DE112013001981T5

DE112013001981T5 - Leistungsschalter

Info

Publication number: DE112013001981T5
Application number: DE112013001981.7T
Authority: DE
Inventors: Martin Seeger; Arthouros Iordanidis; Patrick Stoller; Benjamin Wüthrich
Original assignee: ABB Technology AG
Current assignee: Hitachi Energy Ltd
Priority date: 2012-04-11
Filing date: 2013-04-10
Publication date: 2015-03-12
Also published as: DE112013002015T5; US20150021297A1; CN104488058B; WO2013153110A1; CN104488058A; WO2013153112A1; US9431199B2

Abstract

Leistungsschalter, aufweisend zwei Kontakte (1, 2), eine Druckkammer (5), eine Düsenanordnung (6), die dazu gestaltet ist, einen Lichtbogen (8) in einer Löschregion (3) zu beblasen, wobei ein engster Durchgang eines Druckkammer-Auslasskanals (71), den ausströmendes Löschgas (4) passiert, eine Druckkammer-Auslassbegrenzungsfläche Apc definiert, ein engster Durchgang eines Düsenkanals (63), den ausströmendes Löschgas (4) passiert, eine Düsen-Auslassbegrenzungsfläche An definiert, wobei die kleinere Fläche davon eine absolute Auslassbegrenzungsfläche A definiert, wobei Löschgas (4) ein geringeres globales Erwärmungspotenzial als jenes von SF6 über einen Zeitraum von 100 Jahren hat; wobei das Verhältnis von der Druckkammer-Auslassbegrenzungsfläche Apc zur Düsen-Auslassbegrenzungsfläche An unter 1,1:1 liegt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Leistungsschalter nach Anspruch 1.
In herkömmlichen Hochspannungsleistungsschaltern wird der Lichtbogen, der während eines Stromabschaltvorgangs gebildet wird, normalerweise mit Schwefelhexafluorid (SF₆) als Löschgas ausgelöscht. SF₆ ist für seine hohe Spannungsfestigkeit und thermische Unterbrechungsfähigkeit bekannt. Unter Druck gesetztes SF₆ ist auch bei den typischen minimalen Betriebstemperaturen eines Leistungsschalters gasförmig, nicht toxisch und nicht brennbar. Obwohl SF₆ sich während der Auslöschung des Lichtbogens zersetzen könnte, vereint sich ein wesentlicher Bruchteil des zersetzten SF₆ wieder, was weiter zur Eignung von SF₆ als Löschgas beiträgt.
SF₆ könnte jedoch einige Auswirkungen auf die Umwelt haben, wenn es in die Atmosphäre freigesetzt wird, insbesondere wegen seines relativ hohen globalen Erwärmungspotenzials (GWP) und seiner relativ langen Lebensdauer in der Atmosphäre.
Das GWP ist ein relatives Maß, wie viel Wärme ein Treibhausgas in der Atmosphäre einfängt. Es vergleicht die Wärmemenge, die von einer bestimmten Masse des fraglichen Gases eingefangen wird, mit der Wärmemenge, die von einer ähnlichen Masse Kohlendioxid eingefangen wird. Ein GWP wird über ein bestimmtes Zeitintervall, für gewöhnlich 20, 100 oder 500 Jahre berechnet. Es wird als ein Faktor von Kohlendioxid (CO₂) angegeben, dessen GWP auf 1 standardisiert ist.
Bisher wurde das relativ hohe GWP von SF₆ durch eine strenge Gasleckkontrolle und durch sehr sorgfältige Gashandhabung bewältigt. Dennoch besteht ein anhaltendes Bestreben zur Entwicklung alternativer Löschgase.
Ein besonders interessanter Kandidat als Ersatz für SF₆ als Löschgas ist CO₂. CO₂ ist leicht verfügbar, nicht toxisch und nicht brennbar. Wie erwähnt, hat CO₂ auch ein sehr geringes GWP von 1. In der Menge, die für einen Leistungsschalter verwendet wird, hat es somit keine Auswirkung auf die Umwelt.
In US 7,816,618 ist z. B. ein Leistungsschalter beschrieben, der CO₂ als Lichtbogenauslöschgas (d. h. Löschgas) verwendet, um seine Auswirkung auf die globale Erwärmung einzuschränken. Ferner schlägt EP-A-2284854 ein gemischtes Gas vor, das vorwiegend CO₂ und CH₄ als Lichtbogenlöschmedium aufweist.
Gemäß US 7,816,618 ist die Lichtbogenauslöschfähigkeit von CO₂ jedoch schlechter als jene von SF₆. In einem Leistungsschalter herkömmlicher Gestaltung wird daher häufig keine ausreichende Unterbrechungsleistung erreicht, wenn CO₂ als Löschgas verwendet wird. Dies gilt insbesondere für relativ hohe Kurzschlussstrom- und Spannungs-Tragfähigkeiten.
