DE1108779B

DE1108779B - Switchgear

Info

Publication number: DE1108779B
Application number: DEW26804A
Authority: DE
Inventors: Daniel Berg; Thomas E Browne Jun
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1958-12-09
Filing date: 1959-11-30
Publication date: 1961-06-15
Also published as: JPS3511715B1

Description

Schaltgerät Ein Löschmittel in Schaltgeräten, insbesondere Leistungsschaltern, soll eine relativ hohe dielektrische Festigkeit sowohl vor als auch nach der Lichtbogenbeanspruchung aufweisen. Es soll ferner sehr schnell seine ursprüngliche gute elektrische Festigkeit sofort nach dem Ende der Lichtbogeneinwirkung wieder erreichen. Diese schnelle elektrische Verfestigung ist wesentlich für die Unterbrechung von Wechselströmen in stark induktiven Stromkreisen. Außerdem soll ein Löschmittel auch durch wiederholte Lichtbogenbeanspruchung über längere Zeit nicht wesentlich in seiner Löschfähigkeit oder seiner dielektrischen Festigkeit beeinträchtigt werden. Das Löschmittel soll ferner keine Zersetzungsprodukte bilden, die die Bauteile und insbesondere die Isolierteile des Leistungsschalters angreifen.Switching device An extinguishing agent in switching devices, especially circuit breakers, is said to have a relatively high dielectric strength both before and after arc exposure exhibit. It should also very quickly return to its original good electrical strength reach it again immediately after the end of the arc exposure. This fast electric Solidification is essential for the interruption of alternating currents in highly inductive Circuits. In addition, an extinguishing agent should also withstand repeated arcing not significantly in its erasability or its dielectric properties over a longer period of time Strength will be impaired. The extinguishing agent should also not have any decomposition products form the components and in particular the insulating parts of the circuit breaker attack.

Neben Flüssigkeiten, wie z. B. Mineralöl, haben sich auch gewisse Gase und Dämpfe als besonders wirksame Löschmittel und Isoliermittel gezeigt. Von diesen Gasen haben besonders eine Reihe fluorhaltiger Stoffe günstige Eigenschaften, insbesondere Schwefelhexafluorid (SF,) und Selenhexafluorid (SeF,;) sowie, wenn auch in geringem Maße, Stickstofftrifluorid (N F,). Auch einige kohlenstoffhaltige Fluorverbindungen, wie CCI.F2, das unter dem Handelsnamen)Treon 12« bekannt ist, und Propanfluorid (C,F,), haben Löscheigenschaften gezeigt, die denen der Luft oder anderer Gase weit überlegen sind. Kohlenstoffhaltige Fluorverbindungen geben jedoch freien Kohlenstoff oder Ruß ab, wenn sie dem Lichtbogen ausgesetzt sind. Der Ruß, der leitend ist, hat sehr nachteilige Auswirkungen auf die Isolation von Schaltgeräten, bei denen diese Gase verwendet werden. Deshalb sind solche Gase für den praktischen Gebrauch im allgemeinen ungeeignet.In addition to liquids such. B. mineral oil, certain gases and vapors have been shown to be particularly effective extinguishing agents and isolating agents. Of these gases, a number of fluorine-containing substances in particular have favorable properties, in particular sulfur hexafluoride (SF,) and selenium hexafluoride (SeF ,;) and, albeit to a lesser extent, nitrogen trifluoride (N F,). Some carbon-containing fluorine compounds, such as CCI.F2, which is known under the trade name "Treon 12", and propane fluoride (C, F,), have shown extinguishing properties that are far superior to those of air or other gases. However, carbon-containing fluorine compounds give off free carbon or soot when exposed to the arc. The soot, which is conductive, has very detrimental effects on the insulation of switchgear using these gases. Therefore, such gases are generally unsuitable for practical use.

Erfindungsgemäß wird die Schaltleistung von Schaltern, insbesondere Leistungssehaltem oder Sicherungen, durch die Verwendung von Trifluormethylschwefelpentafluoridgas (CF,SF5) wesentlich verbessert.According to the invention, the switching capacity of switches, in particular Power switches or fuses, through the use of trifluoromethylsulfur pentafluoride gas (CF, SF5) significantly improved.

