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Die Erfindung betrifft ein Hochspannungs-Schaltgerät und ein Verfahren zur Spektralanalyse, wobei das Hochspannungs-Schaltgerät ein Gehäuse und wenigstens einen elektrischen Kontakt umfasst. Der Kontakt ist in dem Gehäuse angeordnet und umfasst wenigstens zwei Kontaktstücke, welche ausgebildet sind beim Schalten einen Lichtbogen zu führen.
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Hochspannungs-Schaltgeräte umfassen z. B. Hochspannungs-Leistungsschalter, Trenner und/oder Erder. Hochspannungs-Leistungsschalter, wie z. B. aus der
DE 196 08 285 A1 bekannt, werden zum Schalten von hohen Spannungen im Bereich von bis zu 1200 kV und hohen Strömen im Bereich von bis zu einigen hundert Ampere, in der Energieerzeugung, Energieverteilung und/oder für elektrische Verbraucher eingesetzt. Die Hochspannungs-Schaltgeräte unterliegen unterschiedlichen Verschleißmechanismen, wodurch die Lebensdauer der Hochspannungs-Schaltgeräte begrenzt ist. Einer der Verschleißmechanismen beruht auf Abbrand durch Lichtbögen zwischen elektrischen Kontaktstücken.
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Hochspannungs-Schaltgeräte, insbesondere Hochspannungs-Leistungsschalter, umfassen z. B. Vakuumröhren, welche in einem Gehäuse, insbesondere einem Isolator befüllt mit Clean Air als Isoliergas, angeordnet sind. Eine Vakuumröhre umfasst wenigstens einen Kontakt, mit jeweils zwei Kontaktstücken, wobei zumindest ein Kontaktstück beweglich gelagert ist. Die Kontaktstücke weisen z. B. Kontaktteller auf, welche parallel zueinander angeordnet sind, und beim Einschalten aufeinander zu bewegt werden, bis ein mechanischer und elektrischer Kontakt besteht, und beim Ausschalten voneinander wegbewegt werden, bis der elektrische Kontakt unterbrochen ist. Beim Ein- und/oder Ausschalten kann ein Lichtbogen bei hohen Spannungen zwischen den Kontaktstücken zünden und brennen. Der Lichtbogen erlischt beim Einschalten bei mechanischem Kontakt der Kontaktstücke und beim Ausschalten kann der Lichtbogen erlöschen, bei Erreichen eines ausreichend großen Abstands zwischen den Kontakttellern, z. B. durch die Isolierung über Vakuum zwischen den Kontakttellern.
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Der Lichtbogen brennt beim Ein- und/oder Ausschalten zwischen den Kontaktstücken bzw. den Kontakttellern, d. h. wird zwischen den Kontaktstücken geführt. Strukturen, wie z. B. meanderförmige, zum äußeren Umfang des Kontakttellers gezogene Rillen in den ebenen Kontakttellern, ermöglichen eine Bewegung des Lichtbogens beim Schalten zum äußeren Umfang der Kontaktteller. Der Lichtbogen kann in dem Bereich durch ein verringertes elektrisches Feld im Vergleich zum mittleren Bereich der Kontaktteller erlöschen. Der Lichtbogen erreicht beim Brennen zwischen den Kontaktstücken Temperaturen von bis zu über 1000 Grad Celsius. Bei Kontaktstücken aus Kupfer wird die Oberfläche lokal durch den Lichtbogen stark erwärmt und Kupfer kann verdampfen. Dieser sogenannte Abbrand beschädigt die Oberflächenstruktur insbesondere polierter Kontaktteller, verringert die Qualität des Vakuums in der Vakuumröhre, und schlägt sich in anderen Bereichen der Vakuumröhre nieder, wobei elektrisch isolierende Eigenschaften von Isolatorflächen verschlechtert werden können.
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Beim Einschalten führt der Lichtbogen zu einer lokalen Erwärmung der Kontaktteller, insbesondere zu einem lokalen Aufschmelzen an der Oberfläche. Dadurch können bei mechanischem Kontakt der Kontaktteller im eingeschalteten Zustand die Kontaktstücke lokal in diesen Bereichen verschmelzen. Beim Ausschalten werden die Kontaktstücke auseinandergerissen, wobei sich Partikel aus der Oberfläche der Kontaktteller lösen können. Die Partikel können die Funktion der Vakuumröhre stören, z. B. eine elektrische Isolation über Isolatorflächen zwischen den Kontaktstücken im ausgeschalteten Zustand verringern und zu elektrischen Überschlägen zwischen Kontaktstücken führen.
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Hochspannungs-Schaltgeräte, insbesondere Hochspannungs-Leistungsschalter, umfassen alternativ oder zusätzlich zu Vakuumröhren z. B. Nennstrom- und/oder Lichtbogen-Kontakte. Der Nennstrom-Kontakt umfasst wenigstens zwei Nennstrom-Kontaktstücke, wobei wenigstens ein Nennstrom-Kontaktstück beweglich gelagert ist. Der Lichtbogen-Kontakt umfasst wenigstens zwei Lichtbogen-Kontaktstücke, wobei wenigstens ein Lichtbogen-Kontaktstück beweglich gelagert ist. Die Kontakte sind in einem Gehäuse, z. B. einem Isolator aus Keramik, Silikon und/oder einem Verbundwerkstoff bei insbesondere Freiluft-Hochspannungs-Leistungsschaltern angeordnet, wobei das Gehäuse mit einem Isolier- bzw. Schaltgas befüllt ist. Als Schaltgas wird z. B. SF6 und/oder Clean Air verwendet.
