DE102016105539A1

DE102016105539A1 - Elektrische Leistungsschaltvorrichtung

Info

Publication number: DE102016105539A1
Application number: DE102016105539.5A
Authority: DE
Inventors: Ye Xiangyang; Daniel Ohlsson; Jakub Korbel; Javier Mantilla Florez; Mahesh Dhotre; Manuel Gotti; Nicola Gariboldi
Original assignee: ABB Schweiz AG
Current assignee: Hitachi Energy Ltd
Priority date: 2016-03-24
Filing date: 2016-03-24
Publication date: 2017-09-28
Also published as: CN107230578B; FR3049387B1; CN107230578A; FR3049387A1

Abstract

Eine elektrische Schaltvorrichtung (1) ist mit einem dielektrischen Isoliermedium gefüllt und umfasst einen ersten Abrandkontakt (3) und einen zugeordneten zweiten Abrandkontakt (4), eine Isolierdüse (2), eine Hilfsdüse (8), die konzentrisch im Inneren der Isolierdüse (2) angeordnet ist, ein Lichtbogenvolumen (5), ein Heizvolumen (6) und einen Heizkanal (7), der das Lichtbogenvolumen (5) mit dem Heizvolumen (6) verbindet. Eine Stabilisierungsanordnung (9a–9g) zur Stabilisierung der Hilfsdüse (8) ist im Heizkanal (7) vorgesehen. Die Stabilisierungsanordnung (9a–9g) ist derart im Heizkanal (7) angeordnet, dass sie die Isolierdüse (2) mechanisch mit der Hilfsdüse (8) verbindet und damit eine radiale Verschiebung der Hilfsdüse (8) gegenüber der Isolierdüse (2) verhindert und/oder eine axiale Verschiebung der Hilfsdüse (8) in Richtung der Längsachse (z) über einen vordefinierten Punkt (z1) hinaus unterbindet.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung ist auf dem Gebiet der Hoch- und Mittelspannungsschaltvorrichtungen, insbesondere der Leistungsschalter, angesiedelt und betrifft eine elektrische Schaltvorrichtung nach Anspruch 1.
Hintergrund
Leistungsschaltvorrichtungen sind auf dem Gebiet der Mittel- und Hochspannungsschaltapplikationen bekannt. Sie werden z.B. für die Unterbrechung eines Stroms im Fehlerfall verwendet. Als Beispiel für solche Vorrichtungen haben Leistungsschalter die Aufgabe, Kontakte zu öffnen und sie im Fehlerfall auch bei hohem elektrischem Potential von der Fehlerquelle selbst in sicherem Abstand voneinander zu halten, um einen Stromfluss oder Stromüberschlag zu unterbinden. Ein Schnellerdungsschalter oder ein Lasttrennschalter sind weitere dem Fachmann bekannte Vorrichtungen dieser Art. Für die Zwecke dieses Dokuments bezieht sich der Begriff Mittelspannung auf Spannungen zwischen 1 kV bis 72.5 kV und der Begriff Hochspannung auf Spannungen die höher als 72.5 kV sind. Typischerweise haben solche Erdungsvorrichtungen zwei oder vier Kontakte die in einer Atmosphäre aus Isoliergas eingeschlossen sind, z.B. SF₆ oder Luft oder andere dielektrische Isoliermedien oder Gasmischungen, wie z.B. Gasmischungen die Fluorketone oder Fluoronitrile enthalten. Die Kontakte sind typischerweise stabförmig und/oder tulpenförmig. Sie werden entlang einer Längsachse der elektrischen Schaltvorrichtung zum Schliessen eines Kontakts aufeinander zubewegt oder zum Trennen eines Kontakts voneinander wegbewegt.
Während der Ein- bzw. Ausschaltvorgänge der Schaltvorrichtung bildet sich ein unerwünschter elektrischer Lichtbogen zwischen den Kontakten. Aufgrund thermischer oder magnetischer Effekte (abhängig vom Strompfad und von der Konstruktion der Schaltvorrichtung) tendiert der Lichtbogen dazu, in unerwünschten Bereichen zu entstehen, z.B. im Bereich von Abschirmungen. Da solche Vorrichtungen oft in Fehlerfällen (z.B. im Falle einer Überlastung aufgrund eines elektrischen Kurzschlusses) umgesetzt werden, muss die Schliessgeschwindigkeit der Kontakte relativ hoch sein, damit diese Vorrichtungen eine kurze Antwortzeit haben. Ferner kann damit die Zeit verkürzt werden, in der ein Lichtbogen zwischen den Kontakten brennt. Hauptsächlich wird aber der Lichtbogen mittels des Isoliergases „ausgeblasen“. Dabei wird in manchen Ausführungsformen ein Düsensystem bestehend aus einer Isolierdüse und einer Hilfsdüse verwendet. Das Isoliergas wird im Düsensystem beschleunigt. Idealerweise soll die Gasgeschwindigkeit Ma = 1 (Mach 1) im Düsensystem erreichen, wobei eine weitere Beschleunigung erfolgt und das Isoliergas den Lichtbogen kühlt. Ausser dem Blasdruck spielt die axiale Gasflussbeschleunigung weg vom Staupunkt eine wichtige Rolle für die Bestimmung der thermischen Unterbrechungsfähigkeit eines gasbetriebenen Leistungsschalters. Die Gasflussbeschleunigung erhöht die Grenze der Stromabnahme pro Zeit des Leistungsschalters, ohne den Druck im sogenannten Heizvolumen erhöhen zu müssen, was für bestimmte Tests erwünscht ist. Die effiziente Gasflussbeschleunigung hilft auch dabei, das Gas schnellstmöglich aus dem Lichtbogenvolumen entweichen zu lassen und damit die Durchschlagsfestigkeit zwischen den Kontakten zu erhöhen.