Zum Beispiel wurde die Verwendung von CO₂ in einem herkömmlichen Leistungsschalter von H. Knobloch, ”The comparison of arc-extinguishing capability of sulphur hexafluoride (SF₆) with alternative gases in high-voltage circuit breakers”, Gaseous Dielectric VIII, herausgegeben von Christophorou und Olthoff, Plenum Press, New York, 1998, und von F. Baberis et al., ”Prove di interruzione su interruttori commerciali in gas (MT) con l'utilizzo di miscele SF6-free”, CESI Report L17918, beschrieben. Laut der erstgenannten Veröffentlichung führte die Verwendung von CO₂ anstelle von SF₆ zu einer großen Verringerung in der Unterbrechungsleistung. Laut der letztgenannten Veröffentlichung, die auf Anwendungen mittlerer Spannung gerichtet ist, musste ein sehr hoher CO₂-Fülldruck von 10 Bar (anstatt 3,4 Bar für SF₆) verwendet werden, um dieselbe Leistung wie mit SF₆ zu erreichen, wodurch die Gestaltung der Isolatoren und des Leistungsschalters komplexer wurde. Eine Erhöhung des Fülldrucks eines Hochspannungsleistungsschalters um einen ähnlichen Faktor würde eine noch komplexere und kostenintensive Neugestaltung des Hochspannungsleistungsschalters bedeuten. Selbst wenn ein sehr hoher Fülldruck von CO₂ in einem Hochspannungsleistungsschalter bereitgestellt wird, würde dies nicht unbedingt zu einer Spannungsfestigkeit gleich jener eines vergleichbaren SF₆-Leistungsschalters führen, da die Spannungsfestigkeit eines bestimmten Gases über einem gewissen Druck nicht mehr steigt.
Angesichts der Nachteile des Standes der Technik ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung die Bereitstellung eines Leistungsschalters mit einer unkomplizierten Gestaltung, die eine sehr effiziente Verwendung des Löschgases ermöglicht. Insbesondere sollte der Leistungsschalter eine ausreichende Unterbrechungsleistung ermöglichen, auch wenn ein Löschgas mit einem geringeren GWP als SF₆ verwendet wird. Schließlich soll die vorliegende Erfindung somit einen höheren maximalen Kurzschlussstrom für einen Nicht-SF₆-Leistungsschalter, insbesondere einen Leistungsschalter, der CO₂ verwendet, ermöglichen.
Das Problem der vorliegenden Erfindung wird durch den Leistungsschalter nach Anspruch 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angeführt.
Nach Anspruch 1 betrifft die vorliegende Erfindung somit einen Leistungsschalter, aufweisend:
mindestens zwei Kontakte, die in Bezug zueinander beweglich sind und eine Löschregion definieren, in der ein Lichtbogen während eines Stromabschaltvorgangs gebildet wird,
eine Druckbeaufschlagungskammer oder Druckkammer, die so gestaltet ist, dass ein darin enthaltenes Löschgas, während eines Stromabschaltvorgangs unter Druck gesetzt wird, und
eine Düsenanordnung, die dazu gestaltet ist, einen Lichtbogen mit Hilfe des Löschgases, das aus der Druckkammer ausströmt, in der Löschregion zu beblasen.
Die Düsenanordnung weist mindestens eine Düse auf, die einen Düsenkanal oder ein Düsenengnis definiert, der oder das während eines Stromabschaltvorgangs durch einen Druckkammer-Auslasskanal mit der Druckkammer verbunden ist. Wie in der Folge besprochen wird, bildet der Druckkammer-Auslasskanal typischerweise auch den Zuflusskanal, durch den Gas während der Rückaufheizung (zumindest in dem Fall, wo der sogenannte Selbstblaseffekt vorhanden ist) in die Druckkammer strömt.
Der engste Durchgang des Druckkammer-Auslasskanals, den das ausströmende Löschgas passiert, definiert eine Druckkammer-Auslassbegrenzungsfläche A_pc, und der engste Durchgang des Düsenkanals, den das ausströmende Löschgas passiert, definiert eine Düsen-Auslassbegrenzungsfläche A_n. Die kleinere Fläche von der Druckkammer-Auslassbegrenzungsfläche A_pc und der Düsen-Auslassbegrenzungsfläche A_n definiert eine absolute Auslassbegrenzungsfläche A.
Der Leistungsschalter der vorliegenden Erfindung ist nun dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von der Druckkammer-Auslassbegrenzungsfläche A_pc zur Düsen-Auslassbegrenzungsfläche A_n unter 1,1:1 liegt.
Vorzugsweise liegt das Verhältnis von der Druckkammer-Auslassbegrenzungsfläche A_pc zur Düsen-Auslassbegrenzungsfläche A_n im Bereich von 0,2:1 bis 0,9:1, besonders bevorzugt von 0,4:1 bis 0,8:1.
Es wurde herausgefunden, dass durch das spezielle Verhältnis gemäß der vorliegenden Erfindung die Unterbrechungsleistung des Leistungsschalters verbessert werden kann.
Diese Erkenntnis ist äußerst überraschend, da herkömmliche Gestaltungen für gewöhnlich einen höheren Wert für das Verhältnis verwenden, um die Bildung von Schockwellen in dem Gasstrom zu vermeiden, der im Druckkammer-Auslasskanal vorhanden ist, siehe zum Beispiel die Referenz C. M. Franck et al., ”Application of High Current and Current Zero Simulations of High-Voltage Circuit Breakers”, Contrib. Plasma Phys. 46, Nr. 10, 787–797 (2006).
