DE102015218003A1

DE102015218003A1 - Mittel- oder Hochspannungsschaltanlage mit einem gasdichten Isolierraum

Info

Publication number: DE102015218003A1
Application number: DE102015218003.4A
Authority: DE
Inventors: Sylvio Kosse
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Priority date: 2015-09-18
Filing date: 2015-09-18
Publication date: 2017-03-23
Also published as: EP3338293B1; CA2998974C; HRP20191975T1; WO2017045811A1; CA2998974A1; KR102055694B1; CN108028147A; KR20180051629A; EP3338293A1; US10373785B2; US20180240626A1; CN108028147B

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Mittel oder Hochspannungsschaltanlage mit einem gasdichten Isolierraum (4), in dem ein Isoliergas (6) im Überdruck vorliegt und mindestens zwei Schaltkontakte (8, 10) angeordnet sind, wobei mindestens ein Schaltkontakt (8, 10) bezüglich einer Düse (12) beweglich gelagert ist Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass das Isoliergas (6) eine Mischung ist, die jeweils zu mindestens 90 Massen% Stickstoff und Sauerstoff oder Stickstoff und Kohlendioxid enthält und dass die Düse (12) zumindest teilweise aus einem Kunststoff besteht, der zu mindestens 65 Massen% in Summe die Elemente Kohlenstoff, Stickstoff und Sauerstoff enthält.