Ein Weg zur Beeinflussung der Gasflussbeschleunigung ist durch ein optimiertes Design des Düsensystems gegeben, der möglichst genau definierte Volumenverhältnisse im Düsensystem voraussetzt. Bei der praktischen Umsetzung können jedoch solche Volumenverhältnisse aufgrund der nachfolgend aufgeführten Gründe nicht genau eingehalten werden, nämlich aufgrund von:

– Fertigungstoleranzen und Fehlausrichtung,
– Radialen Oszillationen der Hilfsdüse,
– Axialen Oszillationen der Hilfsdüse.

Die letzten zwei Aspekte sind die Folge der hohen Kräfte, die bei der Beschleunigung der hohen Massen auf hoher Geschwindigkeit entstehen, wobei sich radiale bzw. axiale Druckkräfte aufgrund der auftretenden Asymmetrien ergeben, die folglich die Funktionalität des Leistungsschalters verschlechtern können.
Beschreibung der Erfindung
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine elektrische Schaltvorrichtung bereitzustellen, die die oben genannten Nachteile zumindest reduziert. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Diese Aufgabe wird von einer elektrischen Schaltvorrichtung, insbesondere von einem gasisolierten Leistungsschalter (circuit breaker), umgesetzt. Demgemäss umfasst die elektrische Schaltvorrichtung, die mit einem dielektrischen Isoliermedium gefüllt ist, mindestens eine Anordnung von Abrandkontakten mit einem ersten Abrandkontakt und einem zugeordneten zweiten Abrandkontakt. Zum Öffnen und Schliessen der elektrischen Schaltvorrichtung ist mindestens einer der Abrandkontakte parallel zu einer Längsachse bewegbar und kooperiert mit dem anderen Abrandkontakt. Die elektrische Schaltvorrichtung umfasst weiter eine Isolierdüse, eine Hilfsdüse die konzentrisch im Inneren der Isolierdüse angeordnet ist, ein Lichtbogenvolumen zwischen dem ersten Abrandkontakt und dem zweiten Abrandkontakt, ein Heizvolumen und einen Heizkanal, der zwischen der Isolierdüse und der Hilfsdüse angeordnet ist und das Lichtbogenvolumen mit dem Heizvolumen verbindet. Eine Stabilisierungsanordnung zur Stabilisierung der Hilfsdüse ist im Heizkanal vorgesehen, wobei die Stabilisierungsanordnung derart im Heizkanal angeordnet ist, dass sie die Isolierdüse mechanisch mit der Hilfsdüse verbindet und damit eine radiale Verschiebung der Hilfsdüse gegenüber der Isolierdüse verhindert, und/oder eine axiale Verschiebung der Hilfsdüse in Richtung der Längsachse über einen vordefinierten Punkt hinaus unterbindet.
Vorzugsweise wird die elektrische Schaltvorrichtung als Erdungsschalter, als Schnellerdungsschalter, als Leistungsschalter, als Generatorleistungsschalter, als Trennschalter, als kombinierter Trennschalter und Erdungsschalter, oder als Lasttrennschalter verwendet.
In Ausführungsformen ist das dielektrische Isoliermedium SF₆ oder es umfasst eine Organofluorverbindung, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: einem Fluorether, insbesondere Hydrofluormonoether, einem Fluoramin, einem Fluorketon, insbesondere Perfluorketone, einem Fluorolefin, insbesondere Hydrofluorolefin, einem Fluoronitril, insbesondere Perfluoronitril, und ihren Mischungen, insbesondere in einer Mischung mit einem Hintergrundgas.
In Ausführungsformen ist die Stabilisierungsanordnung aus einem elektrisch nichtleitenden Material, insbesondere aus einem Polymer, bevorzugt aus PTFE, hergestellt. Es hat sich gezeigt, dass das elektrisch nichtleitende PTFE die Vorgaben an Temperaturbeständigkeit erfüllt und insbesondere bei den im Inneren der Schaltvorrichtung herrschenden Temperaturen sublimiert.
In Ausführungsformen ist die Stabilisierungsanordnung durch eine Anzahl von Seitenflügeln und/oder Vorderflügeln und/oder kombinierten Flügeln gegeben. Wenn vorhanden, sind die Seitenflügel auf einer Mantelfläche der Hilfsdüse angeordnet. Wenn vorhanden, sind die Vorderflügel auf einer Vorderfläche der Hilfsdüse angeordnet. Wenn vorhanden, sind die kombinierten Flügel jeweils aus einem Seitenflügel, einem Vorderflügel und einem gebogenen Flügel, welcher den zugehörigen Seitenflügel mit dem zugehörigen Vorderflügel verbindet, gebildet. Für den kombinierten Flügel ist es bevorzugt, dass der Seitenflügel, der Vorderflügel und der gebogenen Flügel in einem Stück sind.
In Ausführungsformen sind die Flügel unabhängig von ihrem Typ gleichmässig entlang dem Umfang der Hilfsdüse verteilt. Die Flügel kann bevorzugt plattenförmig sein.
In verschiedenen Ausführungsformen kann eine Gesamtanzahl der Seitenflügel und/oder der Vorderflügel und/oder der kombinierten Flügel zwischen 3 und 20 betragen, wobei bevorzugt eine Anzahl von 6 Flügeln vorgesehen ist.