Die absolute Auslassbegrenzungsfläche A kann durch den Düsenkanal oder das Düsenengnis definiert sein und kann alternativ durch den Druckkammer-Auslasskanal definiert sein. In beiden Fällen bezeichnet die jeweilige Auslassbegrenzungsfläche den kleinsten Durchgang des gesamten verfügbaren Auslasspfades. Wenn somit der Düsenkanal zwei Auslässe aufweist, durch die das Löschgas ausströmen kann, ist die Düsen-Auslassbegrenzungsfläche gleich der Summe des engsten Durchgangs der zwei Auslässe. Analog, wenn der Düsenkanal aus mehr als einem (Teil-)Kanal besteht, ist die Düsen-Auslassbegrenzungsfläche A_n gleich der Summe des engsten Durchgangs jedes der Teilkanäle. Dasselbe gilt für den Druckkammer-Auslasskanal.
Der Begriff ”Kanal” wie im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung verwendet, ist allgemein zu verstehen, einschließlich jedes Kanalsystems, durch das das Löschgas strömen kann. Insbesondere betrifft er auch Kanäle, die Teilkanäle und/oder Abzweigungen aufweisen.
Es ist klar, dass der Begriff ”Löschgas” in Verbindung mit der vorliegenden Anmeldung sowohl ein Gas einer Verbindung oder eines Gemisches von Verbindungen umfasst.
Obwohl es möglich ist, z. B. für Anwendungen mittlerer Spannung, dass nur eine Düse mit einem Düsenauslass bereitgestellt ist, weist die Düsenanordnung im Allgemeinen eine Isolierdüse auf, die einen Isolierdüsenkanal definiert, der einen ersten Abschnitt des Düsenkanals bildet, wobei der engste Durchgang des Isolierdüsenkanals eine Isolierdüsen-Auslassbegrenzungsfläche A_ni definiert, und eine Hilfsdüse, die einen Hilfsdüsenkanal definiert, der einen zweiten Abschnitt des Düsenkanals bildet und koaxial zum Isolierdüsenkanal verläuft, wobei der engste Durchgang des Hilfsdüsenkanals eine Hilfsdüsen-Auslassbegrenzungsfläche A_na definiert. Dadurch ist die Düsen-Auslassbegrenzungsfläche A_n gleich der Summe von A_ni und A_na.
Gemäß einer Ausführungsform ist die absolute Auslassbegrenzungsfläche A gleich der Düsen-Auslassbegrenzungsfläche A_n. Mit anderen Worten, der engste Durchgang des Kanalsystems, den das Löschgas passiert, befindet sich in dieser Ausführungsform im Düsenkanal. Wenn die Düsenanordnung eine Isolierdüse und eine Hilfsdüse aufweist, ist die absolute Auslassbegrenzungsfläche A in dieser Ausführungsform gleich der Summe der Isolierdüsen-Auslassbegrenzungsfläche A_ni und der Hilfsdüsen-Auslassbegrenzungsfläche A_na.
So beziehen sich, wenn die Düsenanordnung eine Isolierdüse und eine Hilfsdüse aufweist, die genannten Bereiche, die oben angegeben sind (das heißt weniger als 1,1:1, bevorzugt von 0,2:1 bis 0,9:1, insbesondere bevorzugt von 0,4:1–0,8:1), auf das Verhältnis der Druckkammer-Auslassbegrenzungsfläche A_pc zur Summe der Isolierdüsen-Auslassbegrenzungsfläche A_ni und der Hilfsdüsen-Auslassbegrenzungsfläche A_na, d. h. A_n = A_ni + A_na.
Wie erwähnt kann sich der engste Durchgang des Kanalsystems alternativ im Druckkammer-Auslasskanal befinden.
Wenn sich die absolute Auslassbegrenzungsfläche A im Druckkammer-Auslasskanal befindet, befindet sie sich vorzugsweise nahe der Öffnung (auch als ”Heizspalt” bezeichnet) des Druckkammer-Auslasskanals (auch als ”Heizkanal” bezeichnet) in dem Düsenkanal oder Düsenengnis.
In einer Ausführungsform verläuft zumindest der Teilabschnitt des Druckkammer-Auslasskanals, der sich nach außen in den Düsenkanal oder das Düsenengnis öffnet, senkrecht zur Richtung des Düsenkanals. In einer anderen Ausführungsform verläuft zumindest der Teilabschnitt des Druckkammer-Auslasskanals, der sich nach außen in den Düsenkanal öffnet, in einem Winkel, der sich von 90° unterscheidet, zur Richtung des Düsenkanals.
Da die Fläche der Druckkammer-Auslassbegrenzungsfläche die druckverminderte thermische Unterbrechungsleistung nicht beeinflusst, wird eine wesentliche Gesamtverbesserung der thermischen Unterbrechungsleistung durch diese Ausführungsform erreicht.
Im Falle von Selbstblas-Leistungsschaltern wird der Spitzendruckaufbau durch Verringern der Druckkammer-Auslassbegrenzungsfläche gegenüber jenem geringfügig beeinträchtigt, der in den oben genannten herkömmlichen Gestaltungen auftritt. Ein Einstellen des Verhältnisses der Druckkammer-Auslassbegrenzungsfläche A_pc zur Düsen-Auslassbegrenzungsfläche A_n auf einen Wert innerhalb des obenstehenden Bereichs ist für Hochstromanwendungen besonders vorteilhaft, wie T100a, wo höhere Ausblasdrücke nicht erforderlich sind und zu hohe Spitzendrücke Komponenten des Leistungsschalters beschädigen können.
Gemäß einer sehr unkomplizierten und somit bevorzugten Ausführungsform wird der Druckkammer-Auslasskanal durch einen Spalt zwischen der Isolierdüse und der Hilfsdüse gebildet.
