchgangsphase die Kühlung des Lichtbogens durch das aus dem Löschgasvolumen 7 über den Löschkanal 8 herausströmende Kühlgas nicht wesentlich beeinträchtigt.
Aus diesem Grund besteht das Abbrandelement 20 welches im Wesentlichen zylinderförmig aufgebaut ist, aus vier einzelnen, voneinander getrennten Abbrandkörpern 10 in Form von Viertelkreiszylindern, die in Schnitt in 4 dargestellt sind. Das Abbrandelement 20 wurde derart hergestellt, dass zwei senkrecht zueinander stehende, durchgängige Spalte 16 und 17 eingebracht wurden, die sich im Bereich der Mittelachse 5 des Abbrandelements 20 treffen. Durch die Spalte 16 und 17, die Einlagerungsbereiche darstellen, wird eine Einlagerungsausnehmung 11 gebildet, in die der Lichtbogen 9 während der Stromnulldurchgangsphase eingelagert werden kann. Die Einlagerungsausnehmung 11 erstreckt sich über die gesamte Länge l und die gesamte Breite b des Abbrandelements 20. Die Spalte 16 und 17 stellen somit quer zur Längsrichtung L verlaufende Beblasungskanäle für den während der Stromnulldurchgangsphase sich im Bereich der Mittelachse 5 befindenden Lichtbogens 9 dar. Wie in den 12 und 13 dargestellt, kann der Lichtbogen 9 somit von mehreren Seiten aus gekühlt und von mehreren Seiten aus in die Einlagerungsausnehmung 11 eingelagert werden.
Die 5 zeigt eine Simulation der Lichtbogenverteilung während der Hochstromphase, wobei hervorgehobene Bereiche eine höhere Lichtbogendichte darstellen. Der Lichtbogen verteilt sich während der Hochstromphase vornehmlich im Ringspaltbereich 12 und im mittleren Bereich 5 der Einlagerungsausnehmung 11. Eine besondere Konzentration erfolgt hierbei in den vier Bereichen 13 des Ringspaltes 12, welche der Einlagerungsausnehmung 11 gegenüber liegen. Durch diese Verteilung des Lichtbogens 9 im Ringspalt 12 und im mittleren Bereich 5 des Abbrandelements 20 kommt der Lichtbogen mit einer hohen Menge an Abbrandmaterial in Verbindung, so dass ein entsprechend hoher Druckaufbau erreicht werden kann. Der Lichtbogenbereich 22 besteht somit aus dem Ringspaltbereich 12 und der Einlagerungsausnehmung 11 des Abbrandelements 20.
Die 6 zeigt die gleiche Anordnung wie 5, wobei sich der Schalter 1 nunmehr in der Stromnulldurchgangsphase befindet. Durch die geringere Stromstärke und dem aus dem Kanal 8 herausströmenden Löschgas wird der Lichtbogen 9 in die Einlagerungsausnehmung 11 des Abbrandelements 20 bestehend aus den vier Abbrandkörpern 10 eingelagert und befindet sich im Wesentlichen im Bereich der Mittelachse 5 des Abbrandelements 20. Der Lichtbogen 9 verändert somit während des Schaltvorgangs seine Form. Durch die Spalte 16 und 17 kann das Löschgas nunmehr den Lichtbogen 9 von mehreren Seiten aus effektiv kühlen. Dies wird dadurch unterstützt, dass die Öffnung 21 des Löschgas-Strömungskanales 8 einer Öffnung der Einlagerungsausnehmung 11 gegenüber liegt.
Die 7 und 8 zeigen eine weitere Ausgestaltung eines Abbrandelements 30 in einer ansonsten gegenüber den 1 bis 6 unveränderten Anordnung eines Selbstblasschalters 1. Das Abbrandelement 30 weist gemäß 7 gegenüber dem Abbrandelement 20 aus den 1 bis 6 nunmehr nur noch einen Spalt auf, der die Einlagerungsausnehmung 11 bildet. Das Abbrandelement 30 besteht somit aus zwei voneinander getrennten, halbzylindrischen Abbrandkörpern 14, die zusammen eine zylindrische Grundform des Abbrandelements 30 bilden. Der Spalt 11 erstreckt sich über die gesamte Länge l in Längsrichtung L und über die gesamte Breite b des Abbrandelements 30. Die Einlagerungsöffnung 11 erstreckt sich somit durchgängig quer zu Längsrichtung L von der einen Seite zur anderen Seite des Abbrandelements 30.
Auch bei dieser Ausgestaltung des Abbrandelements 30 befindet sich der Lichtbogen 9 während der Hochstromphase im Wesentlichen im Bereich des Ringspaltes 12, wobei er während der Stromnulldurchgangsphase in das Abbrandelement 30 in die Einlagerungsausnehmung 11 eingelagert wird und dann von zwei Seiten aus mit Löschgas gekühlt werden kann.