Dadurch, dass eine Stabilisierungsanordnung, insbesondere in Form von Flügeln, vorgesehen ist, welche die Isolierdüse mit der Hilfsdüse mechanisch verbindet, bietet sie eine Stabilisierung der Hilfsdüse, welche sonst radiale und/oder axiale ungewünschte Verschiebungen bei der Bewegung erfahren würde. Dadurch kann die Symmetrie des Leistungsschalters eingehalten werden und es entstehen keine Druckunterschiede zwischen Teilvolumina des gasgefüllten Gesamtraums zwischen der Isolierdüse und der Hilfsdüse.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele und weitere Vorteile der Erfindung an Hand der Figuren näher erläutert. Dabei zeigen
1 eine seitliche Querschnittsansicht einer bekannten elektrischen Schaltvorrichtung;
2 eine seitliche Querschnittsansicht einer elektrischen Schaltvorrichtung mit einer ersten Ausführungsform einer Stabilisierungsanordnung;
3 eine seitliche Querschnittsansicht einer elektrischen Schaltvorrichtung mit einer zweiten Ausführungsform einer Stabilisierungsanordnung;
4 eine seitliche Querschnittsansicht einer elektrischen Schaltvorrichtung mit einer dritten Ausführungsform einer Stabilisierungsanordnung;
5 eine seitliche Querschnittsansicht einer elektrischen Schaltvorrichtung mit einer vierten Ausführungsform einer Stabilisierungsanordnung;
6 eine seitliche Querschnittsansicht einer elektrischen Schaltvorrichtung mit einer fünften Ausführungsform einer Stabilisierungsanordnung;
7 eine seitliche Querschnittsansicht einer elektrischen Schaltvorrichtung mit einer sechsten Ausführungsform einer Stabilisierungsanordnung;
8 eine perspektivische Ansicht einer siebten Ausführungsform einer Stabilisierungsanordnung;
9 eine perspektivische Ansicht einer achten Ausführungsform einer Stabilisierungsanordnung; und
10 eine perspektivische Ansicht einer neunten Ausführungsform einer Stabilisierungsanordnung. In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder gleich wirkende Komponenten.
Wege zur Ausführung der Erfindung
Im vorliegenden Kontext ist der Begriff „mechanisch verbunden“, also formschlüssig, so zu verstehen, dass die verbundenen Elemente in einer ersten Richtung nicht zueinander hin verschiebbar sind, während sie in einer zweiten Richtung gegeneinander verschiebbar sind.
Der Begriff „Seiten-“ oder „seitlich“ bezieht sich auf eine Erstreckung parallel zur Längsachse z. Hingegen betrifft der Begriff „Vorder-“ eine Erstreckung senkrecht zur Längsachse.
1 zeigt eine seitliche Querschnittsansicht einer bekannten elektrischen Schaltvorrichtung 1a. Die gezeigten Teile sind rotationssymmetrisch zu einer Längsachse z, was auch für die anderen Ausführungsformen gilt. Die Darstellungen in allen Figuren sind stark vereinfacht und berücksichtigen nur die Elemente der Schaltvorrichtung, die für die Beschreibung der Erfindung notwendig sind. Der Fachmann auf dem Gebiet der elektrischen Schaltvorrichtungen für Mittel- und Hochspannungsapplikationen kennt den detaillierten prinzipiellen Aufbau dieser elektrischen Schaltvorrichtungen, die im Folgenden beispielhaft anhand eines sogenannten Leistungsschalters beschrieben werden. Aus diesem Grund wird auch auf die Beschreibung der prinzipiellen Funktionsweise eines solchen Leistungsschalters verzichtet. Im Inneren des Leistungsschalters 1a wird als Beispiel SF₆ Gas angenommen, welches die im Folgenden beschriebenen Volumina und Kanäle füllt.
Der Leistungsschalter 1a umfasst einen ersten Abrandkontakt 3 in der sogenannten Tulpenform und einen zugeordneten zweiten stabförmigen Abrandkontakt 4. Zum Öffnen und Schliessen des Leistungsschalters 1a ist mindestens einer der Abrandkontakte 3, 4 parallel zur Längsachse z bewegbar und kooperiert mit dem anderen Abrandkontakt 4, 3, indem der Stab 4 in die Tulpe 3 ein- bzw. ausgefahren wird. In der vorliegenden Darstellung sind die Abrandkontakte 3, 4 in geschlossenem Zustand. Der Leistungsschalter 1a umfasst weiter ein Düsensystem bestehend aus einer Isolierdüse 2 und einer Hilfsdüse 8, die konzentrisch im Inneren der Isolierdüse 2 angeordnet ist. Ein Lichtbogenvolumen 5 zwischen dem ersten Abrandkontakt 3 und dem zweiten Abrandkontakt 4 ist in offenem Zustand der Abrandkontakte 3, 4 vorhanden, wobei seine Anordnung hier mit dem gestrichelten Quadrat angedeutet ist. Weiter ist ein Heizvolumen 6 vorgesehen. Das Heizvolumen 6 und das Lichtbogenvolumen 5 sind im offenen Zustand der Abrandkontakte 3, 4 mittels eines Heizkanals 7 verbunden, dessen Querschnitt durch den Abstand zwischen Isolierdüse 2 und Hilfsdüse 8 an der gegebenen Stelle definiert bzw. gegeben ist.
In 1 sind die unerwünschten Verschiebungen der Hilfsdüse 8 gegenüber der Isolierdüse 2 dargestellt. Einerseits kann eine radiale Verschiebung auftreten, die einen nichtkonstanten Querschnitt des Heizkanals 7 zufolge hat, was mit den Querschnitten r1 und r2 verdeutlicht ist. Wie aus der Figur entnehmbar ist, gilt r1 > r2. Eine solche Verschiebung bewirkt Druckunterschiede in verschiedenen Zonen der Hohlräume zwischen der Hilfsdüse 8 und Isolierdüse 2, die von Nachteil für die Funktion des Leistungsschalters 1a sind, was oben beschrieben wurde. Die Lage der Abrandkontakte 3, 4 an der Stelle ihrer Kontaktierung ist zur Verdeutlichung nicht ausgerichtet (d.h. radial leicht relativ zueinander verschoben) dargestellt, wobei in der Praxis der stabförmige zweite Abrandkontakt 4 sich der Lage der Tulpe 3 des ersten Abrandkontakts 3 anpasst.