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Beim Einschalten wird der Lichtbogen-Kontakt mechanisch und elektrisch geschlossen, durch Bewegung der Lichtbogen-Kontaktstücke aufeinander zu. Dabei kann zwischen den Lichtbogen-Kontaktstücken ein Lichtbogen brennen. Erst bei geschlossenem elektrischem Kontakt über die Lichtbogen-Kontaktstücke wird der Nennstrom-Kontakt geschlossen, durch Bewegung der Nennstrom-Kontaktstücke aufeinander zu, bis diese in mechanischem und elektrischem Kontakt miteinander stehen. Durch den zuvor geschlossenen Lichtbogen-Kontakt kann ein Brennen eines Lichtbogens zwischen den Nennstrom-Kontaktstücken verhindert werden. Beim Ausschalten werden im ersten Schritt die Nennstrom-Kontaktstücke mechanisch und elektrisch getrennt. Durch den geschlossenen elektrischen Kontakt über die Lichtbogen-Kontaktstücke kann das Zünden eines Lichtbogens zwischen den Nennstrom-Kontaktstücken verhindert werden. Im zweiten Schritt werden die Lichtbogen-Kontaktstücke voneinander getrennt, wobei ein Lichtbogen zünden und brennen kann.
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Bei ausreichendem Abstand der Lichtbogen-Kontaktstücke voneinander kann ein Lichtbogen zwischen den Lichtbogen-Kontaktstücken erlöschen. Alternativ oder zusätzlich kann eine Isolier- bzw. Blasdüse um die Lichtbogen-Kontaktstücke angeordnet sein, welche elektrische Überschläge zwischen Lichtbogen-Kontaktstücken und Nennstrom-Kontaktstücken verhindert, und welche durch einen Isoliergas- bzw. Schaltgasstrom einen Lichtbogen zum Erlöschen bringen kann.
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Ein Lichtbogen, welcher zwischen den Lichtbogen-Kontaktstücken brennt, führt zu einer starken lokalen Erwärmung der Lichtbogen-Kontaktstücke, wobei Material in Form von Partikeln sich lösen kann von den Lichtbogen-Kontaktstücken und/oder von der Isolier- bzw. Blasdüse, und/oder verdampft. Die Partikel und/oder verdampftes Material führen zu einer Verschlechterung der Isoliereigenschaften des Isoliergases und, bei Adsorption an Wänden des Gehäuses, zu verschlechterten Isoliereigenschaften z. B. des Isolatorgehäuses. Insbesondere der Abbrand an den Kontakten führt zu einem Verschleiß und einer verringerten Lebensdauer des Hochspannungs-Schaltgeräts. Dadurch können verkürzte Wartungsintervalle und/oder ein Austausch von Teilen oder des gesamten Hochspannungs-Schaltgeräts erforderlich werden, was zu einem hohen Aufwand, z. B. verbunden mit einem Spannungsfrei-Schalten des Hochspannungs-Schaltgeräts, und hohen Kosten führen kann.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Hochspannungs-Schaltgerät und ein Verfahren zur Verwendung einer Vorrichtung zur Spektralanalyse in einem Hochspannungs-Schaltgerät anzugeben, welche die zuvor beschriebenen Probleme lösen. Insbesondere ist es Aufgabe, einfach, kostengünstig, zuverlässig und spezifisch den Abbrand an Kontakten, insbesondere Lichtbogen-Kontaktstücken, und Partikel in einem Hochspannungs-Schaltgerät zu detektieren bzw. zu monitoren, und z. B. daraus Schlüsse für Wartung und Austausch von Teilen oder des gesamten Hochspannungs-Schaltgeräts abzuleiten.
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Die angegebene Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Hochspannungs-Schaltgerät gemäß Patentanspruch 1 und/oder durch ein Verfahren zur Verwendung einer Vorrichtung zur Spektralanalyse in einem Hochspannungs-Schaltgerät, insbesondere in einem zuvor beschriebenen Hochspannungs-Schaltgerät, gemäß Patentanspruch 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Hochspannungs-Schaltgeräts und/oder des Verfahrens zur Verwendung einer Vorrichtung zur Spektralanalyse in einem Hochspannungs-Schaltgerät, insbesondere in einem zuvor beschriebenen Hochspannungs-Schaltgerät, sind in den Unteransprüchen angegeben. Dabei sind Gegenstände der Hauptansprüche untereinander und mit Merkmalen von Unteransprüchen sowie Merkmale der Unteransprüche untereinander kombinierbar.
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Das erfindungsgemäße Hochspannungs-Schaltgerät umfasst ein Gehäuse und wenigstens einen elektrischen Kontakt, wobei der Kontakt in dem Gehäuse angeordnet ist und wenigstens zwei Kontaktstücke umfasst, welche ausgebildet sind beim Schalten einen Lichtbogen zu führen. Weiterhin umfasst das erfindungsgemäße Hochspannungs-Schaltgerät eine Vorrichtung zur Spektralanalyse.