Im Allgemeinen hat der Düsenkanal die Form eines kreisförmigen Zylinders. Vorzugsweise hat der engste Durchgang des Düsenkanals, d. h. die Düsen-Auslassbegrenzungsfläche A_n, einen kreisförmigen Querschnitt, der durch einen Radius r_n definiert ist, der im Bereich von 5 mm bis 30 mm liegt. Es ist klar, dass, wenn die Düsenanordnung eine Isolierdüse und eine Hilfsdüse aufweist, die oben stehende Form und der Radius sich auf die Isolierdüsen-Auslassbegrenzungsfläche A_ni und die Hilfsdüsen-Auslassbegrenzungsfläche A_na beziehen.
Die Druckkammer-Auslasskanalöffnung, mit der sich der Druckkammer-Auslasskanal nach außen in den Düsenkanal öffnet, kann sowohl die Form von mehreren Löchern aufweisen wie auch durch einen Umfangsspalt gebildet werden.
Vorzugsweise sind die Ränder der Druckkammer-Auslasskanalöffnung abgerundet. Dabei ist besonders bevorzugt, dass die Krümmung der abgerundeten Ränder durch einen Radius r_hco definiert ist, wobei das Verhältnis von r_hco zu r_n im Bereich von 0,1:1 bis 2:1, vorzugsweise von 0,2:1 bis 2:1, bevorzugter von 0,2:1 bis 1:1, noch bevorzugter von 0,4:1 bis 1:1 und besonders bevorzugt von 0,4:1 bis 0,8:1 liegt.
Bevorzugter liegt r_hco im Bereich von etwa 5 mm bis etwa 10 mm. Somit wird ein überschüssiger Druckabfall im Druckkammer-Auslasskanal vermieden, selbst wenn dieser verglichen mit herkömmlichen, oben gennanten Gestaltungen verringert ist.
Der Leistungsschalter kann sowohl Leistungsschalter der Pufferart wie auch der Selbstblasart oder eine Kombination beider Arten aufweisen.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Druckkammer ein Heizraum oder ein Heizvolumen oder weist diesen bzw. dieses auf, in dem das Löschgas durch den Selbstblas- oder Rückaufheizungseffekt oder Rückheizeffekt unter Druck gesetzt wird, der durch die Wärme des in der Löschregion gebildeten Lichtbogens und durch das Abtragen von Material aus der Düse erzeugt wird. In dieser Ausführungsform bildet der Druckkammer-Auslasskanal einen Heizraum-Auslasskanal (auch als ”Heizkanal” bezeichnet), der sich in den Düsenkanal oder in das Düsenengnis öffnet.
Alternativ oder zusätzlich kann die Druckkammer ein Kompressionsraum sein oder diesen aufweisen, dem eine Kompressionsvorrichtung zugeordnet ist, wobei die Kompressionsvorrichtung einen Kolben aufweist, der mit mindestens einem der Kontakte verbunden ist.
Die Vorteile der vorliegenden Erfindung sind von besonderer Relevanz, wenn der Leistungsschalter ein Hochspannungsleistungsschalter ist. Der Leistungsschalter ist jedoch nicht auf irgendwelche Spannungsspezifikationen beschränkt und umfasst insbesondere auch Leistungsschalter mittlerer Spannung. Insbesondere werden gute Lichtbogenlöscheigenschaften mit Löschgasen mit geringerem GWP erreicht.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erfüllt der Leistungsschalter die folgende Dimensionierungsgleichung: V/A = k·c_sound(T = 300 K), wobei V das Gesamtvolumen der Druckkammer in Kubikmetern ist, A die absolute Auslassbegrenzungsfläche in Quadratmetern ist, c_sound(T = 300 K) die Schallgeschwindigkeit in Metern pro Sekunde des Löschgases bei 300 K ist und k im Bereich von 0,005 Sekunden bis 0,025 Sekunden liegt,
wobei das Löschgas ein globales Erwärmungspotenzial GWP hat, das über einen Zeitraum von 100 Jahren kleiner als jenes von SF₆ ist. Das Löschgas, das gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird, hat somit ein globales Erwärmungspotenzial von kleiner als 22'800 über einen Zeitraum von 100 Jahren.
In der Dimensionierungsgleichung stellt k die Ausströmungszeitkonstante des Löschgases dar. Somit ist es ein Maß der exponentiellen Druckabnahme in der Druckkammer im Laufe der Zeit.
Dadurch, dass die spezifische Dimensionierungsgleichung erfüllt wird, stellt der Leistungsschalter gemäß der vorliegenden Ausführungsform einen ausreichenden Druck in der Druckkammer und somit einen ausreichenden Ausblasdruck bei Strom Null bereit, was für die Unterbrechung entscheidend ist, auch wenn die Schallgeschwindigkeit des Löschgases relativ hoch ist. Falls das Löschgas eine Gasmischung ist, ist die relevante Schallgeschwindigkeit diejenige der Gasmischung.
Somit stellt, obwohl ein Löschgas mit einem niedrigeren globalen Erwärmungspotential als SF₆ – insbesondere CO₂ oder eine Mischung aus CO₂ und O₂ – verwendet wird, der Leistungsschalter dennoch ausreichende Unterbrechungsleistung bereit.