Andererseits kann beim Schliessen der elektrischen Verbindung zwischen den Abrandkontakten 3, 4 eine axiale Verschiebung der Hilfsdüse 8 vorkommen, die in 1 mit v1 bezeichnet ist. Ein vordefinierter Punkt z1 bezeichnet die bestimmungsgemässe Endlage der Vorderseite der Hilfsdüse 8, wobei die mit gestrichelten Linien dargestellte Vorderseite der Hilfsdüse die Lage nach der Verschiebung z1 + v1 bezeichnet.
Die oben beschriebenen Verschiebungen sind nicht erwünscht und sollen mittels der vorliegenden Erfindung reduziert oder beseitigt werden.
Grundsätzlich ist in der vorliegenden Erfindung eine Stabilisierungsanordnung 9a–9g vorgesehen, um die genannten Verschiebungen zumindest zu minimieren oder aufzuheben. Je nach Ausführungsform ist die Stabilisierungsanordnung durch eine Anzahl von Seitenflügeln 9a und/oder Vorderflügeln 9b und/oder kombinierten Flügeln 9e, insbesondere plattenförmigen Seitenflügeln 9a und/oder plattenförmigen Vorderflügeln 9b und/oder kombinierten plattenförmigen Flügeln 9e, gegeben. Vorzugsweise sind die Flügel gleichmässig entlang dem Umfang der Hilfsdüse verteilt. Verschiedene Ausführungsformen dieser Flügel sind im Zusammenhang mit den nachfolgenden Figuren beschrieben.
2 zeigt eine seitliche Querschnittsansicht eines Leistungsschalters 1 als eine erste Ausführungsform der Erfindung. Im Gegensatz zu 1 stellen 3 bis 7 aus Vereinfachungsgründen nur die obere Hälfte der Querschnittsansicht eines erfindungsgemässen Leistungsschalters 1 dar. Diese Ansicht sowie die Ansichten von 2 bis 7 zeigen den Leistungsschalter 1 in einer offenen Stellung, wobei das bereits erwähnte Lichtbogenvolumen 5 zwischen den Abrandkontakten 3, 4 gebildet wurde. Zur Veranschaulichung wurde ein Lichtbogen A im Lichtbogenvolumen 5 gezeichnet. Dieser Lichtbogen A entsteht beim Trennen der Verbindung zwischen den Abrandkontakten 3, 4. Er erhitzt das Isoliergas im Lichtbogenvolumen 5 sehr stark, woraufhin sich dieses ausdehnt und aus dem Lichtbogenvolumen 5 durch den Heizkanal 7 ins Heizvolumen 6 einströmt. Dies ist mit den Pfeilen a dargestellt. Im Heizvolumen 6 mischt sich das heisse Isoliergas aus dem Lichtbogenvolumen 5 mit dem kalten Isoliergas aus dem Heizvolumen 6, wodurch die Gesamttemperatur des Isoliergases im Heizvolumen 6 sinkt. Dieses nun abgekühlte Isoliergas wird verwendet, um den Lichtbogen A abzukühlen und schliesslich auszublasen.
Um die Symmetrie der Hilfsdüse 8 um die Längsachse z zu bewahren, ist eine Stabilisierungsanordnung vorgesehen.
In der Ausführungsform nach 1 sind äquidistante Seitenflügel 9a als Stabilisierungsanordnung auf der Aussenwand der Hilfsdüse 8, die gleichzeitig die Innenwand des Heizkanals 7 darstellt, angebracht. Mit anderen Worten sind die, vorzugsweise plattenförmigen, Seitenflügel 9a auf einer Mantelfläche der zylindrischen Hilfsdüse 8 angeordnet. In Ausführungsformen erstrecken sich die Seitenflügel 9a parallel zur Längsachse z. Sie könnten aber auch über ihre gesamte Erstreckung schräg zur Längsachse z angeordnet sein, wobei sie in diesem Fall schraubenförmig auf der gekrümmten Oberfläche der Hilfsdüse geformt wären. Ein Spezialfall dieser Form der Seitenflügel wird in Zusammenhang mit 8 beschrieben.
Eine Gesamtanzahl der Seitenflügel 9a kann zwischen 3 und 20 Seitenflügel betragen, je nach Durchmesser der Hilfsdüse 8 und den Betriebsbedingungen. Bevorzugt sind 6 Seitenflügel auf der Mantelfläche der Hilfsdüse 8 verteilt. Selbstverständlich könnten auch 2 Seitenflügel oder mehr als 20 Seitenflügel angeordnet werden, jedoch sind einerseits 2 Seitenflügel für eine gewünschte Wirkung und Stabilität der Anordnung nicht ausreichend und andererseits sind mehr als 20 Seitenflügel teuer in der Herstellung und sie würden zu viel Platz im Heizkanal 7 einnehmen, so dass der gewünschte Massenstrom des Isoliergases nicht erreicht würde. Die oben genannte mechanische Verbindung erlaubt nun die Verschiebung der Hilfsdüse 8 zusammen mit den Seitenflügeln 9a in Längsrichtung z, wobei die Seitenflügel 9a gegen einer Wandung der Isolierdüse 2 anstossen (radial formschlüssig) und sich entlang der Innenwand der Isolierdüse 2 bewegen. Jedoch verhindert die mechanische Verbindung eine Verschiebung der Hilfsdüse 8 in radialer Richtung zur Isolierdüse 2 hin. Dies wird durch die Steifigkeit der Flügel 9a bewirkt. Die Steifigkeit ist neben der bereits erwähnten Temperaturbeständigkeit ein weiteres Kriterium für die Auswahl eines geeigneten Materials für die Seitenflügel 9a.
