DE102015101622A1

DE102015101622A1 - Leistungsschalter

Info

Publication number: DE102015101622A1
Application number: DE102015101622.2A
Authority: DE
Inventors: Armin Schnettler; Paul Gregor Nikolic; Fabian Schmidt; André Breidenbach
Original assignee: Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH
Current assignee: Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH
Priority date: 2015-02-04
Filing date: 2015-02-04
Publication date: 2016-08-04
Also published as: WO2016124175A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Leistungsschalter (1) zum Schalten elektrischer Ströme mit einem zwischen Kontakten (2.1, 2.2) angeordneten Lichtbogenraum (4) und mit einem, mit dem Lichtbogenraum (4) über einen Heizkanal (5) verbundenen Heizvolumen (6), wobei im Heizkanal (5) ein Strömungselement (7) zum Lenken eines den Heizkanal (5) durchströmenden Gasstroms angeordnet ist. Weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Löschen eines Lichtbogens (9) bei einem erfindungsgemäßen Leistungsschalter (1).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Leistungsschalter zum Schalten elektrischer Ströme mit einem zwischen Kontakten angeordneten Lichtbogenraum und mit einem mit dem Lichtbogenraum über einen Heizkanal verbundenen Heizvolumen. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Löschen eines Lichtbogens bei einem derartigen Leistungsschalter.
Bei elektrischen Leistungsschaltern handelt es sich um mechanische Schaltgeräte, die häufig in Energieübertragungsnetzen eingesetzt werden, um dort hohe elektrische Ströme einzuschalten, dauernd zu führen und zu unterbrechen. Treten Störungen auf, wie beispielsweise im Kurzschlussfall, so ist es erforderlich, dass die auftretenden hohen Ströme zuverlässig abgeschaltet und die nach dem Abschaltvorgang über den Kontakten einschwingende Netzspannung gehalten werden kann.
Während des Abschaltvorgangs werden die miteinander in Verbindung stehenden Kontakte voneinander entfernt. Beim Unterbrechen des Stromflusses findet durch die Trennung der Kontakte eine Gasentladung in Form eines Lichtbogens statt. Da über den Lichtbogen weiterhin Strom zwischen den Kontakten geführt wird, ist es erforderlich, den Lichtbogen innerhalb möglichst kurzer Zeit zu löschen.
Bekannte Leistungsschalter weisen einen zwischen den Kontakten angeordneten Lichtbogenraum, ein Heizvolumen sowie einen den Lichtbogenraum und das Heizvolumen verbindenden Heizkanal auf. Durch den Lichtbogen wird das sich im Lichtbogenraum befindliche Isoliergas erhitzt, was zu einem Druckaufbau in dem Heizvolumen führt. Es entsteht eine Druckwelle, welche zunächst in Richtung des hinteren Endes des Heizvolumens gerichtet ist, dort jedoch reflektiert wird, wodurch dann ein Gegenstrom erzeugt wird. Dieser kühlere Gegenstrom wird über den Heizkanal zurück in den Lichtbogenraum geführt, wo er dem Lichtbogen Energie durch Kühlung entzieht, so dass dieser gelöscht wird.
Um die Temperatur des rückströmenden Gasstroms zu reduzieren, ist es beispielsweise aus der DE 198 50 395 A1 bekannt, im Heizvolumen Strömungselemente anzuordnen. Bei dem dort offenbarten Leistungsschalter wird in einer ersten Phase des Ausschaltvorgangs der durch den Lichtbogen erzeugte heiße Gasstrom über einen Heizkanal entlang der Strömungselemente zur Oberseite des Heizvolumens geführt, wobei ein kälterer Gasstrom durch die Öffnungen zwischen den Strömungselementen und dem Heizkanal angesaugt wird. In einer zweiten Phase strömt der kältere Gasstrom über den Heizkanal zurück in den Lichtbogenraum und führt dort zur Löschung des Lichtbogens.
Die Ausschalteigenschaften eines Schalters werden insbesondere durch die Temperatur des zurückströmenden kälteren Gases wesentlich mitbestimmt, wobei die Temperatur möglichst gering sein sollte. Dies wäre auch bei der Verwendung von alternativen Löschgasen zu dem im Stand der Technik weitverbreiteten Löschgas Schwefelhexafluorid (SF₆) von Vorteil, da in diesem Zusammenhang bei der Löschung des Lichtbogens noch technische Herausforderungen bestehen.
Die vorliegende Erfindung stellt sich daher die Aufgabe, einen Leistungsschalter anzugeben, mit welchem die Temperatur des Rückstroms verringert werden kann, so dass die Ausschalteigenschaften des Schalters verbessert werden.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einem Leistungsschalter der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass im Heizkanal ein Strömungselement zum Lenken eines den Heizkanal durchströmenden Gasstroms angeordnet ist.