Insbesondere kann ein ausreichender Ausblasdruck bei Strom Null erreicht werden, auch wenn ein Löschgas mit einer Schallgeschwindigkeit um einen Faktor von 1,2 oder mehr über der von SF₆ liegenden verwendet wird – was auch der Fall bei CO₂ oder einer CO₂/O₂-Gasmischung ist. Somit wird das Problem, dass ein Löschgas mit einer höheren Schallgeschwindigkeit theoretisch schneller aus der Druckkammer strömt (und der benötigte Ausblasdruck nicht aufrechterhalten werden kann), effizient durch der vorliegenden Erfindung gelöst, und insbesondere durch die Ausführungsformen, die die oben erwähnte spezifische Dimensionierungsgleichung erfüllen.
Erfüllen der Dimensionierungsgleichung ist nicht nur vorteilhaft mit Bezug auf einen Abstandskurzschluss mit seiner hohen Forderung bezüglich thermischer Unterbrechungsleistung, sondern auch im Fall von niedrigen Anschlussfehlerströmen wie T10, oder phasenverschobenem Stromschalten, oder Schalten induktiver Lasten, die von einem Anstieg im Druckaufbau und letztlich von einem Anstieg im lastfreien Ausblasdruck Nutzen ziehen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist das Löschgas mindestens eine Gaskomponente auf, die ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus CO₂, O₂, N₂, H₂, Luft und einer perfluorierten oder teilweise hydrierten organische Fluorverbindung und Gemischen davon. Ebenso kann das Löschgas Stickoxid (N₂O) und/oder einen Kohlenwasserstoff, insbesondere ein Alkan, ganz besonders Methan (CH₄), wie auch Gemische davon mit mindestens einer Komponente der oben genannten Gruppe aufweisen.
Es ist klar, dass für die bevorzugte Ausführungsform, in der ein Löschgas mit einer um einen Faktor von 1,2 höheren Schallgeschwindigkeit als jener von SF₆ verwendet wird, auch ein Gasgemisch, das eine Komponente mit geringerer Schallgeschwindigkeit aufweist, verwendet werden kann, solange das Gasgemisch die genannte Anforderung erfüllt, d. h. eine um einen Faktor von 1,2 höhere Schallgeschwindigkeit als jene von SF₆.
Dabei ist besonders bevorzugt, dass das Löschgas CO₂ oder ein Gemisch von CO₂ und O₂ aufweist oder im Wesentlichen daraus besteht. Wie erwähnt, ist CO₂ leicht verfügbar, nicht toxisch, nicht brennbar und hat – in der Menge, die für einen Leistungsschalter verwendet wird – keine Auswirkung auf die Umwelt. Dasselbe gilt für O₂.
Ein Gemisch aus CO₂ und O₂ ist besonders bevorzugt. In dieser Hinsicht ist es bevorzugt, dass das Verhältnis der molaren Fraktion von CO₂ zur molaren Fraktion von O₂ im Bereich von 98:2 bis 80:20 liegt, da das Vorhandensein von O₂ in den jeweiligen Mengen das Verhindern einer Rußbildung ermöglicht.
Bevorzugter ist das Verhältnis der molaren Fraktion von CO₂ zur molaren Fraktion von O₂ im Bereich von 95:5 bis 85:15, noch bevorzugter von 92:8 bis 87:13 und ist besonders bevorzugt etwa 89:11. In dieser Hinsicht wurde einerseits festgestellt, dass O₂, das in einer molaren Fraktion von mindestens 5% vorhanden ist, ermöglicht, die Bildung von Ruß selbst nach wiederholten Stromunterbrechungsereignissen mit hoher StromLichtbogenbildung zu verhindern. Andererseits verringert O₂, das in einer molaren Fraktion von höchstens 15% vorhanden ist, das Risiko einer Verschlechterung des Leistungsschaltermaterials durch Oxidation.
Wenn das Löschgas eine organische Fluorverbindung aufweist, kann eine solche organische Fluorverbindung ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus: einem Fluorkohlenstoff, einem Fluoräther, einem Fluoramin und einem Fluorketon und ist vorzugsweise ein Fluorketon und/oder ein Fluoräther, bevorzugter ein Perfluorketon und/oder ein Hydrofluoräther, besonders bevorzugt ein Perfluorketon mit 4 bis 12 Kohlenstoffatomen.
Hierin beziehen sich die Begriffe ”Fluoräther”, ”Fluoramin” und ”Fluorketon” auf zumindest teilweise fluorierte Verbindungen. Insbesondere umfasst der Begriff ”Fluoräther” sowohl Hydrofluoräther wie auch Perfluoräther, der Begriff ”Fluoramin” umfasst sowohl Hydrofluoramine wie auch Perfluoramine und der Begriff ”Fluorketon” umfasst sowohl Hydrofluorketone wie auch Perfluorketone.
Dabei ist bevorzugt, dass der Fluorkohlenstoff, der Fluoräther, das Fluoramin und das Fluorketon vollständig fluoriert sind, d. h. perfluoriert. In der Regel fehlt den Verbindungen vorzugsweise jeglicher Wasserstoff, der – insbesondere angesichts der möglichen Nebenprodukte, wie Fluorwasserstoff, der durch Zersetzung erzeugt wird – allgemein in Leistungsschaltern als unerwünscht angesehen wird.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist das Löschgas als organische Fluorverbindung ein Fluorketon oder ein Gemisch aus Fluorketonen auf, insbesondere ein Fluormonoketon, und vorzugsweise ein Fluormonoketon mit 4 bis 12 Kohlenstoffatomen.