3 zeigt eine seitliche Querschnittsansicht einer elektrischen Schaltvorrichtung 1 mit einer zweiten Ausführungsform einer Stabilisierungsanordnung. Hier sind Vorderflügel 9b als Stabilisierungsanordnung vorgesehen, die die Verschiebung der Hilfsdüse 8 in z-Richtung beschränken, so dass die Vorderflügel 9b als Anschlag angesehen werden können. Dabei erstrecken sie sich in Längsrichtung z von der entsprechenden Wand der statischen Isolierdüse 2 bis zum vorgegebenen Punkt z1, an dem die Hilfsdüse 8 ihre Bewegung in z-Richtung beenden soll. Die Vorderflügel 9b beschränken also eine axiale Verschiebung der Hilfsdüse 8 über den gewünschten Punkt z1 hinaus.
4 zeigt eine seitliche Querschnittsansicht einer elektrischen Schaltvorrichtung 1 mit einer dritten Ausführungsform einer Stabilisierungsanordnung. Die Seitenflügel 9a aus 2 sind rechteckig. Im Gegensatz dazu haben die Seitenflügel 9c in dieser Ausführungsform eine konische Form wobei sie sich in Längsrichtung z in Richtung des zweiten Abrandkontakts 4 verjüngen. Diese Ausführungsform ist bei entsprechender Kontur der Isolierdüse 2 im relevanten Bereich möglich. Es könnte aber auch vorgesehen werden, dass die Hilfsdüse 8 die entsprechende konische Aussenkontur besitzt, so dass die Schräge in der Figur unten an der Hilfsdüse 8 wäre. Diese Ausführungsform hat den Vorteil gegenüber derjenigen aus 2, dass die Seitenflügel 9c im Endpunkt der Bewegung der Hilfsdüse (Punkt z1) gleichzeitig in radialer wie in axialer Richtung wirken. Einerseits gehen sie in diesem Punkt die mechanische Verbindung mit der Isolierdüse 2 ein und andererseits verhindern sie eine weitere axiale Verschiebung aufgrund ihrer Konizität. Die Dimensionen und die Konizität der Seitenflügel 9c sind also entsprechend so gewählt, dass dieser Eingriff bei Erreichen des Punktes z1 unter Berücksichtigung der Breite des Heizkanals 7 erreicht ist. Ein weiterer Vorteil der Ausführungsform aus 4 ist, dass für die axiale Begrenzung keine zusätzlichen Vorderflügel 9b benötigt werden. Demgegenüber hat die Ausführungsform aus 2 aber den Vorteil, dass eine radiale Verschiebung der Hilfsdüse 8 über den ganzen von der Hilfsdüse 8 zurückgelegten Weg wirkt, wobei allerdings keine axiale Begrenzung stattfindet.
Dieser Nachteil kann im Zuge einer Erweiterung der Ausführungsform aus 2 beseitigt werden. In 5 sind die rechteckigen Seitenflügel 9d vorgesehen, die jedoch breiter als die Breite des Heizkanals 7 sind. In diesem Fall sind in der Innenwandung der Isolierdüse 2 im relevanten Abschnitt Führungskanäle vorgesehen, die jeweils den oberen Abschnitt eines Seitenflügels 9d aufnehmen. Die Wirkung dieser Seitenflügel ist zunächst dieselbe wie in 2. Hier wird jedoch auch eine axiale Begrenzung der Bewegung der Hilfsdüse 8 mittels des als Anschlag wirkenden Endes der Führungskanäle verwirklicht. Ausser der radialen und der axialen Verschiebungsbegrenzung hat diese Ausführungsform den weiteren Vorteil, dass durch die Führung der Seitenflügel 9d eine noch höhere Stabilität erreicht wird.
Auch in der Ausführungsform nach 2 könnte an der Isolierdüse 2 mindestens ein Anschlag vorgesehen sein, der eine Verschiebung der Seitenflügel 9a in Längsrichtung z in Richtung des zweiten Abrandkontakts 4 begrenzt.
6 zeigt eine weitere Ausführungsform der Stabilisierungsanordnung 1, die der radialen und der axialen Verschiebung Rechnung trägt. In dieser Ausführungsform sind kombinierte Flügel 9e vorgesehen. Jeder kombinierte Flügel 9e ist aus einem Seitenflügel, einem Vorderflügel und einem gebogenen Flügel, welcher den zugehörigen Seitenflügel mit dem zugehörigen Vorderflügel verbindet, gebildet. Es ist bevorzugt dass der kombinierte Flügel 9e einstückig ist. Vorteilhafterweise weisen die kombinierten Flügel 9e eine erhöhte Stabilität gegenüber den bisher beschriebenen Flügeln auf.
7 zeigt eine weitere Ausführungsform der Stabilisierungsanordnung, die der radialen und der axialen Verschiebung Rechnung trägt. Diese Ausführungsform ist eine Kombination der Ausführungsformen aus 2 und 3, wobei Seitenflügel 9a und Vorderflügel 9b vorgesehen sind. Es ist bevorzugt möglich, dass eine Anzahl der Vorderflügel 9b einer Anzahl der Seitenflügel 9a entspricht. Es ist weiter bevorzugt möglich, dass jeder Vorderflügel 9b in einer selben Ebene mit einem zugeordneten Seitenflügel 9a angeordnet ist. Damit wird vermieden, dass ein Labyrinth entsteht, das sich potentiell negativ auf dem Massenfluss des Isoliergases ins Heizvolumen 6 und zurück ins Lichtbogenvolumen 5 auswirken könnte.