Wie gefunden wurde, besitzt diese kohlenstoffhaltige Fluorverbindung, Trifluormethylschwefelpentafluorid (CF3SF,5), sehr bemerkenswerte Eigenschaften als Isoliermittel und Löschmittel in einem Leistungsschalter. Die dielektrische Festigkeit der Verbindung ist größer als die von SF, bei inhomogenen Feldern, wie sie gewöhnlich in Schaltgeräten vorliegen. Außerdem besitzt diese Verbindung den Vorteil, daß auch bei der Zersetzung durch den Lichtbogen der Kohlenstoff im wesentlichen in der Form einer trägen gasförinigen Verbindung, nämlich Tetrafluoridkohlenstoff (CF4), gebunden bleibt und keinen Ruß bildet, der die Isolierflächen beeinträchtigt.This carbon-containing fluorine compound, trifluoromethylsulfur pentafluoride (CF3SF, 5), has been found to have very remarkable properties as an isolating and extinguishing agent in a circuit breaker. The dielectric strength of the connection is greater than that of SF, with inhomogeneous fields such as are usually found in switching devices. In addition, this compound has the advantage that even when decomposed by the electric arc, the carbon remains bound essentially in the form of an inert gaseous compound, namely carbon tetrafluoride (CF4), and does not form any soot which would impair the insulating surfaces.

Zur Löschung soll das Trifluormethylschwefelpentafluorid mit geeigneten Mitteln gegen den Lichtbogen geblasen werden. Gemäß der weiteren Erfindung kann Trifluormethylschwefelpentafluorid auch in flüssiger Form als Löschflüssigkeit verwendet werden, um eine hohe Schaltleistung zu erreichen.To extinguish the trifluoromethylsulfur pentafluoride with suitable Means to be blown against the arc. According to the further invention can Trifluoromethylsulfur pentafluoride is also used in liquid form as an extinguishing liquid in order to achieve a high switching capacity.

Die Flüssigkeit kann in Form von einem oder mehreren Strahlen sowie als nebelähnlich verteilte Flüssigkeitstropfen in den Lichtbogen eingespritzt werden, um dessen Löschung zu bewirken.The liquid can be in the form of one or more jets as well are injected into the arc as droplets of liquid distributed like a mist, to cause its deletion.

Das Löschmittel kann ferner in an sich bekannter Weise unter erhöhtem Druck von beispielsweise 4 at verwendet werden. Es ist zur Verwendung in verschiedenen Schaltgeräten geeignet. Dabei kann es entweder allein oder im Gemisch mit anderen Gasen, wie z. B. Schwefelhexafluorid, Luft, Stickstoff, Wasserstoff, Argon, Helium und Kohlendioxyd, verwendet werden.The extinguishing agent can also be used in a known manner under increased Pressure of for example 4 at can be used. It is for use in various Switchgear suitable. It can either be used alone or in a mixture with others Gases such as B. sulfur hexafluoride, air, nitrogen, hydrogen, argon, helium and carbon dioxide can be used.

Als Beispiele für bekannte Schaltgeräte, bei denen Trifluormethylschwefelpentafluorid mit Vorteil verwendet werden kann, seien genannt: Schaltgeräte, bei denen das Löschgas mit Hilfe einer Düse, in der der Lichtbogen brennt, gegen den Lichtbogen geführt wird, Schaltgeräte, bei denen das Löschgas mit Hilfe einer aus Kolben und Zylinder bestehenden Kompressionseinrichtung gegen den Lichtbogen gedrückt wird, Sicherungen, bei denen der Stromkreis durch Durchbrennen eines Schmelzleiters in einer Atmosphäre von - Trifluormethylschwefelpentafluorid unterbrochen wird.Examples of known switching devices in which trifluoromethylsulfur pentafluoride can be used with advantage include: switching devices in which the extinguishing gas is guided against the arc using a nozzle in which the arc burns, switching devices in which the extinguishing gas is Compression device consisting of piston and cylinder is pressed against the arc, fuses in which the circuit is interrupted by burning a fusible conductor in an atmosphere of - trifluoromethylsulfur pentafluoride.

Zur Erläuterung der Erfindung ist in der Fig. 1 in einem Vertikalschnitt eine Versuchsanordnung dargestellt, mit der einige in Fig. 2 grafisch dargestellte Werte von Trifluormethylschwefelpentafluorid ermittelt wurden. Die Schaltstückanordnung ist in der Einschaltstellung dargestellt.To explain the invention, FIG. 1 shows in a vertical section a test arrangement with which some values of trifluoromethylsulfur pentafluoride shown graphically in FIG. 2 were determined. The contact arrangement is shown in the on position.