Description

Die Erfindung betrifft eine Mittel- oder Hochspannungsschaltanlage mit einem gasdichten Isolierraum nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Gasisolierte Mittel- oder Hochspannungsanlagen, insbesondere nach dem Prinzip des sogenannten Blaskolbenschalters oder Selbstblasschalter, weisen ein inertes und insbesondere elektrisch isolierendes Gas auf. Dieses Isoliergas dient einerseits dazu, die im Inneren des Schalters fließenden elektrischen Ströme vom Gehäuse zu isolieren und andererseits dazu, insbesondere im Inneren der Schaltanlage einen Lichtbogen auszulöschen. Üblicherweise wird hierfür das Schwefelhexalfluorid SF₆ verwendet. SF₆ hat sehr gute Isoliereigenschaften und sehr gute Bogenlöscheigenschaften, weist jedoch ein sehr hohes Treibhauspotenzial auf, weshalb über einen Ersatz dieses Isoliergases nachgedacht wird.
Beim Löschen eines Lichtbogens, der beim Öffnen des Schaltkontaktes auftritt, zersetzen sich Teile des SF₆ und des Düsenmaterials, wobei die Düse in der Regel aus Polytetrafluoräthylen besteht. Diese Zersetzungsprodukte rekombinieren im Allgemeinen nach dem Löschen des Lichtbogens und nach dem Abkühlen wieder insbesondere an der Düsenoberfläche. Bei bestehenden Schaltanlagen hat sich die Kombination von SF6 als Isolier- und Löschgas einerseits und PTFE als Düsenwerkstoff andereseits als praktikabel herausgestellt. Bei Verwendung eines Alternativgases hat sich die Kombination mit dem bestehenden Düsenwerkstoff jedoch als ungünstig dargestellt. Es entstehen Rekombinationsprodukte, die sich negativ auf die Düsenoberfläche und auf die Funktionalität der Schaltanlage auswirken. Insbesondere sind diese durch das im PTFE gebundene Fluor nicht umweltfreundlich.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einer Mittel- oder Hochspannungsschaltanlage bereitzustellen, die gegenüber dem etablierten SF₆ ein alternatives Isoliergas aufweist und dabei weniger Rekombinationsprodukte nach dem Löschen eines Lichtbogens entstehen, die dem Betrieb der Anlage schaden.
Die Lösung der Aufgabe besteht in einer Mittel- oder Hochspannungsschaltanlage mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Eine derartige Anlage weist einen gasdichten Isolierraum auf, in dem ein Isoliergas mit Überdruck vorliegt. Ferner sieht die Anlage mindestens zwei Schaltkontakte vor, die in dem Isolierraum angeordnet sind, wobei mindestens ein Schaltkontakt bezüglich einer Düse beweglich gelagert ist. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass das Isoliergas eine Mischung ist, die jeweils in Summe zumindest 90 Massen% aus Stickstoff und Sauerstoff besteht oder zumindest 90 Massen% aus einer Mischung von Stickstoff und Kohlendioxid besteht. Bei den beiden genannten alternativen Isoliergasen handelt es sich entweder um Luft, insbesondere gereinigter Luft, die ggf. auch synthetisch dargestellt wird und einem sogenannten Biogen also einer Mischung aus Stickstoff und Kohlendioxid, wobei dieses bis zu 40% Kohlendioxid enthält. Zudem besteht die Düse zumindest teilweise aus einem Kunststoff, der zumindest zu 65% in Summe die Elemente Kohlenstoff, Stickstoff und Sauerstoff enthält. Dies soll heißen, dass der Kunststoff alle diese drei Elemente enthält, und dass die Summe der Massen dieser Elemente mindestens 65% der Gesamtmasse des Kunststoffes betragen. Besonders bevorzugt beträgt die Masse dieser Elemente 70%, ganz besonders bevorzugt 75% der Masse des Kunststoffes.
Die Kombination einer Mischung aus Stickstoff und Kohlenstoff bzw. Stickstoff und Sauerstoff und der Verwendung eines Kunststoffes der eben aus Kohlenstoff, Stickstoff und Sauerstoff besteht, bzw. diese im wesentlichen Umfang enthält, führt dazu, dass bei der Zersetzung des Isoliergases und bei der Zersetzung des Kunststoffes bei Löschung des Lichtbogens Substanzen entstehen, die von ihrer chemischen Zusammensetzung verwandt sind. Bei der Rekombination dieser Substanzen entstehen somit keine schädlichen Stoffe, die sich negativ auf die Wirkungsweise der Düse einerseits und auf die Wirkung des Isoliergases andererseits auswirken. Bevorzugt kommt es sogar zur Rekombination der Ursprungsstoff.
Dabei ist es besonders zweckmäßig, dass der Kunststoff der Düse möglichst wenig Fluor enthält, insbesondere weniger als ein Massen% ganz besonders bevorzugt weniger als 0,1 Massen% Fluor. Dies ist deshalb zweckmäßig, da insbesondere Fluor-Verbindungen im Allgemeinen nicht umweltfreundlich sind, und ebenfalls negative Eigenschaften haben, wenn sich diese Fluorverbindung auf Oberflächen ablagern.