8 zeigt eine weitere Ausführungsform der Stabilisierungsanordnung mit speziell geformten Seitenflügeln 9f. Aus Anschaulichkeitsgründen ist diese Darstellung perspektivisch und zeigt nur die Hilfsdüse 8 mit den Seitenflügeln 9f. Diese Seitenflügel 9f unterscheiden sich von denjenigen aus 2 dadurch, dass sie einen ersten Abschnitt 10a umfassen, der sich parallel zur Längsachse z erstreckt, und im Anschluss am ersten Abschnitt 10a einen zweiten Abschnitt 10b umfassen, der sich schräg zur Längsachse z erstreckt. Der erste Abschnitt 10a ist näher am Lichtbogenvolumen 5 als am Heizvolumen 6 angeordnet, und der zweite Abschnitt 10b ist näher am Heizvolumen 6 als am Lichtbogenvolumen 5 angeordnet.
Es ist bevorzugt dass der zweite Abschnitt 10b einen Winkel α zwischen 30° und 60° mit der Längsachse z bildet. Ein Winkel von 45° mit der Längsachse z hat sich als optimal erwiesen. Der Winkel α ist mittels der Formel: A2 = A1·sinα bestimmbar, wobei A1 einen Abstand zwischen den ersten Abschnitten 10a zweier benachbarten Seitenflügel 9f und A2 einen Abstand zwischen den zweiten Abschnitten 10b der zwei benachbarten Seitenflügel 9f darstellen.
Der spezielle Aufbau der Seitenflügel 9f hat ausser der radialen Begrenzung der Verschiebung der Hilfsdüse 8 zwei weitere Vorteile. Dadurch dass die zweiten Abschnitte 10b schräg angeordnet sind, wird die Turbulenz des Isoliergases während seiner Strömung in Richtung des Heizvolumens 6 erhöht, was zu einer besseren Durchmischung des strömenden heissen Isoliergases mit dem kalten Isoliergas im Heizvolumen 6 beiträgt. Andererseits bewirken die ersten Abschnitte 10a dass während des Rückflusses des gemischten Isoliergases in das Lichtbogenvolumen 5 zur Löschung des Lichtbogens A die Turbulenz beim Verlassen der Kanäle zwischen zwei benachbarten Seitenflügeln 9f reduziert wird und das Isoliergas schneller den Lichtbogen A erreicht.
Insbesondere kann diese Ausführungsform mit den Ausführungsformen aus 3 bis 6 kombiniert werden, um auch eine Verhinderung der axialen Verschiebung über den Punkt z1 zu berücksichtigen. Grundsätzlich könnten bei allen vorherigen Ausführungsformen mit geraden Seitenflügeln diese durch die Seitenflügel 9f ersetzt werden. Einzige Ausnahme ist die Ausführungsform 9d der Seitenflügel.
9 zeigt eine weitere Ausführungsform der Stabilisierungsanordnung in einer Frontansicht auf die Vorderseite der Hilfsdüse 8. Hier ist die Stabilisierungsanordnung ein Rohr 9g, das konzentrisch um die Hilfsdüse 8 angeordnet ist, wobei das Rohr 9g durchgehende Öffnungen 11 umfasst, die sich in Längsrichtung z erstrecken und das Lichtbogenvolumen 5 mit dem Heizvolumen 6 verbinden. Die durchgehenden Öffnungen 11 können einen runden Querschnitt aufweisen, wie in der Figur dargestellt, sie können aber auch einen ovalen oder bananenförmigen Querschnitt haben. Insbesondere ist eine Kombination von Öffnungen mit verschiedenen Querschnittsformen auch denkbar. Eine Dicke der Rohrwandung kann insbesondere gleich einem Abstand zwischen der Isolierdüse 2 und der Hilfsdüse 8 sein. In dieser Ausführungsform können die Wandabschnitte zwischen zwei benachbarten Öffnungen 11 als Seitenflügel 9g aufgefasst werden, die die radiale Verschiebung der Hilfsdüse 8 verhindern.
Die Isolierdüse 2 kann einen Anschlag umfassen, wie bereits erläutert, der eine Verschiebung des Rohrs 9g in Längsrichtung z über den vorgegebenen Punkt z1 hinaus verhindert. Alternativ kann diese Ausführungsform beispielsweise mit der Ausführungsform aus 7 kombiniert werden, um auch die Begrenzung der axialen Verschiebung über den Punkt z1 zu verwirklichen. Eine weitere Alternative besteht darin, das Rohr 9g so auszubilden, dass es mindestens abschnittsweise, beispielsweise im oberen Bereich der am weitesten vom Lichtbogenvolumen 5 entfernt ist, über die Vorderseite der Hilfsdüse 8 hinausragt und somit auch die Begrenzung in axialer Richtung z verwirklicht.
10 zeigt eine perspektivische Ansicht der Hilfsdüse 8 mit Seitenflügeln 9a. Dabei sind die Seitenflügel 9a in einem Stück mit der Hilfsdüse 8 ausgebildet, was zu einer Kostenreduktion beiträgt. Alternativ oder zusätzlich können auch die Vorderflügel 9b und/oder die kombinierten Flügel 9e in einem Stück mit der Hilfsdüse 8 ausgebildet sein. Die Vorderflügel 9b können aber auch in einem Stück mit der Isolierdüse 2 oder als selbstständige Elemente ausgeführt sein.
Ferner zeigt diese Ansicht, dass sich die Seitenflügel 9a über die gesamte Länge der Hilfsdüse 8 erstrecken. Alternativ können die Seitenflügel 9a nur in einem Bereich der Ausdehnung der Hilfsdüse 8 vorhanden sein (wie z.B. in 2 gezeigt). Beispielsweise können sie heizvolumenseitig oder, was bevorzugt ist, lichtbogenvolumenseitig angeordnet sein. Die letztere Variante ist bevorzugt, da auf diese Weise eine bessere Stabilität der Hilfsdüse 8 im relevanten vorderen Bereich erreicht wird.