Es hat sich kürzlich gezeigt, dass Fluorketone ausgezeichnete dielektrische Isoliereigenschaften haben. Es hat sich auch gezeigt, dass sie ausgezeichnete Unterbrechungseigenschaften haben.
Der Begriff ”Fluorketon”, wie in Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung verwendet, soll breit interpretiert werden und soll sowohl Perfluorketone wie auch Hydrofluorketone umfassen. Der Begriff soll auch sowohl gesättigte Verbindungen wie auch ungesättigte Verbindungen umfassen, einschließlich Doppel- und/oder Dreifachbindungen zwischen Kohlenstoffatomen. Die zumindest teilweise fluorierte Alkylkette der Fluorketone kann linear oder verzweigt sein und kann optional einen Ring bilden.
Der Begriff ”Fluorketon” soll Verbindungen umfassen, die Heteroatome in der Kette aufweisen können. In beispielhaften Ausführungsformen soll das Fluorketon kein Heteroatom in der Kette haben.
Der Begriff ”Fluorketon” soll auch Fluordiketone mit zwei Carbonylgruppen oder Fluorketone mit mehr als zwei Carbonylgruppen umfassen. In beispielhaften Ausführungsformen soll das Fluorketon ein Fluormonoketon sein.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das Fluorketon ein Perfluorketon. Es ist bevorzugt, dass das Fluorketon eine verzweigte Alkylkette hat. Es ist auch bevorzugt, dass das Fluorketon vollständig gesättigt ist.
In Bezug auf die Ausströmungszeitkonstante des Löschgases, liegt k vorzugsweise im Bereich von 0,007 Sekunden bis 0,025 Sekunden, bevorzugter von 0,008 Sekunden bis 0,025 Sekunden, noch bevorzugter von 0,009 Sekunden bis 0,025 Sekunden, noch weiter bevorzugter von 0,010 Sekunden bis 0,025 Sekunden, und ist besonders bevorzugt 0,010 Sekunden bis 0,015 Sekunden.
Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung somit auch ein Verfahren zum Anpassen eines SF₆-Leistungsschalters, der zur Verwendung von SF₆ als Löschgas gestaltet ist, an die Verwendung eines alternativen Löschgases mit einem globalen Erwärmungspotenzial, das über einen Zeitraum von 100 Jahren geringer als SF₆ ist, wobei der Leistungsschalter aufweist:
mindestens zwei Kontakte, die in Bezug zueinander beweglich sind und eine Löschregion definieren, in der ein Lichtbogen während eines Stromabschaltvorgangs gebildet wird,
eine Druckkammer, die so gestaltet ist, dass ein darin enthaltenes Löschgas, während eines Stromabschaltvorgangs mit Druck beaufschlagt wird, und
eine Düsenanordnung, die dazu gestaltet ist, in der Löschregion einen Lichtbogen mit Hilfe des Löschgases zu beblasen, das aus der Druckkammer strömt, wobei die Düsenanordnung mindestens eine Düse aufweist, die einen Düsenkanal oder ein Düsenengnis definiert, der oder das während eines Stromabschaltvorgangs durch einen Druckkammer-Auslasskanal mit der Druckkammer verbunden ist, wobei der engste Durchgang des Druckkammer-Auslasskanals, den das ausströmende Löschgas passiert, eine Druckkammer-Auslassbegrenzungsfläche A_pc definiert, und der engste Durchgang des Düsenkanals, den das ausströmende Löschgas passiert, eine Düsen-Auslassbegrenzungsfläche A_n definiert, wobei die kleinere Fläche davon eine absolute Auslassbegrenzungsfläche A definiert.
Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass es die Schritte aufweist:
Bestimmen der Schallgeschwindigkeit c_sound(T = 300 K) des alternativen Löschgases bei 300 K;
Anpassen des Gesamtvolumens V der Druckkammer und/oder der absoluten Auslassbegrenzungsfläche A, so dass die folgende Dimensionierungsgleichung erfüllt ist:
V/A = k·c_sound(T = 300 K), wobei k im Bereich von 0,005 Sekunden bis 0,025 Sekunden liegt.
Wie erwähnt, hat die neue Gestaltung des Leistungsschalters gemäß der vorliegenden Erfindung besonderen Nutzen, wenn CO₂ als Löschgas verwendet wird, da die Schallgeschwindigkeit von CO₂ annähernd das Zweifache jener von SF₆ ist, was zu einem rascheren Ausströmen führt, wenn CO₂ in einem SF₆-Leistungsschalter verwendet wird, und somit zu einer Abnahme im Ausblasdruck. Durch entsprechendes Anpassen des Leistungsschalters ermöglicht die vorliegende Erfindung das Erreichen eines höheren Ausblasdrucks verglichen mit herkömmlichen Gestaltungen, wie ebenso erwähnt.
Aufgrund der geringeren Unterbrechungsfähigkeit von CO₂ verglichen mit SF₆ wird die Kurzschlussstromspezifikation wie auch die Nennstromspezifikation, die typischerweise von der Kurzschlussstromspezifikation abhängt, verringert, wenn CO₂ anstelle von SF₆ verwendet wird.
Beginnend mit einem herkömmlichen Leistungsschalter, der zur Verwendung von SF₆ als Löschgas gestaltet ist, können somit die Kontaktdurchmesser und somit der Durchmesser des Düsenkanals, der durch den Kontaktdurchmesser bestimmt wird, entsprechend verringert werden.