Es hat sich als besonders zweckmäßig herausgestellt, für den Kunststoff der Düse Polyamid oder Polyimid zu verwenden. Beispielsweise weist ein typisches Polyamid, das als Konstruktionswerkstoff Verwendung findet 39,6 Massen% Kohlenstoff, 5,9% Wasserstoff, 30,6% Sauerstoff und 6,5% Stickstoff auf. Die restlichen Anteile beziehen sich auf Füllstoffe wie Phosphor, Silizium, Aluminium, Kalzium und Zink, die insbesondere als brandhemmende Mittel in den Kunststoff eingebracht werden.
In einer weiteren Ausgestaltungsform der Erfindung ist die Düse und zumindest ein Schaltkontakt bzgl. einer Rotationsachse symmetrisch zueinander angeordnet. Es bewirkt, dass der Schaltkontakt aus der ihn umgebenden Düse gezogen werden kann, und dabei ein zylinderförmiger Raum entsteht, in dem sich der Lichtbogen ausbreiten kann und in dem dieser, da es sich um einen symmetrischen Raum handelt, am besten gelöscht werden kann.
Weitere Ausgestaltungsformen und weitere Merkmale der Erfindung werden anhand der folgenden Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:
1 bis 5 eine Schaltanlage, insbesondere die Schaltkontakte in verschiedenen Phasen des Öffnens und des Schließens des Schalters.
Im Folgenden soll zunächst ein schematischer und an sich bekannter Ablauf eines Blaskolbenschalters beschrieben werden, wobei sich die Erfindung nicht ausschließlich von dem Blaskolbenschalter beschränkt. In 1 ist eine Schaltanlage, sei es eine Mittel- oder Hochschaltspannungsschaltanlage dargestellt, die einen Isolierraum 4 aufweist. Der Isolierraum 4 ist schematisch gestrichelt um die Schaltkontakte 8 und 10 herum dargestellt. Dies bedeutet, dass die Anordnung außerhalb der Schaltkontakte 8 und 10 nicht näher betrachtet wird. Bei den Schaltkontakten 8 und 10 handelt es sich um rotationssymmetrische Bauteile, die um die Rotationsachse 13 herum rotationssymmetrisch angeordnet sind. Der Schaltkontakt 8 weist einen zentralen Dorn 7 auf, der ringförmig von einem äußeren Schaltkontakt 14 umgeben wird. Diese beiden Teile 7 und 14 des Schaltkontaktes 8 sind hier zu einem integrierten Bauteil, den Schaltkontakt 8 vereint. Ebenso weist ein zweiter Schaltkontakt 10 ebenfalls einen zentralen Dorn 9 auf, der wiederum von einem äußeren Schaltkontakt 16 rotationssymmetrisch umgeben ist, auch diese Bauteile stellen ein integriertes Bauteil dar, das hierbei als Schaltkontakt 10 bezeichnet wird. Der zentrale Dorn 7 fügt sich dabei, wie in 2 dargestellt, im geschlossenen Zustand in eine Bohrung 11 ein, die entlang der Rotationsachse 13 in den zentralen Dorn 9 des Schaltkontaktes 10 eingebracht ist. Ferner berühren sich die äußeren Schaltkontakte 14 und 16, wobei diese den Hauptstrompfad darstellen. Ferner ist eine Düse 12 vorgesehen, die aus einem Kunststoff besteht, und die ebenfalls rotationssymmetrisch bzgl. der Rotationsachse 13 um den zentralen Dorn 7 des Schaltkontaktes 8 angeordnet ist.
Beim Öffnen der Schaltanlage 2 werden zunächst die äußeren Kontakte 14 und 16 voneinander getrennt, wozu mindestens ein Schaltkontakt durch einen Antrieb, veranschaulicht durch den Pfeil 22 entlang der Rotationsachse 13 abgezogen wird. Der Trennvorgang erfolgt dabei insgesamt in wenigen Millisekunden, wobei aber nach dem Trennen der äußeren Kontakte 14 und 16 der Kontakt zwischen den zentralen Dornen 7 und 9 zunächst bestehen bleibt. Hierbei wird, wie in 2 dargestellt, der Dorn 7 aus der Bohrung 11 des Dorns 9 gezogen. Gleichzeitig wird Isoliergas 6, das sich in einer Kompressionskammer 18 befindet, komprimiert. Ferner ist an dem Schaltkontakt 10 die Düse 12 in der Art angebracht, dass sie sich bezüglich des Dornes 7 entlang der Achse 13 bewegt.
Nachdem die Trennung der beiden Kontakte 8 und 10 so weit vorangeschritten ist, dass es sich auch die inneren Dornen 7 und 9 nicht mehr berühren, bildet sich im Bereich der Düse 12 grob entlang der Rotationsachse 13 ein Lichtbogen 20 aus. Dieser wird durch das Isoliergas 6, das aus der Kompressionskammer 18, die Bestandteil des Kontaktes 10 ist, herausströmt. Dieses Isoliergas, das in diesem Beispiel gereinigte Luft mit einer Zusammensetzung von 80% Stickstoff und 20% Sauerstoff ist, strömt entlang der Pfeile 6 in 3 um den Lichtbogen 20 und löscht diesen aus. Dabei entstehen in Kombination mit dem Düsenwerkstoff, der ein Polyamid ist, gasförmige Zersetzungsprodukte auf der Basis von Kohlenstoff, Stickstoff und Sauerstoff bestehen. Dies liegt daran, da das Polyamid als Düsenwerkstoff im Wesentlichen dieselben Elemente umfasst, wie dies in der Luft der Fall ist. Besonderer Stickstoff und Sauerstoff sind wesentliche Bestandteile des Polyamids. Ein alternativer, ebenfalls besonders zweckmäßiger Düsenwerkstoff ist ein Polyimid. Alternativ zur Luft kann ebenfalls so genanntes Biogen, also eine Mischung aus Stickstoff und Sauerstoff als Isoliergas 6 eingesetzt werden.