Die verschiedenen Varianten der Stabilisierungsanordnung in allen ihren Kombinationen bieten den Vorteil, dass die Hilfsdüse 8 mechanisch stabiler bewegbar ist, so dass Verschiebungen in radialer und/oder axialer Richtung weitgehend vermieden werden können und damit der Leistungsschalter hinsichtlich seiner thermischen Schnellauslösung und seines dielektrischen Verhaltens wie erwartet funktioniert. Weiterhin ist die verbesserte Turbulenz für die thermische Unterbrechung und eine bessere Durchmischung von kaltem und heissem Isoliergas vorteilhaft. Nicht zuletzt bietet die Vielzahl an Kombinationen der verschiedenen Ausführungsformen gute Anpassungsmöglichkeiten für verschiedene Bauweisen von Leistungsschaltern oder allgemein anderen elektrischen Schaltvorrichtungen mit verschiedenster Spezifikationen, so dass jeweils die beste Lösung für den speziellen Typ von Schaltvorrichtung, insbesondere Leistungsschalter, Erdungsschalter oder Trennschalter, gewählt werden kann.
Obwohl bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung beschrieben worden sind, wird darauf hingewiesen, dass die Erfindung auf andere Weisen im Rahmen der nachfolgenden Ansprüchen realisiert werden kann. Dabei beziehen sich in der Beschreibung verwendete Begriffe wie „bevorzugt“, „insbesondere“, „vorteilhaft“, etc. nur auf optionale und beispielhafte Ausführungsformen.
Bezugszeichenliste

1: erfindungsgemässer Leistungsschalter
1a: Leistungsschalter nach dem Stand der Technik
2: Isolierdüse
3: erster Abrandkontakt, Tulpenkontakt
4: zweiter Abrandkontakt, Stabkontakt, Pin
5: Lichtbogenvolumen
6: Heizvolumen
7: Heizkanal
8: Hilfsdüse
9a: Seitenflügel
9b: Vorderflügel
9c: konischer Seitenflügel
9d: Seitenflügel für Führungskanal
9e: kombinierter Flügel
9f: Seitenflügel mit schrägem Abschnitt
9g: rohrförmige Stabilisierungsanordnung
10a: erster Abschnitt von 9f
10b: zweiter Abschnitt von 9f
11: Öffnung von 9g, Durchströmöffnungen, Heizkanalöffnungen
a: Fluss des Isoliergases in Richtung Heizvolumen
A: Lichtbogen
A1: Abstand zwischen benachbarten ersten Abschnitten 10a
A2: Abstand zwischen benachbarten zweiten Abschnitten 10b
r1: erste abweichende Heizkanalbreite
r2: zweite abweichende Heizkanalbreite
v1: unerwünschte axiale Verschiebung
z: Längsachse
z1: Soll-Bewegungsendpunkt der Hilfsdüse 8.

Claims

Elektrische Schaltvorrichtung (1), gefüllt mit einem dielektrischen Isoliermedium, umfassend mindestens eine Anordnung von Abrandkontakten mit einem ersten Abrandkontakt (3) und einem zugeordneten zweiten Abrandkontakt (4), wobei zum Öffnen und Schliessen der elektrischen Schaltvorrichtung (1) mindestens einer der Abrandkontakte (3, 4) parallel zu einer Längsachse (z) bewegbar ist und mit dem anderen Abrandkontakt (4, 3) kooperiert, weiter umfassend eine Isolierdüse (2), eine Hilfsdüse (8) die konzentrisch im Inneren der Isolierdüse (2) angeordnet ist, ein Lichtbogenvolumen (5) zwischen dem ersten Abrandkontakt (3) und dem zweiten Abrandkontakt (4), ein Heizvolumen (6) und einen Heizkanal (7), der zwischen der Isolierdüse (2) und der Hilfsdüse (8) angeordnet ist und das Lichtbogenvolumen (5) mit dem Heizvolumen (6) verbindet, dadurch gekennzeichnet, dass eine Stabilisierungsanordnung (9a–9g) zur Stabilisierung der Hilfsdüse (8) im Heizkanal (7) vorgesehen ist, wobei die Stabilisierungsanordnung (9a–9g) derart im Heizkanal (7) angeordnet ist, dass sie die Isolierdüse (2) mechanisch mit der Hilfsdüse (8) verbindet und damit eine radiale Verschiebung der Hilfsdüse (8) gegenüber der Isolierdüse (2) verhindert und/oder eine axiale Verschiebung der Hilfsdüse (8) in Richtung der Längsachse (z) über einen vordefinierten Punkt (z1) hinaus verhindert.
Elektrische Schaltvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Stabilisierungsanordnung (9a–9g) aus einem elektrisch nichtleitenden Material, insbesondere aus einem Polymer, bevorzugt aus PTFE, hergestellt ist.
Elektrische Schaltvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Stabilisierungsanordnung (9a–9f) durch eine Anzahl von, insbesondere plattenförmigen, Seitenflügeln (9a, 9c, 9d, 9f) und/oder Vorderflügeln (9b) und/oder kombinierten Flügeln (9e), gegeben ist, insbesondere wobei die Flügel (9a–9f) gleichmässig entlang dem Umfang der Hilfsdüse (8) verteilt sind, insbesondere wobei eine Gesamtanzahl der Seitenflügel (9a, 9c, 9d, 9f) und/oder der Vorderflügel (9b) und/oder der kombinierten Flügel (9e) zwischen 3 und 20 und bevorzugt 6 beträgt.