Aufgrund dieser Verringerung im Durchmesser des Düsenkanals kann eine absolute Auslassbegrenzungsfläche A erreicht werden, die für einen Leistungsschalter, der die oben stehende Dimensionierungsgleichung erfüllt, klein genug ist, auch wenn CO₂ verwendet wird. Somit kann eine signifikante Verbesserung in der Leistung des Leistungsschalters mit minimalen Änderungen an bestehenden Leistungsschaltern erreicht werden, die ursprünglich zur Verwendung von SF₆ als Löschgas gestaltet waren.
Bei Anpassung der Dimensionierung eines herkömmlichen Leistungsschalters, um die oben stehende Dimensionierungsgleichung zu erfüllen, ist bevorzugt, dass nur die absolute Auslassbegrenzungsfläche A angepasst wird, d. h. dass A verringert wird.
Alternativ oder zusätzlich könnte das Volumen V der Druckkammer angepasst werden, d. h. V kann erhöht werden.
Außerdem sind alle Merkmale von Ausführungsformen des Leistungsschalters, wie hierin beschrieben, auch bei der Ausführung des Verfahrens zum Anpassen eines SF₆-Leistungsschalters an ein alternatives Löschgas günstig, wie hierin beschrieben.
Die Erfindung wird durch die Figuren näher dargestellt, in welchen
1 eine Schnittansicht auf einen Abschnitt des Leistungsschalters der vorliegenden Erfindung in einer geschlossenen Position zeigt, d. h. vor einem Stromabschaltvorgang; und
2 eine Schnittansicht auf einen Abschnitt des Leistungsschalters gemäß 1 während eines Stromabschaltvorgangs zeigt.
Der Abschnitt des Leistungsschalters, der in den Figuren dargestellt ist, hat zylindrische Symmetrie. Er weist zwei Kontakte auf, die in Bezug zueinander in einer axialen Richtung 1A (die Achse, die durch eine gebrochene Linie dargestellt ist) beweglich sind: einen ersten Kontakt in der Form eines Steckkontakts 1 und einen zweiten Kontakt in der Form eines Tulpenkontakts 2, der um einen proximalen Abschnitt 11 des Steckkontakts 1 in der geschlossenen Position in Eingriff ist, die in 1 dargestellt ist. Die Kontakte 1, 2 definieren eine Löschregion oder Lichtbogenzone 3, in der ein Lichtbogen 8 während eines Stromabschaltvorgangs gebildet wird, wie in 2 dargestellt.
In der geschlossenen Position wird das Löschgas 4 in einer Druckkammer 5 gehalten, die in der dargestellten Ausführungsform einen Kompressionsraum 51 und einen Heizraum 52 aufweist. Dem Kompressionsraum 51 ist eine Kompressionsvorrichtung 511 zugeordnet, die einen Kolben 512 aufweist, der mit mindestens einem der Kontakte 1, 2 verbunden ist und zum Komprimieren des Löschgases 4 im Kompressionsraum 51 dient. Der Heizraum oder das Heizvolumen 52 ist vom Kompressionsraum 51 durch eine Trennwand 53 getrennt, steht aber mit dem Kompressionsraum 51 durch ein Ventil 54 in Verbindung, das eine Ventilöffnung 541 und eine Ventilplatte 542 aufweist. Das Ventil 54 ist in der geschlossenen Position des Leistungsschalters offen, der in 1 dargestellt ist. Die Ventilöffnung 541 und Ventilplatte 542 können z. B. beide die Form einer einzigen Umfangsöffnung 541 bzw. -platte 542 oder die Form mehrerer (Teil-)Öffnungen oder (Teil-)Platten aufweisen.
Der Leistungsschalter weist ferner eine Düsenanordnung 6 auf, die den Lichtbogen mit Hilfe des Löschgases 4 bläst, das in der Druckkammer 5 enthalten ist. In der dargestellten Ausführungsform weist die Isolierdüsenanordnung 6 eine (Haupt-)Isolierdüse 61 und eine Hilfsdüse 62 auf, die mit radialem Abstand zueinander angeordnet sind, wodurch ein Spalt 7 gebildet wird. Sowohl die Hauptdüse 61, hier als Isolierdüse 61 bezeichnet, wie auch die Hilfsdüse 62 bestehen aus einem Isoliermaterial wie PTFE.
Die Isolierdüse 61 und die Hilfsdüse 62 sind beide an der Wand der Druckkammer 5 angeflanscht, die den Heizraum 52 umschließt, und beide weisen jeweils einen ersten zylindrischen Abschnitt 612, 622 neben der Druckkammer 5 auf und haben jeweils eine erste Wandstärke, gefolgt von einem zweiten Abschnitt 613 bzw. 623 mit einer zweiten Wandstärke, die größer als die jeweilige erste Wandstärke ist.
Der zweite Abschnitt 613 der Isolierdüse 61 definiert einen Isolierdüsenkanal 611 und der zweite Abschnitt 623 der Hilfsdüse 62 definiert einen Hilfsdüsenkanal 621, wobei sich die Kanäle 611, 621 koaxial erstrecken und gemeinsam einen Düsenkanal 63 mit z. B. einem kreisförmigen Querschnitt bilden, der durch einen Radius r_n definiert ist, der im Wesentlichen dem Querschnitt des Steckkontakts 1 entspricht. In dieser Anmeldung ist klar, dass die Querschnitte des Isolierdüsenkanals 611 und des Hilfsdüsenkanals 621 unterschiedliche Radien haben können, wie in der Folge näher besprochen wird. Daher umschließt die Innenwand 631 des Düsenkanals 63 eng den Steckkontakt 1, wenn der Leistungsschalter in der geschlossenen Position ist, wodurch immer ein kleiner Spalt für mechanische Toleranzen vorhanden ist, z. B. von etwa mindestens 1 mm.