Nach dem Löschen des Lichtbogens 20 setzen sich die gasförmigen Zersetzungsprodukte, die bei den hohen Temperaturen bei Auftreten des Lichtbogens 20 zwischen Isoliergas und Düsenmaterialien entstehen, auf der Düse 13 ab. Diese Rekombination findet im geöffneten Zustand, wie dieser beispielsweise in 4 dargestellt ist, statt. 5 zeigt nun wiederum einen gegengesetzten Prozess, nämlich den Schließvorgang der Schaltanlage 2. Dabei wird der Antrieb 22, veranschaulicht durch den Pfeil 22, der in der Regel durch Druckluft oder Federkraft erfolgt, entlang der Rotationsachse 13 in die entgegengesetzte Richtung bewegt und der Schalter wird entsprechend geschlossen.
Als Materialien für die Düsen kommen wie bereits erwähnt, insbesondere Polyamide oder Polyimide in Frage. Ein typisches Polyamid weist dabei 39,6% Kohlenstoff, 5,9% Wasserstoff, 30,6% Sauerstoff und 6,5% Stickstoff auf. Bei allen Prozentangaben handelt es sich hierbei um Masse%. Ferner sind als Füllstoffe und Brandschutzstoffe Phosphor mit 3,6%, Silizium und 8,8%, Aluminium mit 2,7%, Kalzium mit 1,7% und Zink mit 0,6% eingebracht. Hiermit weisen die 3 Elemente Kohlenstoff, Sauerstoff und Stickstoff zusammen eine Masse von 76,7% auf. Alternativ dazu ist ein weiteres Polyamid beschrieben, dass 49% Kohlenstoff, 8% Wasserstoff, 20,1% Sauerstoff und 9,5% Stickstoff aufweist. Auch hier sind noch Füllstoffe zugegeben wie Phosphor mit 2,6%, Silizium mit 5,4%, Aluminium mit 2,1%, Kalzium mit 3,3%. Die Summe der Elemente Kohlenstoff, Sauerstoff und Stickstoff beträgt hierbei 78,6%. In einer dritten Variante wird ein Co-Polyamid verwendet, das 40% Kohlenstoff, 4,4% Wasserstoff, 29,3% Sauerstoff und 6,5% Stickstoff enthält. Hierbei beträgt die Summe der Elemente Kohlenstoff, Sauerstoff und Stickstoff 75,8%.
Es hat sich grundsätzlich herausgestellt, dass es vorteilhaft ist, wenn der Kunststoff, der für die Düse zum Einsatz kommt, mindestens 65% Masse% dieser drei genannten Elemente Kohlenstoff, Sauerstoff und Stickstoff enthält. Diese Menge an den genannten Materialien gewährleistet es, dass als Zersetzungsprodukte keine Produkte entstehen, die einerseits das Isoliergas, und andererseits die Düsenoberfläche kontaminieren.
Als Isoliergas hat sich wiederum gereinigte Luft, die ggf. synthetisch aus den Grundkomponenten Stickstoff und Sauerstoff hergestellt wird, als zweckmäßig ergeben. Hierbei enthält die Mischung in der Regel 80% Stickstoff und 20% Sauerstoff. Bei natürlicher Luft kann auch noch ein geringer Anteil an Kohlendioxid sowie weiteren Gasen insbesondere Edelgasen in sehr geringen Mengen vorhanden sein. Ferner ist es auch zweckmäßig als Isoliergas 4, das sogenannte Biogen zu verwenden, das ebenfalls auf Stickstoff basiert und bis zu 40% Kohlendioxid enthält.
Ferner ist es zweckmäßig, wenn der Kunststoff der für die Düse 12 eingesetzt wird, kein oder nur sehr wenig Fluor enthält. Fluorverbindungen bilden insbesondere mit Kohlenstoff, der in nahezu allen Kunststoffen enthalten ist, Fluorkohlenstoff-Verbindungen, die den Isolierraum 4 sowie die Schaltkontakte 8 und 10 und die Düse 13 kontaminieren. Es hat sich herausgestellt, dass der Anteil des Fluors im Kunststoff weniger als 1% ist, insbesondere weniger als 0,1% betragen soll.

Claims

Mittel oder Hochspannungsschaltanlage mit einem gasdichten Isolierraum (4), in dem ein Isoliergas (6) im Überdruck vorliegt und mindestens zwei Schaltkontakte (8, 10) angeordnet sind, wobei mindestens ein Schaltkontakt (8, 10) bezüglich einer Düse (12) beweglich gelagert ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Isoliergas (6) eine Mischung ist, die jeweils in Summe zu mindestens 90 Massen% Stickstoff und Sauerstoff oder Stickstoff und Kohlendioxid enthält und dass die Düse (12) zumindest teilweise aus einem Kunststoff besteht, der zu mindestens 65 Massen% in Summe die Elemente Kohlenstoff, Stickstoff und Sauerstoff enthält.
Schaltanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoff weniger als 1 Massen%, bevorzugt weniger als 0,1 Massen% Fluor enthält.
Schaltanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoff Polyamid oder Polyimid umfasst.
Schaltanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Düse (12) und mindestens ein Schaltkontakt (8, 10) bezüglich einer Rotationsachse (13) symmetrisch zueinander angeordnet sind.