Die Fig. 1 zeigt einen Schalter mit einer ohne Zubehör ausgerüsteten Unterbrechungsstelle. Die Unterbrechungsstelle besteht lediglich aus einem feststehenden Schaltstück 56 und einem beweglichen Schaltstück 57. Die beiden Schaltstücke sind in einem Gehäuse 58 angeordnet, das Trifluormethylschwefelpentafluoridgas enthält. Ein Kolben 59 in einem Zylinder 60 ist über eine Isolierstoffkoppel mit dem beweglichen Schaltstück 57 verbunden und dient zur Betätigung des Schaltstückes. Durch eine Stopfdüse 61 wird die Einführungsstelle in das Gehäuse 58 gasdicht verschlossen. Zum Füllen dient ein Füllventil 62, durch das Trifluormethylschwefelpentafluorid zuströmen kann. Ein zweites Ventil 63 kann zum Entleeren des Gehäuses mit Hilfe des nicht dargestellten Vakaumsystems verwendet werden. Die Leitungsanschlüsse sind bei 65 und 64 angebracht. 1 shows a switch with an interruption point equipped without accessories. The interruption point consists only of a stationary contact piece 56 and a movable contact piece 57. The two contact pieces are arranged in a housing 58 which contains trifluoromethylsulfur pentafluoride gas. A piston 59 in a cylinder 60 is connected to the movable contact piece 57 via an insulating material coupling and is used to actuate the contact piece. The point of introduction into the housing 58 is closed in a gas-tight manner by a stuffing nozzle 61. A filling valve 62, through which trifluoromethylsulfur pentafluoride can flow, is used for filling. A second valve 63 can be used to empty the housing with the aid of the vacuum system, not shown. The line connections are made at 65 and 64.

Das Schaubild in Fig. 2 zeigt die bemerkenswerten Löscheigenschaften von Trifluormethylschwefelpentafluoridgas, dargestellt in Aff des abgeschalteten Stromes in Abhängigkeit von der Spannung des Stromkreises. Zum Vergleich ist eine Kurve der mit Luft erreichten Abschaltung eingezeichnet.The diagram in FIG. 2 shows the remarkable erasing properties of trifluoromethylsulfur pentafluoride gas, shown in Aff's switched off Current as a function of the voltage of the circuit. For comparison is one Curve of the shutdown achieved with air is shown.

Wie aus dem Schaubild ohne weiteres hervorgeht, werden wesentlich bessere Abschaltleistungen durch die Verwendung von Trifluormethylschwefelpentafluorid erreicht.As is readily apparent from the diagram, become essential better shutdown performance through the use of trifluoromethylsulfur pentafluoride achieved.

Da durch Lichtbogeneinwirkung aus dem Trifluormethylschwefelpentafluoridgas zeitweise Fluor frei werden kann, ist es unzweckmäßig, die Isolierstoffdüse oder andere Teile in der Nähe des Lichtbogens aus organischem Material, z. B. aus Hornfiber, herzustellen. Der aus dem Fiber bei Lichtbogeneinwirkung frei werdende Wasserstoff reagiert nämlich mit dem freien Fluor und bildet hochaggressive Fluorwasserstoffsäuren. Eine Lösung dieser Schwierigkeiten besteht darin, Isolierstoffe zu verwenden, die entweder Polytetrafluoräthylen, Polymonochlorotrifluo-.ä+,hylen oder Polyfluoräthylen-Fluorpropylenpolymere enthalten. Diese fluorierten Polymere haben sich als geeignetes Düsenmaterial sowie auch als Lichtbogenbarrieren erwiesen. Zum Beispiel werden bei dem Zylinder der Fig. 1, falls kein Porzellan verwendet werden soll, weil der Hauptteil des Zylinders58 der Einwirkung des Lichtbogens ausgesetzt ist, mit Vorteil fluorierte Polymere verwendet.Since fluorine can temporarily be released by the action of an arc from the trifluoromethylsulfur pentafluoride gas, it is inexpedient to use the insulating material nozzle or other parts in the vicinity of the arc made of organic material, e.g. B. made of horn fiber. The hydrogen released from the fiber when exposed to an arc reacts with the free fluorine and forms highly aggressive hydrofluoric acids. One solution to these difficulties is to use insulating materials that contain either polytetrafluoroethylene, polymonochlorotrifluo-.ä +, ethylene or polyfluoroethylene-fluoropropylene polymers. These fluorinated polymers have been found to be suitable nozzle materials as well as arc barriers. For example, in the case of the cylinder of Fig. 1, if porcelain is not to be used because the main part of the cylinder 58 is exposed to the action of the arc, fluorinated polymers are advantageously used.