Die 8 zeigt ein Schaltelement 24, welches das Abbrandelement 30 und die Stiftelektrode 3 umfasst. Das Abbrandelement 30 ist hierbei konzentrisch zum Schaltstift 3 an dessen Stirnseite 15 angeordnet, wobei der Durchmesser des Abbrandelements 30 geringer als der Durchmesser des Schaltstiftes 3 ist. Die Einlagerungsausnehmung 11 ist zudem zu beiden Stirnseiten 18 und 19 hin offen. Die Einlagerungsausnehmung 11 erstreckt sich quer zur Längsrichtung l durchgängig über die gesamte Breite b des Abbrandelements 30.
Die Anzahl der Spalte im erfindungsgemäßen Abbrandelement ist nicht begrenzt. Es können beliebig viele Abbrandkörper auch in ungerader Anzahl vorgesehen werden, so dass sich eine stangenkäfigförmige Ausgestaltung des Abbrandelements ergeben kann, bei der der mittlere Bereich des Abbrandelements einen Freiraum aufweist und die Abbrandkörper die in Längsrichtung verlaufenden Käfigstangen darstellen.
Mit den 9 bis 11 wird eine besondere Ausgestaltung eines Abbrandelements 40 beschrieben, welches in Längsrichtung L einen inkonstanten Durchmesser b aufweist. Dies ist in 9, welche 3 entspricht, nicht dargestellt, sie dient lediglich zur Verdeutlichung der Schnittlinien A und B, wobei die entsprechenden Querschnitte in den 10 und 11 dargestellt sind.
An der Stelle B (11) weist das Abbrandelement 40 den gleichen Querschnitt wie das Abbrandelement 20 auf (vgl. 4). An der Stelle A allerdings (10) weist das Abbrandelement 40 einen größeren Durchmesser auf, so dass der Ringspalt 12 wesentlich verkleinert ist. Die Gasströmung (Pfeil), die aus dem Druckkanal 8 herausströmt, kann nunmehr während der Stromnulldurchgangsphase nicht durch den Ringspalt 12 in das Auspuffvolumen 25 entweichen, sondern muss durch die Spalte der Einlagerungsausnehmung 11, in der sich der Lichtbogen 9 befindet strömen, so dass ein wesentlich höherer Anteil an Löschgas zur Kühlung des Lichtbogens 9 beiträgt.
Durch die Erfindung kann somit das Ausschaltvermögen von Leistungsschaltern verbessert werden. Mittels des Abbrandelements kann während der Hochstromphase ein hoher Druckaufbau erreicht werden. Während der Stromnulldurchgangsphase kann durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Abbrandelements sichergestellt werden, dass der Lichtbogen sich an einer definierten Position, vorzugsweise im Zentrum des Abbrandelements, befindet und mindestens zwei Seiten aus zu Kühlung mit Löschgas beblasen und somit zum Verlöschen gebracht werden kann.
Bezugszeichenliste

1: Leistungsschalter
2: Löschgaskammer
3: erster Schaltkontakt
4: zweiter Schaltkontakt
5: Mittelachse
6: Isolierstoffdüse
7: Löschgasvolumen
8: Löschgaskanal
9: Lichtbogen
10: Abbrandkörper
11: Einlagerungsausnehmung
12: Ringspalt
13: Ringspaltbereich
14: Abbrandkörper
15: Stirnseite des ersten Schaltkontakts
16: Spalt
17: Spalt
18: Stirnfläche des Abbrandelements
19: Stirnfläche des Abbrandelements
20: Abbrandelement
21: Öffnung des Löschgas-Strömungskanals
22: Lichtbogenbereich
24: Schaltelement
25: Auspuffvolumen
30: Abbrandelement
40: Abbrandelement
L: Längsrichtung des Abbrandelements
l: Länge des Abbrandelements
b: Breite des Abbrandelements

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2007/016797 A1 [0009]
CH 689362 A5 [0009]
EP 0524088 A1 [0009]

Claims

Abbrandelement zur Anordnung an einem Schaltkontakt (3) eines Leistungsschalters (1), insbesondere eines Selbstblasschalters, bei dem während des Schaltens ein Lichtbogen (9) zwischen dem Schaltkontakt (3) und einem zweiten Schaltkontakt (4) brennt, gekennzeichnet durch eine Einlagerungsausnehmung (11) zur Einlagerung des Lichtbogens (9), die in Längsrichtung (L) des Abbrandelements (20, 30, 40) verläuft und sich quer zur Längsrichtung (L) des Abbrandelements (20, 30) durchgängig erstreckt.
Abbrandelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es aus nicht leitfähigem Material besteht, welches unter dem Einfluss eines Lichtbogens (9) verdampfbar ist.
Abbrandelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es an der Stirnseite (15) eines, insbesondere als Schaltstift ausgestalteten, Schaltkontakts (3) anordbar ist.
Abbrandelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es eine im Wesentlichen zylindrische Grundform aufweist.
Abbrandelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Längsrichtung (L) parallel zu dessen Mittelachse (5) erstreckt.
Abbrandelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Einlagerungsausnehmung (11) entlang der Mittelachse (5) des Abbrandelements (20, 30, 40) erstreckt.
Abbrandelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlagerungsausnehmung (11) radial zur Mittelachse (5) des Abbrandelements (20, 30, 40) verläuft.
Abbrandelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Einlagerungsausnehmung (11) in Längsrichtung (L) im Wesentlichen über die gesamte Länge (l) des Abbrandelements (20, 30) erstreckt.
Abbrandelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlagerungsausnehmung (11) zu mindestens einer axialen Stirnfläche (18) des Abbrandelements (20, 30, 40) hin offen ist.
Abbrandelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Abbrandelement (20, 30, 40) aus mehreren einzelnen voneinander getrennten Abbrandkörpern (10, 14) besteht.
Abbrandelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlagerungsausnehmung (11) mindestens zwei, rechtwinklig zueinander angeordnete Einlagerungsbereiche (16, 17) aufweist.
Abbrandelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlagerungsausnehmung (11) spaltförmig ausgestaltet ist.
Abbrandelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlagerungsausnehmung (11) durch mehrere, winklig zueinander angeordnete Spalte (16, 17) gebildet wird.
Abbrandelement nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Spalte (16, 17) im Bereich der Mittelachse (5) miteinander in Verbindung stehen.
Abbrandelement nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Spalte (16, 17) sternförmig zueinander angeordnet sind.
Abbrandelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es im Querschnitt achsensymmetrisch ausgestaltet ist.
Schaltelement für einen Leistungsschalter (1), insbesondere Selbstblasschalter, gekennzeichnet durch einen Schaltkontakt (3) und ein Abbrandelement (20, 30, 40) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Schaltelement nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Abbrandelement (20, 30, 40) an einer Stirnseite (15) des Schaltkontakts (3) angeordnet ist.
Schaltelement nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltkontakt (3) stiftförmig ausgestaltet ist und konzentrisch zur Mittelachse (5) des Abbrandelements (20, 30, 40) verläuft.
Leistungsschalter, insbesondere Selbstblasschalter, gekennzeichnet durch ein Schaltelement (24) nach einem der Ansprüche 17 bis 19.
Leistungsschalter nach Anspruch 20, gekennzeichnet durch einen zweiten, insbesondere tulpenförmigen Schaltkontakt (4), wobei der erste und der zweite Schaltkontakt (3, 4) im geschlossenen Zustand des Leistungsschalters (1) miteinander in Kontakt sind und zum Öffnen des Leistungsschalter (1) in Richtung der Mittelachse (5) des Abbrandelements (20, 30, 40) voneinander weg bewegbar sind.
Leistungsschalter nach einem der Ansprüche 20 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Abbrandelement (20, 30, 40) mit dem bewegbaren Schaltkontakt (3) mitbewegt.
Leistungsschalter nach einem der Ansprüche 20 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Abbrandelement (20, 30, 40) im geschlossenen Zustand des Leistungsschalters (1) innerhalb des zweiten Schaltkontakts (4) befindet.
Leistungsschalter nach einem der Ansprüche 20 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass das Abbrandelement (20, 30, 40) derart ausgestaltet ist, dass der Lichtbogen (9) in der Stromnulldurchgangsphase im Bereich von dessen Mittelachse (5) angeordnet ist.
Leistungsschalter nach einem der Ansprüche 20 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtbogenbereich (22) einen Ringspaltbereich (12) und einen Einlagerungsbereich (11) umfasst.
Leistungsschalter nach einem der Ansprüche 20 bis 26, gekennzeichnet durch einen Löschgasraum (7), der über Öffnungen (21) mit dem Lichtbogenbereich (22) strömungsverbunden ist, wobei die Öffnungen (21) der Einlagerungsausnehmung (11) gegenüberliegen.
Leistungsschalter nach Anspruch 25 und 26, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich des Abbrandelements (40), der während der Stromnulldurchgangsphase einer Öffnung (21) gegenüber liegt, einen größeren Durchmesser aufweist, so dass der Ringspaltbereich (21) verkleinert ist.
Leistungsschalter nach einem der Ansprüche 20 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtbogen (9) in der Stromnulldurchgangsphase von mehreren Seiten aus beströmbar ist.