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Mit der Vorrichtung zur Spektralanalyse können einfach, kostengünstig, zuverlässig und spezifisch der Abbrand an Kontakten, insbesondere Lichtbogen-Kontaktstücken, und Partikel im Hochspannungs-Schaltgerät detektiert, analysiert und/oder gemonitort werden. Aus den Ergebnissen können Schlüsse für die Wartung und/oder den Austausch von Teilen oder des gesamten Hochspannungs-Schaltgeräts abgeleitet werden.
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Von der Vorrichtung zur Spektralanalyse kann wenigstens ein Lichtwellenleiter umfasst sein. Ein Lichtwellenleiter ist kostengünstig und kann einfach und gut an den Untersuchungsort geführt werden, selbst an beengte räumliche Bereiche des Hochspannungs-Schaltgeräts, an welchen insbesondere raue Bedingungen für Analyse-Vorrichtungen herrschen. So sind im Bereich des Lichtbogens hohe Temperaturen und Drücke möglich, und insbesondere zwischen den Lichtbogen-Kontaktstücken ist wenig Raum.
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Wenigstens ein Lichtwellenleiter kann im Bereich des Lichtbogens oder benachbart zu einem Lichtbogenbereich angeordnet sein. Dadurch können über den robusten Aufbau eines Lichtwellenleiters, welcher z. B. Glas umfasst, in Bereichen mit hohen Temperaturen und Drücken dicht am Lichtbogen ein Spektrum oder einzelne Wellenlängen des Lichtbogens und/oder die Intensität aufgenommen werden. Eine dichte Anordnung des Lichtwellenleiters am Lichtbogenbereich ergibt hohe zu untersuchende Lichtintensitäten, welche spezifisch vom Lichtbogen erzeugt werden. Eine Analyse der Wellenlängen und Intensitäten ergibt z. B. spezifisch Ergebnisse bezüglich Abbrandprodukten, über die Intensität des Abbrands und über eventuell entstehende Partikel, z. B. an den Elektroden und/oder an einer Blasdüse. Der Lichtwellenleiter ist dabei robust gegenüber den Temperaturen und Drücken, wodurch eine Beschädigung und/oder Zerstörung vermieden wird, und ist robust gegenüber Produkten des Abbrands, welche z. B. kondensieren können. Insbesondere der geringe Durchmesser des Lichtwellenleiters macht eine Adsorption von Material auf dem Lichtwellenleiter unwahrscheinlich. Eine Gestaltung der Lichtwellenleiter-Spitze, z. B. abgerundet mit bestimmten Radius, kann bei abgeschiedenen Schichten auf der Spitze bei Abkühlung zu einer Oberflächenspannung führen, welche zu einem Abplatzen der Schichten führt. Dadurch kann ein sauberes, unbelegtes Ende des Lichtwellenleiters zeitlich erhalten bleiben, wodurch eine ungestörte optische Analyse des Lichtbogens über lange Zeiträume hinweg, wartungsfrei ermöglicht wird. Abbrand am Lichtwellenleiter kann ebenfalls zu einer Reinigung der Spitze führen, wobei durch Nachführung des Lichtwellenleiters insbesondere ein konstanter Abstand zum Lichtbogenbereich gewährleistet werden kann und eine Verfälschung der Messergebnisse vermieden werden kann.
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Das Hochspannungs-Schaltgerät kann ein Hochspannungs-Leistungsschalter sein, und der wenigstens eine Kontakt kann einen Nennstrom-Kontakt umfassen, mit wenigstens zwei Nennstrom-Kontaktstücken, insbesondere einem beweglichen und einem festen Nennstrom-Kontaktstück, und einen Lichtbogen-Kontakt umfassen, mit wenigstens zwei Lichtbogen-Kontaktstücken, insbesondere einem beweglichen und einem festen Lichtbogen-Kontaktstück. Eine Isolier- bzw. Blasdüse kann umfasst sein, zum Löschen des Lichtbogens. Alternativ oder zusätzlich kann das Hochspannungs-Schaltgerät einen Trenner und/oder Erder umfassen. Insbesondere in Hochspannungs-Leistungsschaltern mit geschlossenem Gehäuse und Kontaktstücken im Inneren ist ein Sichtkontakt z. B. bei Serviceinspektionen und ein Monitoring von Kontaktstücken schwierig. Eine Spektralanalyse kann wichtige Aufschlüsse geben, in welchem Maße die Kontaktstücke durch Abbrand und/oder Abrieb insbesondere unter Partikelbildung abgenutzt bzw. beschädigt sind. Das Maß der Abnutzung und/oder des Abbrands lässt Schlüsse zu, ob und wann eine Wartung erfolgen muss. So können regelmäßige Wartungsintervalle z. B. verlängert werden oder nur bei Bedarf eine Wartung erfolgen, was Personal, Kosten und Aufwand spart. Beim Erreichen eines bestimmten, z. B. vordefinierten Abnutzungsgrads kann ein Austausch von Teilen und/oder des gesamten Hochspannungs-Leistungsschalters erfolgen. Dadurch kann ein sicherer, zuverlässiger Betrieb über lange Zeiträume gewährleistet werden mit minimalem Aufwand und Kosten.