Durch ein im Heizkanal angeordnetes Strömungselement kann ein den Heizkanal durchströmender Gasstrom gezielt gelenkt werden, wodurch die Durchmischung des sich im Heizvolumen befindlichen Gases mit dem neu einströmenden Gasstrom verbessert wird. Der durch den Lichtbogen erwärmte Gasstrom und das sich im Heizvolumen befindliche kältere Gas können so besser miteinander vermischt werden, wodurch sich eine insgesamt geringere Gastemperatur zum Beblasen und Löschen des Lichtbogens ergeben kann. So kann erreicht werden, dass der Lichtbogen auch beim ersten Stromnulldurchgang sicher gelöscht werden kann. Die Temperatur des Rückstroms aber auch die Gastemperatur im gesamten Leistungsschalter kann dabei durch das Lenken des Gasstroms mittels der Strömungselemente abgesenkt werden.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass das Strömungselement am heizvolumenseitigen Ende, insbesondere im Übergangsbereich des Heizkanals und des Heizvolumens angeordnet ist. Durch die Anordnung des Strömungselements am heizvolumenseitigen Ende des Heizkanals kann der den Heizkanal durchströmende Gasstrom vor dem Eintreten in das Heizvolumen entsprechend einem vorgegebenen Strömungsverlauf gelenkt werden. Der Gasstrom weist dann beim Eintreten in das Heizvolumen eine gerichtete Strömung auf, mittels welcher die anschließende Durchmischung der Gase verbessert werden kann.
In diesem Zusammenhang ist es von Vorteil, wenn das Strömungselement zumindest teilweise in das Heizvolumen hineinreicht. Durch eine solche Anordnung des Strömungselementes kommt es nicht zu unerwünschten Verwirbelungen am Eingang des Heizvolumens, sondern der Gasstrom kann insbesondere an einer Wand des Heizvolumens entlang geführt werden, wodurch der Kaltgasanteil im Heizvolumen zusätzlich erhöht werden kann.
Des Weiteren ist es von Vorteil, wenn das Strömungselement beabstandet zu den Wänden des Heizkanals, insbesondere mittig im Heizkanal, angeordnet ist. Durch die mittige Anordnung kann der Gasstrom oberhalb oder unterhalb des Strömungselementes geführt werden. Bevorzugt ist das Strömungselement mittig im Heizkanal angeordnet, allerdings ist es auch möglich, dass das Strömungselement an den Seitenwänden des Heizkanals oder seitlich versetzt im Heizkanal angeordnet ist.
Eine weitere Ausgestaltung sieht dabei vor, dass das Strömungselement zwei sich gegenüberliegende Leitflächen aufweist. Die Leitflächen können dabei die Ober- und Unterseite des Strömungselementes bilden. Zusätzlich können die beiden Leitflächen über weitere vorne und hinten am Strömungselement angeordnete Leitflächen miteinander verbunden sein. Der durch das Strömungselement gelenkte Gasstrom kann dabei an den Leitflächen entlang geführt werden.
Bevorzugt ist mindestens eine der Leitflächen schräg im Heizkanal angeordnet. Durch die schräge Anordnung der Leitflächen kann der Gasstrom derart gelenkt werden, dass er nach oben gerichtet und/oder nach unten gerichtet geführt wird. So sieht eine bevorzugte Ausgestaltung vor, dass die Leitflächen des Strömungselementes schräg in Richtung einer zentralen Achse des Leistungsschalters, d. h. insbesondere in Richtung einer innenliegenden Seitenwand des Heizkanals angeordnet sind. Bevorzugt können die Leitflächen in einem Winkel zwischen 0° und 60°, bevorzugter zwischen 10° und 45° und besonders bevorzugt zwischen 10° und 20° angeordnet sein.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung sieht vor, dass die Leitflächen schräg zueinander angeordnet sind. Auch hierdurch kann das Strömungsverhalten des Gasstroms weiter beeinflusst werden.
Weiterhin vorteilhaft ist, wenn eine Ausblasöffnung zum Ausblasen eines erwärmten Gasstroms und eine Ansaugöffnung zum Ansaugen eines kälteren Gasstroms aus dem Heizvolumen vorgesehen ist. Die Ausblasöffnung und die Ansaugöffnung können bevorzugt durch den Zwischenraum zwischen dem Strömungselement und der Wandung des Heizkanals gebildet werden. Besonders bevorzugt befinden sich die Öffnungen im Heizkanal und insbesondere am heizvolumenseitigen Ende. Der durch den Lichtbogen erzeugte erwärmte Gasstrom kann durch die Ausblasöffnung in das Heizvolumen geführt werden. Der kältere Gasrückstrom, welcher aus dem Heizvolumen über den Heizkanal in Richtung des Lichtbogenraums strömt, kann durch die Ansaugöffnung strömen und so in den Lichtbogenraum gesaugt werden. Insoweit kann sowohl der hin- als auch der rückströmende Gasstrom über eine der Öffnungen gezielt geführt werden.
In diesem Zusammenhang ist es dabei vorteilhaft, wenn die Ausblasöffnung unterhalb des Strömungselements und die Ansaugöffnung oberhalb des Strömungselements am heizvolumenseitigen Ende des Strömungselements angeordnet ist. Hierdurch kann der erwärmte Gasstrom unterhalb des Strömungselements entlang der der zentralen Achse zugewandten Seite des Heizkanals und des Heizvolumens geführt werden. Das sich im Heizvolumen befindliche kühlere Gas kann als kälterer Gasstrom über die Ansaugöffnung aus dem Heizvolumen heraus in Richtung des Lichtbogenraums angesaugt und oberhalb des Strömungselementes geführt werden. Durch die verbesserte Durchmischung des sich im Heizvolumen befindlichen Gases kann sich das kältere Gas im Bereich der Ansaugöffnung sammeln, wobei daraus resultierend über die Ansaugöffnung ein höherer Kaltgasanteil in den Heizkanal zurückgeführt werden kann.