Infolgedessen besteht die den Lichtbögen ausgesetzte Isolation in Leistungsschaltern mit Trifluormethylschwefelpentafluorid,:,as vorzugsweise als Ganzes oder an der Oberfläche aus einem festen Polymer, der aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Polytetrafluoräthylen und Polychlortrifluoräthylen besteht. Die Polymere haben die Einheitsformel wobei X ein Halogen, und zwar entweder Chlor oc Fluor bedeutet. Fluoräthylen-Fluorpropylenpolymt haben die Formel Trifluormethylschwefelpentafluorid (CF,SF,) ist ein farbloser, chemisch träger Stoff mit einem Siedepunkt von -20'C bei Atmosphärendruck. Bei +20'C beträgt sein Dampfdruck 4,3 at.As a result, the arcing insulation in circuit breakers with trifluoromethylsulfur pentafluoride,:, as preferably as a whole or on the surface, consists of a solid polymer selected from the group consisting of polytetrafluoroethylene and polychlorotrifluoroethylene. The polymers have the unit formula where X is a halogen, either chlorine or fluorine. Fluoroethylene-Fluorpropylenpolymt have the formula Trifluoromethylsulfur pentafluoride (CF, SF,) is a colorless, chemically inert substance with a boiling point of -20'C at atmospheric pressure. At + 20'C its vapor pressure is 4.3 at.

Wie gefunden wurde, besitzt C F, S F, bei einem Druck von 1 at ungefähr die 1,5fache elektrische Festigkeit von S F, bei 1 at in inhomogenen Feldern bei gleicher Beanspruchung. Zum Beispiel besitzt eine Funkenstrecke mit homogenem Feld und einem Ab- stand von 0,5 cm bei S F" von Atmosphärendruck eine Ansprechspannung von ungefähr 32 kV, wohingegen durch die Verwendung von CF,SF, unter sonst gleichen Bedingungen eine Ansprechspannung von 50kV erreicht wird. In ähnlicher Weise hat eine Funkenstrecke mit einem inhomogenen Feld und einem Abstand von 0,5cm, die von einem runden Stab von 1,587min Durchmesser gegenüber einer Platte gebildet wird, eine Ansprechspannung von 20 kV bei SF, von Atmosphärendruck und eine Festigkeit von 30kV bei CF,SF, bei Atmosphärendruck, gleichgültig ob die Stange positiv oder negativ ist. Ferner wurde gefunden, daß Mischungen von SF, und C F, S F, eine größere elektrische Festigkeit haben als reines SF, Die Herstellung von Trifluormethylschwefelpentafluoridgas ist beispielsweise in der USA.-Patentschrift 2 697 726 angegeben.As has been found, C F, S F, at a pressure of 1 at has approximately 1.5 times the electrical strength of SF, at 1 at in inhomogeneous fields with the same stress. For example, a spark gap with a homogeneous field and a distance of 0.5 cm at SF " from atmospheric pressure has a response voltage of approximately 32 kV, whereas using CF, SF, under otherwise identical conditions, a response voltage of 50 kV is achieved. Similarly, a spark gap with an inhomogeneous field and a distance of 0.5 cm, which is formed by a round rod with a diameter of 1.587 min opposite a plate, has a response voltage of 20 kV for SF, atmospheric pressure and a strength of 30 kV for CF. , SF, at atmospheric pressure, regardless of whether the rod is positive or negative.Furthermore, mixtures of SF, and CF, SF, have been found to have greater electrical strength than pure SF 2,697,726 stated.

Außerdem kann Trifluormethylschwefelpentafluorid mit Vorteil auch in Erdungsschaltern verwendet werden.In addition, trifluoromethylsulfur pentafluoride can also be used to advantage used in earthing switches.

Claims

PATENT CLAIMS: 1. Electrical switching device in which the arc is extinguished by a gaseous extinguishing agent, characterized in that the extinguishing agent consists of trifluoromethylsulfur pentafluoride (CF3SFj,) or contains trifluoromethylsulfur pentafluoride.

2. Electrical switching device according to Claiml, characterized in that the extinguishing gas is used in a manner known per se under increased pressure of, for example, about 4 at. 3. Electrical switching device according to claim 1, characterized in that the extinguishing gas is guided against the arc in a manner known per se with the aid of a nozzle in which the arc burns. 4. Electrical switching device according to claim], characterized in that the extinguishing gas is pressed against the arc in a manner known per se with the aid of a compression device consisting of a piston and cylinder. 5. Electrical switching device according to claim 1, characterized in that the extinguishing gas is supplied to the arc in liquefied form in a manner known per se. 6. Electrical switching device according to claim 1, characterized in that the insulating parts exposed to the arc are made of fluorinated polymers in a manner known per se. 7. Electrical switching device according to claim 6, characterized in that the insulating material consists of fluoroethylene-fluoropropylene polymers.