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Wenigstens ein Lichtwellenleiter kann an oder in einer Blasdüse für Schaltgas, insbesondere SF6 und/oder Clean Air, angeordnet sein. Insbesondere über eine Bohrung in der Blasdüse kann ein Lichtwellenleiter an die Bereiche mit Sichtkontakt zum Lichtbogen herangeführt sein, so dass einfach und zuverlässig bei guter Halterung eine Spektralanalyse möglich ist. Abbrandprodukte der Blasdüse und deren Zustand, von Kontaktstücken und Abbauprodukte des Schaltgases, welche zu einer Zerstörung des Schalters führen können, können derart ermittelt werden, mit den zuvor beschriebenen Vorteilen.
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Eine Vakuumröhre kann umfasst sein, in welcher wenigstens ein Kontakt angeordnet ist. Durch insbesondere einen Lichtwellenleiter, welcher in die Vakuumröhre geführt ist, kann insbesondere über einen Lichtbogen das Vakuum, der Abbrand an den Kontaktstücken und/oder Partikel der Kontaktstücke analysiert werden, welche z. B. beim Ausschalten durch Auseinanderreißen der Kontaktstücke entstehen können, mit den zuvor beschriebenen Vorteilen.
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Die Vorrichtung zur Spektralanalyse kann ein Spektrometer, insbesondere ein optisches Spektrometer umfassen. Insbesondere mit einem optischen Spektrometer sind die optischen Linien und/oder Spektren sowie deren Intensität messbar, welche beim Brennen eines Lichtbogens entstehen.
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Das Spektrometer kann ausgebildet sein, die Intensität von charakteristischen optischen Linien bestimmter Wellenlänge zu messen. Charakteristische optische Linien können spezifisch für bestimmte Stoffe, insbesondere Abbrandprodukte sein. Mit der Messung bzw. dem Monitoring der Intensität insbesondere über die Zeit können Aussagen getroffen werden bezüglich der Menge an bestimmten Stoffen, welche im Lichtbogen zersetzt werden und/oder entstehen. Eine Zuordnung der Stoffe zu bestimmten Teilen des Hochspannungs-Schaltgerätes, z. B. bestimmten Kontaktstücken, Blasdüse und/oder Schaltgasen, und eine Beobachtung der Intensität über die Zeit, ermöglichen Schlüsse über den Abnutzungsgrad bzw. Verschleiß von bestimmten Teilen des Hochspannungs-Schaltgerätes, mit den zuvor beschriebenen Vorteilen.
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Wenigstens eine Auswertungseinheit- und/oder Datenspeichereinheit und/oder Datenübermittlungseinheit kann umfasst sein, welche ausgebildet ist Ergebnisse der Spektralanalyse auszuwerten, insbesondere mit vorbestimmten Werten zu vergleichen, und/oder zu speichern und/oder zu übermitteln, insbesondere an eine Zentrale Warte und/oder in die Cloud. Dadurch kann eine Abschaltung, Wartung, und/oder Austausch von Teilen oder des gesamten Hochspannungs-Schaltgerätes insbesondere von Personal oder automatisch von einer Zentrale aus und/oder aus der Cloud erfolgen bzw. beauftragt werden.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Verwendung einer Vorrichtung zur Spektralanalyse in einem Hochspannungs-Schaltgerät, insbesondere in einem zuvor beschriebenen Hochspannungs-Schaltgerät, umfasst, dass ein Spektrometer ein optisches Spektrum und/oder die Intensität von charakteristischen optischen Linien in einem Hochspannungs-Schaltgerät misst, insbesondere über einen Lichtwellenleiter.
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Über einen Lichtwellenleiter können das optische Spektrum und/oder die Intensität von charakteristischen optischen Linien aus dem Hochspannungs-Schaltgerät, insbesondere einem Hochspannungs-Leistungsschalter, ausgekoppelt werden und über ein Spektrometer-Modul außerhalb des Gehäuses, wobei in dem Gehäuse wenigstens ein Kontakt des Hochspannungs-Schaltgeräts angeordnet ist, analysiert werden.
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Das optische Spektrum und/oder die Intensität von charakteristischen optischen Linien können im Bereich eines Lichtbogens gemessen werden, zur Bestimmung der Komponenten des Abbrands, insbesondere des Abbrands an einer Isolier- und/oder Blasdüse und/oder des Abbrands an den Kontaktstücken, insbesondere Lichtbogen-Kontaktstücken.
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Bereiche des gemessenen optischen Spektrums und/oder die gemessene Intensität von charakteristischen optischen Linien können einzelnen Bauteilen des Hochspannungs-Schaltgeräts zugeordnet werden und/oder aus der Form des Spektrums und/oder der gemessenen Intensität von Linien kann ein Grad des Verschleißes der Bauteile bestimmt werden.
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Abhängig vom bestimmten Grad des Verschleißes, insbesondere bestimmt durch Vergleich der Messwerte mit vorgegebenen Schwellwerten, kann eine Restlebensdauer der Bauteile bestimmt werden und/oder eine Wartung kann veranlasst werden und/oder ein Austausch von Bauteilen und/oder des kompletten Hochspannungs-Schaltgerätes kann erfolgen.
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Über das optische Spektrum und/oder die Intensität von charakteristischen optischen Linien können Fremdkörper, insbesondere im Bereich des Lichtbogens, insbesondere Fremdkörper, welche durch mechanischen Verschleiß entstehen, bestimmt werden.
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Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Verwendung einer Vorrichtung zur Spektralanalyse in einem Hochspannungs-Schaltgerät, insbesondere in einem zuvor beschriebenen Hochspannungs-Schaltgerät, gemäß Anspruch 10 sind analog den zuvor beschriebenen Vorteilen des erfindungsgemäßen Hochspannungs-Schaltgeräts gemäß Anspruch 1 und umgekehrt.