In diesem Zusammenhang ist es besonders vorteilhaft, wenn die Öffnungsweite der Ausblasöffnung kleiner als die Öffnungsweite der Ansaugöffnung ist. Es ist somit möglich, dass der erwärmte Gasstrom über eine kleine Ausblasöffnung austritt, um so die Einströmgeschwindigkeit in das Heizvolumen zu erhöhen. Durch die größere Öffnungsweite der Ansaugöffnung kann hingegen ein größerer Sog in Richtung des Lichtbogenraums erzeugt werden, wodurch die Strömungs- und damit auch die Beblasungsgeschwindigkeit vergrößert werden kann. Bevorzugt kann dabei die Öffnungsweite der Ausblasöffnung zur Öffnungsweite der Ansaugöffnung in einem Bereich von 1:2 bis 2:3 liegen.
Es ist ferner vorteilhaft, wenn der Gasstrom derart lenkbar ist, dass eine gezielte Durchmischung des erwärmten Gases mit einem sich im Heizvolumen befindlichen kühleren Gas erfolgt, wodurch eine signifikante Temperatursenkung des Beblasungsgases erreicht werden kann. Der erwärmte Gasstrom kann dabei derart gelenkt werden, dass sich im Heizvolumen keine Hotspots ergeben. Vielmehr kann erreicht werden, dass sich ein homogenerer Temperaturverlauf innerhalb des Heizvolumens ergibt. Durch die Lenkung des Gasstromes ist es des Weiteren möglich, dass sich mehr kühleres Gas am eingangsseitigen Ende des Heizvolumens sammelt, welches dann über die Ansaugöffnung des Strömungselementes angesaugt werden kann. Insgesamt ergeben sich dadurch eine Herabsetzung der Temperatur des Beblasungsgases und damit ein deutlich kühlerer Gasstrom zurück in den Lichtbogenraum des Leistungsschalters. So kann auf einfache Art und Weise erreicht werden, dass der Lichtbogen auch bei der Verwendung von alternativen Löschgasen sicher beim ersten Stromnulldurchgang gelöscht werden kann.
Nachdem genauer auf die allgemeine Funktion und Anordnung des Strömungselementes eingegangen wurde, soll nachfolgend detaillierter auf das Strömungselement und dessen Eigenschaften eingegangen werden.
Da der Leistungsschalter, und insbesondere der Heizkanal und das Heizvolumen, zumeist rotationssymmetrisch ausgebildet sind, sieht eine vorteilhafte Ausgestaltung vor, dass auch das Strömungselement rotationssymmetrisch, insbesondere ringförmig, ausgebildet ist, wodurch die Symmetrie erhalten werden kann. Das Strömungselement kann dabei ringförmig um die zentral durch den Leistungsschalter verlaufende Mittelachse angeordnet sein. Sind in einem Leistungsschalter mehrere Heizkanäle und/oder Heizvolumen vorgesehen, kann das Strömungselement Unterbrechungen aufweisen, welche jedoch ebenfalls rotationssymmetrisch angeordnet sein können.
Vorteilhaft ist ferner, wenn sich das Strömungselement in Richtung des Heizvolumens verjüngt. Der Durchmesser des Querschnitts des Strömungselements kann zwischen dem lichtbogenraumseitigen Ende und der Mitte des Strömungselements am größten sein und in Richtung des Heizvolumens hin abnehmen. Bevorzugt ist dabei eine kontinuierliche Verjüngung, insbesondere eine allmähliche und/oder gleichmäßige Verringerung des Durchmessers des Strömungselements. Besonders bevorzugt kann das Strömungselement dabei am heizvolumenseitigen Ende spitz zulaufen. Auf diese Weise kann der Gasstrom ober- und unterhalb des Strömungselementes gezielt gelenkt werden und ein gerichteter Einstrom in das Heizvolumen erfolgen. Durch die sich verjüngende Form kann der Gasstrom in Richtung der der Mittelachse zugewandten Wand des Heizvolumens umgelenkt werden.
Des Weiteren ist es von Vorteil, wenn der Querschnitt des Strömungselements tragflächenförmig, keilförmig, stabförmig oder tropfenförmig ausgebildet ist. Alternativ können auch andere Querschnitte verwendet werden. In Abhängigkeit des Querschnitts können verschiedene Druckbereiche aufgebaut werden, wie dies beispielsweise aus der Flugzeugtechnik oder dergleichen bekannt ist, und so das Strömungsverhalten weiter beeinflusst werden. Auch kann die Strömungsgeschwindigkeit, insbesondere oberhalb und unterhalb des Strömungselements, gesteuert werden.