Elektrische Schaltvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei, wenn vorhanden, die Seitenflügel (9a, 9c, 9d, 9f) auf einer Mantelfläche der Hilfsdüse (8) angeordnet sind, und/oder wobei, wenn vorhanden, die Vorderflügel (9b) auf einer Vorderfläche der Hilfsdüse (8) angeordnet sind, und/oder wobei, wenn vorhanden, die kombinierten Flügel (9e) jeweils aus einem Seitenflügel (9a), einem Vorderflügel (9b) und einem gebogenen Flügel, welcher den zugehörigen Seitenflügel (9a) mit dem zugehörigen Vorderflügel (9e) verbindet, gebildet sind, insbesondere wobei der Seitenflügel (9a), der Vorderflügel (9b) und der gebogene Flügel in einem Stück sind.
Elektrische Schaltvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Seitenflügel (9a, 9d) rechteckig sind oder wobei sich die Seitenflügel (9c) in Längsrichtung (z) in Richtung des zweiten Abrandkontakts (4) verjüngen.
Elektrische Schaltvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Seitenflügel entweder mittels eines Führungskanals für jeden Seitenflügel (9d) mechanisch mit der Isolierdüse (2) verbunden sind, welcher Führungskanal in einer Wandung der Isolierdüse (2) vorgesehen ist, wobei ein Teil jedes Seitenflügels (9d) in einem zugeordneten Führungskanal aufgenommen ist, oder wobei die Seitenflügel (9a, 9c, 9e, 9f) gegen einer Wandung der Isolierdüse (2) anstossen.
Elektrische Schaltvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Isolierdüse (2) mindestens einen Anschlag umfasst, der eine Verschiebung der Seitenflügel (9a, 9c, 9d, 9f) in Längsrichtung (z) in Richtung des zweiten Abrandkontakts (4) begrenzt.
Elektrische Schaltvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei sich die Seitenflügel (9a, 9c, 9d) parallel zur Längsachse (z) erstrecken oder wobei die Seitenflügel (9f) einen ersten Abschnitt (10a) umfassen, der sich parallel zur Längsachse (z) erstreckt, und im Anschluss am ersten Abschnitt (10a) einen zweiten Abschnitt (10b) umfassen, der sich schräg zur Längsachse (z) erstreckt, insbesondere wobei die zweiten Abschnitte (10b) jeweils einen Winkel (α) zwischen 30° und 60° mit der Längsachse (z), bevorzugt einen Winkel (α) von 45° mit der Längsachse (z), bilden.
Elektrische Schaltvorrichtung nach Anspruch 8, wobei der erste Abschnitt (10a) näher am Lichtbogenvolumen (5) als am Heizvolumen (6) angeordnet ist und der zweite Abschnitt (10b) näher am Heizvolumen (6) als am Lichtbogenvolumen (5) angeordnet ist.
Elektrische Schaltvorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, wobei der Winkel (α) mittels der Formel: A2 = A1·sinα bestimmbar ist, wobei A1 einen Abstand zwischen den ersten Abschnitten (10a) zweier benachbarten Seitenflügel (9f) und A2 einen Abstand zwischen den zweiten Abschnitten (10b) der zwei benachbarten Seitenflügel (9f) darstellen.
Elektrische Schaltvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine Anzahl der Vorderflügel (9b) einer Anzahl der Seitenflügel (9a, 9c, 9d, 9f) entspricht, insbesondere wobei jeder Vorderflügel (9b) in einer selben Ebene mit einem zugeordneten Seitenflügel (9a, 9c, 9d) angeordnet ist.
Elektrische Schaltvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Seitenflügel (9a, 9c, 9d, 9f) und/oder die Vorderflügel (9b) und/oder die kombinierten Flügel (9e) in einem Stück mit der Hilfsdüse (8) ausgebildet sind.
Elektrische Schaltvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Vorderflügel (9b) in einem Stück mit der Isolierdüse (2) ausgebildet sind oder wobei sie selbstständige Elemente sind.
Elektrische Schaltvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Stabilisierungsanordnung ein um die Hilfsdüse (8) konzentrisch angeordnetes Rohr (9g) ist, wobei das Rohr (9g) durchgehende Öffnungen (11) umfasst, die sich in Längsrichtung (z) erstrecken und das Lichtbogenvolumen (5) mit dem Heizvolumen (6) verbinden, insbesondere wobei die durchgehenden Öffnungen (11) einen runden und/oder ovalen und/oder bananenförmigen Querschnitt haben, insbesondere wobei eine Dicke der Rohrwandung gleich einem Abstand zwischen der Isolierdüse (2) und der Hilfsdüse (8) ist.
Elektrische Schaltvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei sich die Stabilisierungsanordnung entlang dem gesamten Heizkanal (7) oder in einem Abschnitt des Heizkanals (7), welcher näher am Lichtbogenvolumen (5) als am Heizvolumen (6) ist, erstreckt.
Verwendung der elektrischen Schaltvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche als Erdungsschalter, als Schnellerdungsschalter, als Leistungsschalter, als Generatorleistungsschalter, als Trennschalter, als kombinierter Trennschalter und Erdungsschalter, oder als Lasttrennschalter.
Verwendung nach Anspruch 16, wobei das dielektrische Isoliermedium SF₆ ist oder eine Organofluorverbindung umfasst, die ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: einem Fluorether, insbesondere Hydrofluormonoether, einem Fluoramin, einem Fluorketon, insbesondere Perfluorketone, einem Fluorolefin, insbesondere Hydrofluorolefin, einem Fluoronitril, insbesondere Perfluoronitril, und ihren Mischungen, insbesondere in einer Mischung mit einem Hintergrundgas.