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Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in der einzigen Figur dargestellt und nachfolgend näher beschrieben.
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Dabei zeigt die
- Figur schematisch in Schnittansicht ein erfindungsgemäßes Hochspannungs-Schaltgerät 1 mit einer Vorrichtung zur Spektralanalyse 8.
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In der einzigen Figur ist schematisch in Schnittansicht ein Hochspannungs-Schaltgerät 1 mit einer Vorrichtung zur Spektralanalyse 8 dargestellt. Das elektrische Hochspannungs-Schaltgerät 1, insbesondere ausgebildet als Hochspannungs-Leistungsschalter, umfasst ein erstes und ein zweites elektrisches Lichtbogen-Kontaktstück 5, 6, welche einander koaxial gegenüberstehend angeordnet sind. Weiterhin umfasst das elektrische Hochspannungs-Schaltgerät 1 zwei einander koaxial gegenüberstehend angeordnete Nennstrom-Kontaktstücke 3 und 4, welche jeweils ein Kontaktstück 5, 6 umgeben.
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Das Lichtbogen-Kontaktstück 6 ist als Bolzen ausgebildet und wird im Zuge einer Ausschaltbewegung in Richtung 13 angetrieben. Das Lichtbogen-Kontaktstück 5 ist als Tulpenkontaktstück ausgebildet und ist im Ausführungsbeispiel der Figur feststehend angeordnet. Während der Ausschaltbewegung brennt zwischen den Lichtbogen-Kontaktstücken 5 und 6 ein Lichtbogen 7, welcher das in seinem Einflussbereich befindliche Lösch- bzw. Isoliergas, z. B. SF6 aufheizt. Dieses Löschgas fließt zumindest teilweise durch einen Kanal, welcher zwischen dem Tulpen-Kontaktstück 6 und einer ersten Seite einer Isolierdüse bzw. Blasdüse 11 als Ummantelung ausgebildet wird. Das Löschgas fließt durch den Kanal in den Heizgasraum, wo es zunächst gespeichert wird und von wo es zum Lichtbogen 7 zurückfließt, sobald dort der Löschgasdruck absinkt. Dies ist normalerweise bei einem Stromnulldurchgang des zu schaltenden Stroms der Fall. Das zurückströmende Löschgas bebläst dann den Lichtbogen 7 und unterstützt die Löschung bzw. die dielektrische Wiederverfestigung der Schaltstrecke zwischen den Kontaktstücken 5 und 6.
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Um die Strömung des zum Lichtbogen 7 zurückströmenden Löschgases bezüglich Stärke und Richtung kontrollieren zu können, ist die Blasdüse 11 vorgesehen, die den Lichtbogen umgibt. Aufgrund der stark beschleunigten Bewegung des Lichtbogen-Kontaktstücks 5 in und aus der Blasdüse 11 heraus, mit z. B. Pendelbewegungen senkrecht zur Längsachse, und wegen der hohen im Bereich der Blasdüse 11 herrschenden Temperaturen und Gasdrücke, muss die Blasdüse 11 aus einem bezüglich mechanischem Abrieb und Temperaturen sowie Druck stabilen Material ausgebildet sein. Die Blasdüse 11 ist z. B. aus PTFE. Abrieb beim Schalten kann zur Bildung von Partikeln insbesondere aus PTFE führen, welche zum Teil im Lichtbogen verbrannt werden. Hohe Temperaturen und Drücke, insbesondere ein Plasma des Lichtbogens 7 im Inneren der Blasdüse 11, führen direkt zu einem Abbrand von Material der Blasdüse 11 und der Lichtbogen-Kontaktstücke 5 und 6.
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Die Blasdüse 11 ist in den Flansch eingeschraubt und/oder geklemmt, und kann dazu ein Gewinde und/oder eine Klemmeinrichtung aufweisen. Bei Ausführung mit einem Gewinde kann dieses in ein Innengewinde des Flansches eingreifen. Ein Stutzen ist von einer Seite her in die Blasdüse 11 hineingeschoben und stützt die Blasdüse 11 gegen radiale Verformungen von innen. Der Stutzen ist mit einem Flansch verbunden, der den Düsenkörper 11 radial überdeckt und mit dem zylindrischen Flansch mittels Schrauben verbunden ist. Hierdurch ist sichergestellt, dass der Stutzen nicht verdrehbar ist. Der Stutzen kann an seiner äußeren Mantelfläche eine Rändelung aufweisen, die in den Düsenkörper 11 eingepresst sein kann und gegen dessen innere Mantelfläche auf der einen Seite drückt. Dadurch kann eine Verdrehung der Blasdüse 11 im Gewinde verhindert werden. Das Hochspannungs-Schaltgerät 1 ist in einem Gehäuse 2, insbesondere Isolierstoffgehäuse, gasdicht eingeschlossen, damit kein Isolier- bzw. Schaltgas, z. B. SF6 in die Umwelt entweichen kann.
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Der Stutzen und der Flansch können aus Metall bestehen, beispielsweise Aluminium. Die Blasdüse 11 ist z. B. aus Kunststoff, Teflon, PTFE und/oder PCTFE. Kontakte 3, 4, 5, 6 sind vorteilhaft aus elektrisch gut leitenden Materialien ausgebildet, wie z. B. Metallen, insbesondere Stahl oder Kupfer.