Im Folgenden soll auf Einzelheiten und Eigenschaften des Leistungsschalters selbst eingegangen werden.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass der Heizkanal einen abgewinkelten Verlauf aufweist. Der Heizkanal kann dabei vom Lichtbogenraum hin zum Heizvolumen geführt sein. Es ist von Vorteil, wenn der Heizkanal ebenfalls rotationssymmetrisch, insbesondere ringförmig, ausgebildet ist. Durch den abgewinkelten Verlauf des Heizkanals kann das Heizvolumen gegenüber dem Lichtbogenraum versetzt angeordnet werden, wodurch sich die Gesamtgröße des Leistungsschalters verringern lässt. Bevorzugt ist, wenn der Heizkanal eine konstante Breite aufweist, wodurch sich ein kontinuierlicher Gasstrom entlang des Heizkanals realisieren lässt. Durch die Anordnung des Strömungselements im Heizkanal wird dieser an dieser Stelle verengt.
Um die Temperatur im Lichtbogenraum weiter zu verringern, können des Weiteren mehrere Heizkanäle und/oder mehrere Heizvolumen vorgesehen sein. So soll die Erfindung derart verstanden werden, dass wenn von einem Heizkanal und/oder einem Heizvolumen gesprochen wird, auch mehrere Heizkanäle und/oder Heizvolumen mit umfasst sind. Bevorzugt können mehrere Heizkanäle für ein gemeinsames Heizvolumen vorgesehen sein, wodurch sich ein Gasstrom in den Lichtbogenraum aus mehreren Richtungen ergibt. Auch kann nur ein Heizkanal mit einem Heizvolumen verbunden sein, wobei es von Vorteil ist, wenn dann mehrere Heizkanäle und mehrere Heizvolumen vorgesehen sind, welche rotationssymmetrisch angeordnet sind.
Bevorzugt ist es ferner, wenn das Heizvolumen rotationssymmetrisch ausgebildet ist und insbesondere einen rechteckigen Querschnitt aufweist. Das Heizvolumen kann koaxial zur zentralen Achse des Schalters angeordnet sein, wodurch sich die Baugröße des Leistungsschalters verringern lässt. Das Heizvolumen kann bevorzugt nach Art einer geschlossenen Kammer mit einer Heizkanalöffnung ausgebildet sein. Das Heizvolumen ist dabei vorteilhafterweise größer als der Lichtbogenraum und als der Heizkanal, wobei der Lichtbogenraum besonders bevorzugt größer ist als der Heizkanal.
Es ist ferner vorteilhaft, wenn der Lichtbogenraum und der Heizkanal in einem Düsensystem, insbesondere in einem Isolierstoffdüsensystem, angeordnet sind. Der Lichtbogenraum kann sich dabei zwischen zwei Isolierstoffdüsen erstrecken. Durch die Energie des Lichtbogens kann es zum Abbrennen des Isolierstoffdüsenmaterials kommen, wodurch eine Druckwelle erzeugt wird, welche den Selbstblaseffekt initiieren kann.
Darüber hinaus ist es von Vorteil, wenn der Lichtbogenraum und das Heizvolumen mit einem Lösch- und/oder Isoliergas, insbesondere mit Kohlenstoffdioxid (CO₂), gefüllt sind. Kohlenstoffdioxid (CO₂) als Löschgas kann das bislang standardmäßig verwendete Schwefelhexafluorid (SF₆) ersetzen. Bei Kohlenstoffdioxid (CO₂) kann es aufgrund der Strömungsgeschwindigkeit zu einer erhöhten Abbaurate des Beblasungsdrucks im Heizvolumen kommen, wodurch die Rückstromeigenschaften gegenüber Schwefelhexafluorid (SF₆) schlechter sind. Dieser Nachteil kann jedoch durch ein erfindungsgemäßes Strömungselement vermindert und die Strömungseigenschaften außerdem verbessert werden. Anstelle von reinem Kohlenstoffdioxid kann auch ein Kohlenstoffdioxid-Gasgemisch verwendet werden. Alternativ können als Löschgase auch synthetische Luft oder Stickstoff (N₂) oder ein beliebiges anderes Gas oder Gasgemisch verwendet werden. Zusätzlich können auch ein Kompressionsvolumen sowie weitere Bereiche des Leistungsschalters mit dem gleichen Löschgas gefüllt sein.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass der Lichtbogenraum über einen oder mehrere Heizkanäle mit einem oder mehreren Heizvolumen verbunden ist. Der Lichtbogenraum kann dabei über eine beliebige Anzahl von Heizkanälen mit einer beliebigen Anzahl von Heizvolumen verbunden sein. Besonders bevorzugt ist jedoch, wenn jeweils ein Heizkanal mit einem Heizvolumen verbunden ist. Durch das Vorsehen mehrerer Heizkanäle und/oder Heizvolumen kann sich eine Beblasung aus mehreren Richtungen zum Lichtbogenraum hin ergeben, wodurch sich die Temperatur im Lichtbogenraum weiter verringern lässt.
Bei einem Verfahren der eingangs genannten Art wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass ein den Heizkanal durchströmender Gasstrom über ein Strömungselement im Heizkanal geführt wird. Hierbei ergeben sich dieselben Vorteile, welche bereits im Zusammenhang mit dem Leistungsschalter beschrieben wurden.
Durch den erfindungsgemäßen Leistungsschalter kann erreicht werden, dass die Gastemperatur im Heizvolumen, im Heizkanal und insbesondere im Lichtbogenraum abgesenkt wird. Vorteilhafterweise ist die Temperatur des Gasstroms zum Zeitpunkt des Stromnulldurchgangs im Lichtbogenraum kleiner als die Dissoziationstemperatur des Gases, welche bei Kohlenstoffdioxid (CO₂) bei 2.000 K liegt. Durch das Unterschreiten der Dissoziationsschwelle von Kohlenstoffdioxid (CO₂) kann erreicht werden, dass der Lichtbogen beim ersten Stromnulldurchgang sicher gelöscht werden kann. Bevorzugt liegt die Temperatur des Gasstroms dabei in einem Bereich zwischen 1.000 K und 2.000 K, besonders bevorzugt jedoch zwischen 1.500 K und 2.000 K.
Bei dem Verfahren können auch die anhand des Leistungsschalters erläuterten Merkmale und Ausgestaltungen allein und in Kombination verwendet werden.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sollen nachfolgend anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert werden. Hierin zeigt:
1 eine schematische Darstellung des Funktionsprinzips eines Selbstblasleistungsschalters,
2 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Leistungsschalters,
3 verschiedene schematische Darstellungen von Querschnitten eines Strömungselements und
4 eine schematische Darstellung des Temperaturverlaufs des Leistungsschalters.
In der 1 ist das generelle Funktionsprinzip eines Leistungsschalters 1 dargestellt, welcher zum Schalten hoher elektrischer Ströme beispielsweise in Form eines Druckgasschalters verwendet werden kann. Der Druckgasschalter kann dann wiederum beispielsweise als Selbstblasleistungsschalter oder Pufferschalter ausgebildet sein.
Die 1a zeigt einen Leistungsschalter 1, welcher sich im eingeschalteten Zustand befindet. Innerhalb des Schalters 1 ist rotationssymmetrisch ein Nennkontaktsystem 3 sowie ein Abbrandkontaktsystem 2 angeordnet. Das Nennkontaktsystem 3 weist dabei zwei gegeneinander in axialer Richtung verschiebbare Nennkontakte 3.1, 3.2 auf und das Abbrandkontaktsystem 2 zwei gegeneinander ebenfalls in axialer Richtung bewegbare Abbrandkontakte 2.1, 2.2. Die Nennkontakte 3.1, 3.2 sind im eingeschalteten Zustand miteinander verbunden und führen den elektrischen Strom, was in der 1a durch einen Pfeil dargestellt ist. Bei dem in diesem Teilbild dargestellten Zustand handelt es sich um den normalen Betriebszustand eines Selbstblasleistungsschalters 1.
Wird nun der Ausschaltvorgang eingeleitet, so bewegen sich der erste Teil des Schalters 1, in welchem der Nennkontakt 3.1 sowie der Abbrandkontakt 2.1 angeordnet sind, und der zweite Teil des Schalters 1, in welchem der Nennkontakt 3.2 sowie der Abbrandkontakt 2.2 angeordnet sind, in axialer Richtung auseinander, wodurch sich die beiden Nennkontakte 3.1, 3.2 voneinander trennen. Aufgrund der Geometrie des Leistungsschalters 1 wechselt der zu schaltende Nenn- bzw. Kurzschlussstrom auf das Abbrandkontaktsystem 2 über, vgl. 1b. Der Strom wird nun über die Kontakte 2.1, 2.2 geführt, siehe Pfeilverlauf in der 1b.
Durch die Bewegung der beiden Teile des Schalters 1 öffnen sich die Ventile 11, wodurch ein sich in einem Kompressionsvolumen 10 befindliches Gas komprimiert wird. Das Kompressionsvolumen 10 wird dabei auf die feststehenden Kompressionskolben 12 gedrückt, so dass eine Druckerhöhung im Kompressionsvolumen 10 sowie im Heizvolumen 6 erreicht wird.
Werden die Kontakte 2.1, 2.2 nun weiter auseinander bewegt, entsteht zwischen diesen ein Lichtbogenraum 4, in welchem ein Lichtbogen 9 gezündet wird. Wie dies der 1c zu entnehmen ist, wird der Lichtbogen 9 dabei zwischen den Isolierstoffdüsen 8 geführt. Der Lichtbogenraum 4 ist dabei in einem Düsensystem 8 angeordnet, insbesondere in einem Isolierstoffdüsensystem, welches sich aus zwei Düsen 8.1, 8.2 zusammensetzt. Die im Lichtbogen 9 umgesetzte Energie trifft zum Teil als Strahlungsenergie auf die Isolierstoffdüsen 8.1, 8.2, welche daraufhin teilweise abgebrannt werden. Die Düsen 8.1, 8.2 werden dadurch aufgeweitet und verlieren ihre ursprüngliche Form. Das gasförmige Düsenmaterial strömt dann zumindest teilweise über den zwischen den beiden Isolierstoffdüsen 8.1, 8.2 geführten Heizkanal 5 in das Heizvolumen 6 und sorgt dort für einen zusätzlichen Druckaufbau.