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In der Figur ist die Blasdüse 11 in allgemeiner Form schematisch dargestellt. Weitere Formen sind möglich, insbesondere mit unterschiedlichen Innendurchmessern, um z. B. bei Kontaktierung der Lichtbogen-Kontakte 5 und 6 einen schnellen Druckaufbau im Heizgasraum, und mit steigender dielektrischer Belastung bei Annährung der Kontakte 5, 6 in einem Lichtbogenbereich 12, in welchem der Lichtbogen brennt, eine geringere Belastung der Blasdüse 11 zu erreichen. Bei Verwendung einer Einlaufschräge und/oder eines zylinderförmigen Bereichs zur zweiten Seite der Blasdüse 11 hin, kann beim Einführen des Kontaktes 5 in die Engstelle der Blasdüse 11 ein Verkanten und/oder ein starker Materialabrieb von der Blasdüse 11 durch den Kontakt 5 verhindert oder reduziert werden.
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Bei weiterer Annährung des Kontaktstücks 5 an das Kontaktstück 6 durchquert die Spitze des Kontaktstücks 5 mit dem Lichtbogen 7 den ersten Bereich des Kanals der Blasdüse 11, welcher einen größeren Durchmesser als der zweite Bereich des Kanals aufweist. Der größere Durchmesser ergibt einen größeren Abstand des Kontaktstücks 5 zum Isoliermaterial der Blasdüse 11, wodurch die mit Abnahme des Abstands der Kontaktstücke 5, 6 zunehmende dielektrische Belastung ausgeglichen bzw. verhindert werden kann. Weiterhin bewirkt der geringe Durchmesser im zweiten Bereich, welcher im Wesentlichen dem Durchmesser des Kontaktstücks 5 entspricht, dass das erhitzte Gas nicht in Richtung zweite, sondern in Richtung erster Seite der Blasdüse 11 strömt und somit in den Heizgasraum. Dabei erhöht sich weiter der Druck im Heizgasraum.
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Z. B. beim Nulldurchgang des Stroms nimmt der Lichtbogen 7 zwischen den angenäherten Kontaktstücken 5, 6 ab und der erhöhte Gasdruck im Heizgasraum führt zu einer Gasströmung im Kanal zwischen Kontakt 6 und Blasdüse 11 in Richtung zurück zum Lichtbogen 7. Dies bewirkt ein Ausblasen des Lichtbogens 7, der Lichtbogen 7 erlischt. Die Kontaktstücke 5, 6 werden elektrisch kontaktiert und verhindern bei Annäherung der Nennstrom-Kontaktstücke 3, 4 die Ausbildung von Lichtbögen. Ein elektrischer Kontakt zwischen den Nennstrom-Kontaktstücken 3, 4 kann ohne Schädigung der Nennstrom-Kontaktstücke 3, 4 durch Lichtbögen erfolgen. Bei elektrischer Kontaktunterbrechung ist der Prozess analog, nur in umgekehrter Richtung.
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Die Nennstrom-Kontaktstücke 3, 4 können getrennt werden ohne Lichtbogen bzw. Schädigung durch Lichtbögen. Die Lichtbogen-Kontaktstücke 5, 6 werden darauf folgend getrennt, wobei ein Lichtbogen 7 zwischen dem ersten und zweiten Kontaktstück 5, 6 entsteht. Der Bereich des Kanals der Blasdüse 11, mit im Wesentlichen gleichem Durchmesser wie das Kontaktstück 5, sorgt für ein Blocken eines Gasstroms in Richtung zweite Seite, wie zuvor beschrieben. Das Gas, welches durch den Lichtbogen 7 erhitzt wird und sich ausdehnt strömt in den Heizgasraum. Ein größerer Durchmesser des Kanals im ersten Bereich kann für einen größeren Abstand zwischen Kontaktstück 5 und Isoliermaterial der Blasdüse 11 in diesem Bereich sorgen, wodurch eine Schädigung des Materials durch den Lichtbogen verhindert bzw. verringert wird.
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Bei weiterer Bewegung des bolzenförmigen Kontaktstückes 5 vom tulpenförmigen Kontaktstück 6 weg, wird das bolzenförmige Kontaktstücke 5 aus dem Kanal geführt und im Weiteren kann es aus dem Bereich der zweiten Seite der Blasdüse 11 geführt werden. Beim Verlassen des zweiten Bereichs des Kanals durch das bolzenförmige Kontaktstück 5 wird die Blockade des Gasflusses in Richtung zweiter Seite aufgehoben. Das Gas kann in den Bereich in Richtung zweite Seite strömen, was durch den erhöhten Druck des Gases in dem Heizgasraum bewirkt wird, und das Gas bläst dabei den Lichtbogen 7 aus. Die elektrische Trennung der Kontakte 3, 4, 5, 6 ist abgeschlossen.
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Der Lichtbogen 7 brennt, wie zuvor beschrieben, zwischen den Lichtbogen-Kontaktstücken 5, 6 im leicht bis vollständig geöffneten Zustand. Der räumliche Bereich, in welchem sich der Lichtbogen ausbilden kann, ist im Weiteren mit Lichtbogenbereich 7 bezeichnet. Der Lichtbogen 7 entsteht bei hohen Spannungen, insbesondere bei bis zu 1200 kV, und bildet zwischen den Kontakten 5, 6 ein Plasma aus, über welches eine elektrische Leitung erfolgt. Der räumliche Bereich, in welchem das Plasma brennt, wird im Weiteren als Lichtbogen 7 bezeichnet. Mit im Bereich des Lichtbogens sind der Lichtbogen 7 selbst und/oder benachbarte Bereiche bezeichnet.