In der darauf folgenden Phase des Abschaltvorgangs strömt das sich im Heizvolumen 6 befindliche Gas über den Heizkanal 5 zurück in den Lichtbogenraum 4 und sorgt dort für eine Kühlung des Lichtbogens 9. Insoweit wird der in dem Heizvolumen 6 aufgebaute Überdruck genutzt, um eine Gasströmung in den Lichtbogenraum 4 zu generieren, welche den Lichtbogen 9 im Stromnulldurchgang löscht, vgl. 1d. Der Stromfluss durch den Schalter 1 ist unterbrochen und der Schaltvorgang beendet.
Der gesamte Leistungsschalter 1 ist bezüglich einer durch den Leistungsschalter 1 längs verlaufenden Achse A rotationssymmetrisch ausgebildet, weshalb der in der 1 dargestellte Querschnitt durch den Leistungsschalter 1 eine beliebige Ausrichtung des Schalters 1 darstellen kann.
Die Hohlräume des Leistungsschalters 1, wie beispielsweise der Lichtbogenraum 4, der Heizkanal 5, das Heizvolumen 6 sowie das Kompressionsvolumen 10 sind mit einem beliebigen Löschgas gefüllt. Standardmäßig wird hierbei das Gas Schwefelhexafluorid (SF₆) verwendet, was jedoch aus umwelttechnischen Aspekten vermieden werden sollte. Als weitere Substitute können beispielsweise auch Kohlenstoffdioxid (CO₂), synthetische Luft oder Stickstoff (N₂) verwendet werden. Im Ausführungsbeispiel sind die Hohlräume mit Kohlenstoffdioxid (CO₂) gefüllt.
Um eine erfolgreiche Stromunterbrechung in alternativen Löschgasen erreichen zu können, ist es erforderlich, die Gastemperatur im Isolierstoffdüsensystem 8 des Leistungsschalters 1 eine Temperatur unter die Dissoziationsschwelle des Löschgases zu reduzieren. Da der Leistungsschalter 1 im Ausführungsbeispiel mit Kohlenstoffdioxid (CO₂) gefüllt ist, bedeutet dies, dass eine Reduzierung der Gastemperatur unter 2.000 K erfolgen muss. Um dies zu erreichen, ist es erforderlich, die Temperatur im Lichtbogenraum 4 und im Heizvolumen 6 zu senken und insbesondere einen kälteren, über den Heizkanal 5 aus dem Heizvolumen 6 zurück strömenden Gasstrom zu erhalten.
Bei einem erfindungsgemäßen Leistungsschalter 1 ist daher im Heizkanal 5 ein Strömungselement 7 zum Lenken des den Heizkanal 5 durchströmenden Gasstroms angeordnet. Einen solcher Schalter 1 zeigt in schematischer Darstellung die 2, wobei der dargestellte Zustand des Schalters 1 etwa den in den 1c und 1d dargestellten Schaltphasen entspricht.
Über die im Heizkanal 5 angeordneten Strömungselemente 7 kann zum einen der durch den Lichtbogen 9 erzeugte, erwärmte Gasstrom in das Heizvolumen 6 als auch der aus dem Heizvolumen 6 in den Lichtbogenraum 4 zurück strömende kältere Gasstrom gelenkt werden. Durch die Strömungselemente 7 kann der Gesamtgasstrom dabei so gelenkt werden, dass sich das im Heizvolumen 6 befindlichere kältere Gas mit dem einströmenden wärmeren Gas besser durchmischt. Hierdurch ergibt sich im Heizvolumen 6 eine insgesamt geringere Gastemperatur und damit auch ein insgesamt kälterer Gasrückstrom, welcher dann zum Beblasen des Lichtbogens 9 verwendet werden kann.
Das Strömungselement 7 ist am heizvolumenseitigen Ende im Übergangsbereich des Heizkanals 5 und des Heizvolumens 6 angeordnet. Da der Leistungsschalter 1 rotationssymmetrisch aufgebaut ist, kann so der erwärmte Gasstrom an der der Achse A zugewandten Wand des Heizvolumens 6 entlang strömen, wodurch die Entstehung von Hotspots vermieden und in dem kompressionsvolumenseitigen Bereich des Heizvolumens 6 eine deutlich bessere und homogenere Durchmischung des Gases erreicht werden kann. Das kältere Gas sammelt sich hingegen am heizkanalseitigen Ende des Heizvolumens 6. Einen exemplarischen Temperaturverlauf zeigt die 4. Mit Hilfe des Strömungselements 7 kann eine Reduktion der Gastemperatur von mehr als 30% und/oder 250 K gegenüber bekannten Leistungsschaltern 1 erreicht werden. Durch die Absenkung der Gastemperatur im Lichtbogenraum 4 kann von einer Erhöhung des thermischen Ausschaltvermögens in ähnlicher Größe ausgegangen werden.
Im Ausführungsbeispiel ist das Strömungselement 7 mittig im Heizkanal 5 angeordnet und über Stützelemente 13 mit den Wänden des Heizkanals 5 verbunden. Bei den Stützelementen 13 kann es sich beispielsweise um dünne Streben oder dergleichen handeln, welche möglichst wenig Einfluss auf das Strömungsverhalten des Gasstroms haben. Durch die mittige Anordnung des Strömungselements 7 im Heizkanal 5 ergibt sich unterhalb des Strömungselementes 7 eine Ausblasöffnung 14 zum Ausblasen des erwärmten Gasstroms und oberhalb des Strömungselementes 7 eine Ansaugöffnung 15 zum Ansaugen des kälteren Gasstroms aus dem Heizvolumen 6.
Über die Größe der Öffnungsweite der Ansaugöffnung 15 und der Ausblasöffnung 14 kann der Durchmischungseffekt weiter beeinflusst werden. Die Öffnungsweite der Ausblasöffnung 14 ist dabei kleiner als die Öffnungsweite der Ansaugöffnung 15. Durch eine große Ansaugöffnung 15 kann der Sog in den Heizkanal 5 und damit die Größe des rückströmenden kälteren Gasstroms vergrößert werden.
Über die Form des Strömungselementes 7 kann ebenfalls Einfluss auf das Strömungsverhalten des Gasstroms genommen werden. Das Strömungselement 7 ist, wie der gesamte Schalter 1, rotationssymmetrisch ausgebildet und weist insbesondere eine Ringform auf.
In den 3a bis 3f sind verschiedene exemplarische Ausführungsbeispiele eines möglichen Strömungselements 7 dargestellt. So kann das Strömungselement 7 beispielsweise tropfenförmig (3a), tragflächenförmig (3b, d), ellipsenförmig (3c), stabförmig (3e) oder keilförmig (3f) ausgebildet sein. Die Wahl des Querschnitts des Strömungselementes 7 ist dabei jeweils abhängig von dem gewünschten Strömungsverlauf des Gasstroms. Im Ausführungsbeispiel ist das Strömungselement 7, wie in 2 dargestellt, tragflächenförmig ausgebildet, wodurch sich eine laminare Strömung ergibt. Ähnlich wie beispielsweise bei einem Flugzeug, erhöht sich oberhalb des Strömungselements 7 die Strömungsgeschwindigkeit, wohingegen sich diese unterhalb verringert. So entsteht oberhalb des Strömungselements 7 ein Unterdruck, durch welchen der Ansaugeffekt verstärkt wird. Unterhalb des Strömungselements 7 herrscht hingegen ein Überdruck. Zusätzlich zu den erfindungsgemäßen Strömungselementen 7 können im Heizkanal 5 und/oder im Heizvolumen 6 weitere Strömungselemente 7 angeordnet sein.
Das Strömungselement 7 verjüngt sich in Richtung des Heizvolumens 6, wodurch der Strömungsverlauf in Richtung der der Achse A zugewandten Seite hin geführt und das Durchmischungsverhalten des sich im Heizvolumen 6 befindlichen Gases verbessert wird. Das Strömungselement 7 weist zwei Leitflächen 16.1 und 16.2 auf, welche sich gegenüberliegen und wovon mindestens eine Schräg im Heizkanal 5 angeordnet ist. Im Ausführungsbeispiel verlaufen die beiden Leitflächen 16.1, 16.2 schräg zueinander, wodurch der Strömungsverlauf des Gasstroms weiter beeinflusst werden kann.
Um die Temperatur des Beblasungsgases zusätzlich zu senken, können mehrere Heizkanäle 5 und/oder mehrere Heizvolumen 6 vorgesehen sein, wobei die Rotationssymmetrie grundsätzlich erhalten bleiben soll. Denn bei der Verwendung von Kohlenstoffdioxid (CO₂) als Löschgas entsteht in der Mitte des Lichtbogenraums 4 auf Höhe der Heizkanalöffnung ein Stagnationsbereich, an welchem der Widerstand der Kontaktstrecke maximal wird. Durch die Verwendung von mehreren Heizkanälen 5 und/oder Heizvolumen 6 kann zusätzlich eine Vervielfachung der Kühlwirkung erreicht werden. Sind mehrere Heizkanäle 5 und/oder Heizvolumen 6 vorgesehen, kann das Strömungselement 7 Unterbrechungen aufweisen, welche den jeweiligen Öffnungen der Heizkanäle 5 und/oder der Heizvolumen 6 entsprechen.
Wie dies beispielsweise der Strömungsdarstellung in der 4 zu entnehmen ist, verläuft der Heizkanal 5 abgewinkelt, wodurch das Heizvolumen 6 gegenüber dem Lichtbogenraum 4 versetzt angeordnet werden kann. Der Heizkanal 5 weist über seine gesamte Länge eine konstante Breite auf, was zu einem kontinuierlichen Gasstrom im Heizkanal 5 führt. Der Heizkanal 5 ist ebenfalls rotationssymmetrisch und insbesondere ringförmig ausgebildet. Auch das Heizvolumen 6 ist rotationssymmetrisch ausgebildet und weist einen rechteckigen Querschnitt auf.