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Ein Lichtwellenleiter 9 wird z. B. zwischen den um den Umfang des Kontaktstücks 6 umlaufenden Spalt und der Blasdüse 11 eingeschoben. Aufgrund des geringen Durchmessers eines Lichtwellenleiters 9 im Millimeterbereich wird der Wesentliche Teil des Spalts für den Gasaustausch nicht blockiert. Alternativ kann in der Düse 11 eine durchgehende Bohrung von außen nach innen eingebracht sein, durch welche der Lichtwellenleiter 9 angeordnet wird, insbesondere eingeklebt oder geklemmt, mit der Spitze des Lichtwellenleiters 9 mit freier Sicht auf den Lichtbogen 7 bzw. im oder benachbart zum Lichtbogenbereich 12. Vorzugsweise wird der Lichtwellenleiter 9 an einem festen Kontaktstück 6 geführt. Alternativ oder zusätzlich kann der Lichtwellenleiter 9 auch z. B. an einem beweglichen Kontaktstück 5 geführt sein, insbesondere weil ein Glasfaserkabel als Lichtwellenleiter 9 eine hohe Biegsamkeit aufweist.
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Bei Ausführungsbeispielen, welche der Einfachheit halber nicht in der Figur dargestellt sind, z. B. ohne Düse, kann der Lichtwellenleiter 9 direkt in mechanischem Kontakt am Kontaktstück 5 und/oder 6 angeordnet bzw. befestigt sein. Der Lichtwellenleiter 9 kann auch z. B. an der Innenwandung des Gehäuses 2 angeordnet sein, insbesondere mit einem Ende bzw. einer Spitze im Bereich zwischen den Kontaktstücken 5, 6. Der Lichtwellenleiter 9 kann auch z. B. durch die Wandung von außen nach innen ins Gehäuse 2 geführt sein, z. B. durch eine Bohrung, insbesondere mit einem Ende bzw. einer Spitze im Bereich zwischen den Kontaktstücken 5, 6.
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Der Lichtwellenleiter 9 ist mit einem Spektrometer-Modul 10 verbunden, über welches ein Spektrum aufgenommen werden kann und/oder die Intensität über die Wellenlänge insbesondere zeitlich abhängig aufgenommen werden kann. Alternativ oder zusätzlich können einzelne Linien, d. h. einzelne Wellenlängen bezüglich der Lichtintensität zeitlich aufgenommen und/oder ausgewertet werden. Über das Spektrum und/oder die Intensität können chemische Reaktionen und Stoffe im Plasma, d. h. im Lichtbogen 7 bestimmt werden sowie deren zeitlicher Verlauf und/oder Stoffkonzentrationen. Dies erlaubt Rückschlüsse auf Abbrandprodukte, insbesondere auf Partikel und Gase im Bereich des Plasmas, welche verbrannt werden bzw. im Plasma bei hohen Temperaturen reagieren, sowie auf den Zustand von Teilen, insbesondere deren Beschädigung durch Abbrand. Die Intensität bestimmter Wellenlängen bzw. Linien, insbesondere über die Zeit summiert bzw. integriert, ergibt die Stoffe und Stoffmengen im Plasma, insbesondere über die Zeit aufsummiert. Daraus können Rückschlüsse über spezifischen Stoffabtrag an Teilen, z. B. der Blasdüse 11 und/oder den Kontakten 5, 6, gezogen werden und deren Abnutzung bestimmt werden.
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Ein Vergleich mit Simulationen oder Erfahrungswerten ermöglicht die Vorhersage bzw. Bestimmung von Fehlfunktionen, und damit den Zeitpunkt für eine notwendige Wartung und/oder einen Austausch von Teilen. Dadurch können Wartungsintervalle entsprechend den Messwerten der Vorrichtung zur Spektralanalyse 8, welche insbesondere den Lichtwellenleiter 9 und das Spektrometer-Modul 10 umfasst, angepasst werden, insbesondere verlängert werden, und es können Kosten und Personalaufwand gespart werden. Beim Erreichen kritischer Werte kann z. B. bei Überwachung der Messergebnisse von einer Zentrale über Personal oder insbesondere aus der Cloud über automatische Programme, eine Wartung und/oder ein Austausch von Teilen oder das komplette Ersetzen des Hochspannungs-Schaltgeräts 1 ausgelöst werden.
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Dazu können vom Hochspannungs-Schaltgeräts 1 Auswertungseinheiten und/oder Datenspeichereinheiten und/oder Datenübermittlungseinheiten umfasst sein, und insbesondere ein Internetanschluss und/oder ein Funk-, z. B. Mobilfunkanschluss vorgesehen sein. Dies ermöglicht die Verarbeitung, Speicherung und/oder den Transfer der Daten und eine insbesondere von den Messwerten der Vorrichtung zur Spektralanalyse 8 abhängige Steuerung oder Regelung, z. B. Abschaltung oder Strom-/Spannungsreduzierung, des Hochspannungs-Schaltgeräts 1.