Des Weiteren ist in der 4 eine schematische Verteilung des Heißgases und des Kaltgases links bei einem aus dem Stand der Technik bekannten Leistungsschalter 1 und rechts bei einem erfindungsgemäßen Leistungsschalter 1 dargestellt. Der gepunktete Bereich stellt dabei das erwärmte Gas und der schraffierte Bereich das kältere Gas dar. Wie dies zu erkennen ist, wird bei dem erfindungsgemäßen Leistungsschalter 1 im Gegensatz zu dem aus dem Stand der Technik bekannten Leistungsschalter 1 das erwärmte Gas bis zur Rückseite des Heizvolumens 6 geführt, wodurch sich mehr kälteres Gas am heizkanalseitigen Ende des Heizvolumens 6 befindet, welches dann zurück in den Heizkanal 5 gesogen werden kann.
Wie vorstehend beschrieben wurde, wird durch das Strömungselement 7 das sich im Heizvolumen 6 befindliche kältere Gas besser mit dem in das Heizvolumen 6 einströmenden, erwärmten Gasstrom vermischt, wodurch ein höherer kälterer Gasanteil am heizkanalseitigen Ende des Heizvolumens 6 zur Verfügung steht, welcher dann in den Heizkanal 5 zurückgesogen werden kann. Durch die gezielte Durchmischung der Gase kann die Beblasungstemperatur zum Zeitpunkt des Stromnulldurchgangs unter die Dissoziationsschwelle des beispielhaft bevorzugten Löschgases Kohlenstoffdioxid (CO₂), d. h. unter 2.000 K reduziert werden, wodurch sich eine sichere Löschung des Lichtbogens 9 auch beim ersten Stromnulldurchgang erreichen lässt. Es ist somit möglich, auf einfache Art und Weise einen verbesserten Leistungsschalter 1 zur Verfügung zu stellen, bei welchem die Ausschaltleistung verbessert werden kann.
Bezugszeichenliste

1: Leistungsschalter
2: Abbrandkontaktsystem
2.1, 2.2: Abbrandkontakte
3: Nennkontaktsystem
3.1, 3.2: Nennkontakte
4: Lichtbogenraum
5: Heizkanal
6: Heizvolumen
7: Strömungselement
8: Düsensystem
8.1, 8.2: Düsen
9: Lichtbogen
10: Kompressionsvolumen
11: Ventil
12: Kompressionskolben
13: Stützelement
14: Ausblasöffnung
15: Ansaugöffnung
16.1: Leitfläche
16.2: Leitfläche
A: Achse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19850395 A1 [0005]

Claims

Leistungsschalter zum Schalten elektrischer Ströme mit einem zwischen Kontakten (2.1, 2.2) angeordneten Lichtbogenraum (4) und mit einem, mit dem Lichtbogenraum (4) über einen Heizkanal (5) verbundenen Heizvolumen (6), dadurch gekennzeichnet, dass im Heizkanal (5) ein Strömungselement (7) zum Lenken eines den Heizkanal (5) durchströmenden Gasstroms angeordnet ist.
Leistungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungselement (7) am heizvolumenseitigen Ende, insbesondere im Übergangsbereich des Heizkanals (5) und des Heizvolumens (6), angeordnet ist.
Leistungsschalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungselement (7) zumindest teilweise in das Heizvolumen (6) hineinreicht.
Leistungsschalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungselement (7) beabstandet zu den Wänden des Heizkanals (5) angeordnet ist.
Leistungsschalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungselement (7) zwei sich gegenüberliegende Leitflächen (16.1, 16.2) aufweist.
Leistungsschalter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Leitflächen (16.1, 16.2) schräg im Heizkanal (5) angeordnet ist.
Leistungsschalter nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitflächen (16.1, 16.2) schräg zueinander angeordnet sind.
Leistungsschalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasstrom derart lenkbar ist, dass eine gezielte Durchmischung des erwärmten Gases mit einem sich im Heizvolumen (6) befindlichen kühleren Gas erfolgt.
Leistungsschalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungselement (7) rotationssymmetrisch ausgebildet ist.
Leistungsschalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Strömungselement (7) in Richtung des Heizvolumens (6) verjüngt.
Leistungsschalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt des Strömungselements (7) tragflächenförmig, keilförmig, stabförmig oder tropfenförmig ausgebildet ist.
Leistungsschalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtbogenraum (4) und das Heizvolumen (6) mit Kohlenstoffdioxid gefüllt sind.
Leistungsschalter nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtbogenraum (4) über einen oder mehrere Heizkanäle (5) mit einem oder mehreren Heizvolumen (6) verbunden ist.
Verfahren zum Löschen eines Lichtbogens (9) bei einem Leistungshalter (1) mit einem zwischen Kontakten (2.1, 2.2) angeordneten Lichtbogenraum (4) und mit einem, mit dem Lichtbogenraum (4) über einen Heizkanal (5) verbundenen Heizvolumen (6), dadurch gekennzeichnet, dass ein den Heizkanal (5) durchströmender Gasstrom über ein Strömungselement (7) im Heizkanal (5) geführt wird.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Gasstroms zum Zeitpunkt des Nulldurchgangs im Lichtbogenraum (4) kleiner als 2.000 K ist.