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Das Spektrometer-Modul 10 kann im Gehäuse 2 angeordnet sein, insbesondere in einem Bereich mit ausreichend Bauraum. Alternativ oder Zusätzlich kann ein Spektrometer-Modul 10 außerhalb des Gehäuses 2 des Hochspannungs-Schaltgeräts 1 angeordnet sein, wobei der Lichtwellenleiter 9 durch das Gehäuse z. B. durch eine Bohrung insbesondere abgedichtet von innen nach außen geführt sein kann. Das Spektrometer-Modul 10 kann z. B. in einem Schalt- und/oder Steuerschrank des Hochspannungs-Schaltgeräts 1 angeordnet sein. Eine Anordnung des Spektrometer-Moduls 10 außerhalb des Gehäuses 2 ermöglicht eine einfache und kostengünstige Wartung und/oder Ablesung des Spektrometer-Moduls 10, schützt das Spektrometer-Modul 10 vor z. B. elektrischen Überschlägen im Gehäuse 2 und/oder vor hohen Drücken, Temperaturen und/oder Spannungen im Gehäuse 2.
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Die zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele können untereinander kombiniert werden und/oder können mit dem Stand der Technik kombiniert werden. So können z. B. Hochspannungs-Leistungsschalter als Hochspannungs-Schaltgeräte 1 verwendet werden, Trenner und/oder Erder. Schalt-Kontaktstücke, insbesondere Lichtbogen-Kontaktstücke 5 können aus Kupfer oder Stahl sein, insbesondere mit einer abbrandfesten Spitze z. B. aus Karbon. Es kann in einem Hochspannungs-Leistungsschalter ein bewegliches 3 und ein festes 4 Nennstrom-Kontaktstück verwendet werden oder z. B. zwei bewegliche Nennstrom-Kontaktstücke. Des Weiteren kann in einem Hochspannungs-Leistungsschalter ein bewegliches 3 und ein festes 6 Lichtbogen-Kontaktstück verwendet werden oder z. B. zwei bewegliche Lichtbogen-Kontaktstücke.
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Eine Vorrichtung zur Spektralanalyse 8 umfasst z. B. einen Lichtwellenleiter 9 und ein Spektrometer-Modul 10, wobei über den Lichtwellenleiter 9 nahe am oder im Lichtbogen 7 aufgenommene Strahlung, insbesondere Lichtstrahlung, über den Lichtwellenleiter 9 zum Spektrometer-Modul 10 transportiert werden kann und das Spektrum, die Intensität des Spektrums und/oder die Intensität von einzelnen Linien entfernt vom Lichtbogen 7 aufgenommen und ausgewertet, d. h. analysiert werden kann. Hohe Drücke und Temperaturen schädigen damit das Spektrometer-Modul 10 nicht und der Lichtwellenleiter 9 kann derart ausgeführt sein, dass dessen Spitze gegenüber hohen Drücken und Temperaturen resistent ist. Insbesondere eine Krümmung der Spitze kann die dauerhafte Adsorption von Schichten auf der Spitze des Lichtwellenleiters 9 verhindern, wodurch eine unverfälschte Aufnahme des Spektrums, der Intensität des Spektrums und/oder der Intensität von einzelnen Linien ermöglicht wird. Z. B. können Schichten, welche aus Produkten des Plasmas sich auf der Spitze absetzen, durch geeignete Wahl des Materials, z. B. speziellen Gläsern, und/oder des Krümmungsradius, insbesondere nach Erlöschen des Plasmas und Abkühlung der Spitze, abplatzen.
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Der Lichtwellenleiter 9 kann unterschiedlich angeordnet sein, z. B. am Gehäuse 2, an den Kontakten 3, 4, 5, 6, an der Düse 11 und/oder insbesondere nahe oder entfernt vom Lichtbogen 7 enden, mit freier Sicht zum Lichtbogen 7 oder zu Produkten, z. B. Abbauprodukten des Lichtbogens 7. Der Lichtwellenleiter 9 kann nachgeführt werden, z. B. bei Abbrand des Lichtwellenleiters 9 durch den Lichtbogen 7. Das Spektrometer-Modul 10 umfasst z. B. ein Spektrometer, welches Wellenlängen und/oder Intensitäten von Wellenlängen im sichtbaren Bereich, Infrarot und/oder UV Bereich messen kann. Bei Wellenlängen, welche durch Lichtwellenleiter nicht transportiert werden, kann das Spektrometer in Sichtkontakt, z. B. über ein Quarzglasfenster im Gehäuse 2 oder mit direktem Blick auf den Lichtbogen 7, angeordnet werden, ohne Lichtwellenleiter 9.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Hochspannungs-Schaltgerät, insbesondere Hochspannungs-Leistungsschalter
- 2
- Gehäuse, insbesondere Isolator
- 3
- bewegliches Nennstrom-Kontaktstück
- 4
- festes Nennstrom-Kontaktstück
- 5
- bewegliches Lichtbogen-Kontaktstück
- 6
- festes Lichtbogen-Kontaktstück
- 7
- Lichtbogen
- 8
- Vorrichtung zur Spektralanalyse
- 9
- Lichtwellenleiter
- 10
- Spektrometer-Modul
- 11
- Isolier- bzw. Blasdüse
- 12
- Lichtbogenbereich
- 13
- Bewegungsrichtung Ausschalten
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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