Der Düsenkanal 63 steht durch den Spalt 7 mit dem Heizraum 52 der Druckkammer 5 in Verbindung; der Spalt 7 bildet somit einen Druckkammer-Auslasskanal 71.
Der Druckkammer-Auslasskanal 71 kann zwei Teilabschnitte haben: einen ersten Teilabschnitt 711, der vom Heizraum 52 weg führt und der die Form eines ringförmigen Rohres hat, das in einer axialen oder vorwiegend axialen Richtung 1A verläuft, und einen zweiten Teilabschnitt 712, der senkrecht oder mindestens in einem Winkel zur axialen Richtung 1A und somit zur Richtung des Düsenkanals 63 verläuft und zum Düsenkanal 63 verläuft und in den Düsenkanal 63 mit einer Druckkammer-Auslasskanalöffnung 713 mündet. Die Ränder der Druckkammer-Auslasskanalöffnung 713 sind abgerundet, wobei deren Krümmung durch den Radius r_hco definiert ist.
In der geschlossenen Position des Leistungsschalters, der in 1 dargestellt ist, wird die Verbindung zwischen dem Druckkammer-Auslasskanal 71 und dem Düsenkanal 63 durch den Steckkontakt 1 blockiert.
Während eines Stromabschaltvorgangs werden die Kontakte 1, 2 durch eine axiale Bewegung relativ zueinander voneinander getrennt. Typischerweise erfolgt eine Trennung, indem der Tulpenkontakt 2 bewegt wird, während der Steckkontakt 1 feststehend bleibt oder, in einer ”Doppelbewegungskonfiguration”, über ein Zahnrad, das mit dem Tulpenkontakt 2 verbunden ist, bewegt werden kann. Der Kompressionsraum 51 und das darin enthaltene Löschgas 4 werden jeweils von der Kompressionsvorrichtung 511 komprimiert, die die Bewegung zur Trennung der Kontakte 1, 2 in eine relative Bewegung der Trennwand 53 zum Kolben 512 hin umsetzt.
Zu Beginn eines Trennvorgangs wird somit der Druck im Kompressionsraum 51 erhöht. Aufgrund dieser Druckerhöhung wird der Druck im Kompressionsraum 51 höher als im Heizraum 52; das Ventil 54 wird somit in einem offenen Zustand gehalten und es entsteht eine Strömung von Löschgas 4 vom Kompressionsraum 51 zum Heizraum 52.
Sobald der Steckkontakt 1 in einer solchen Position ist, dass der Durchgang des Löschgases 4 aus dem Druckkammer-Auslasskanal 71 nicht mehr blockiert ist, strömt das Löschgas 4 in den Düsenkanal 63, wobei es – einerseits – durch den Isolierdüsenkanal 611 zu einem ersten Auslass strömt, und – andererseits und in entgegengesetzter Richtung – durch den Hilfsdüsenkanal 621 zu einem zweiten Auslass strömt, wodurch der Lichtbogen 8 gekühlt wird. (In den Figuren ist der Pfad des Löschgases durch Pfeile angegeben).
Die Bildung des Lichtbogens 8 führt zu einer starken Materialabtragung von der Isolierdüse 61 bzw. der Hilfsdüse 62. Durch die Wärme des Lichtbogens und die verursachte Abtragung entsteht ein Gasstrom durch den Druckkammer-Auslasskanal 71 zum Heizraum 52. Aufgrund dieser Rückaufheizung wird der Druck im Heizraum 52 erhöht. Wenn der Druck im Heizraum 52 den Druck im Kompressionsraum 51 übersteigt, schließt sich das Ventil 54. Der Heizraum 52 erwärmt sich dann kontinuierlich, bis der Druck in der Löschregion 3 geringer als jener ist, der im Heizraum 52 vorhanden ist, was eintritt, wenn der elektrische Strom abnimmt und weniger Material abgetragen wird. Somit wird der Löschgasstrom umgekehrt, was zu einem Gasstrom vom Heizraum 52 in den Düsenkanal 63 und somit in die Löschregion 3 führt (der sogenannte Selbstblaseffekt).
Im offenen Zustand, der in 2 dargestellt ist, definiert der engste Durchgang des Düsenkanals 63, den das ausströmende Löschgas 4 passiert, eine Düsen-Auslassbegrenzungsfläche A_n und der engste Durchgang des Druckkammer-Auslasskanals 71, den das ausströmende Löschgas 4 passiert, definiert eine Druckkammer-Auslassbegrenzungsfläche A_pc. Der kleinere Wert von A_n und A_pc definiert eine absolute Auslassbegrenzungsfläche A.
Wenn der engste Durchgang des gesamten Kanalsystems im Druckkammer-Auslasskanal vorhanden ist, d. h. A ist gleich A_pc, kann die jeweilige Fläche A die Form einer kreisförmigen Ringfläche (wenn A = A_pc im ersten Teilabschnitt 711 des Druckkammer-Auslasskanals 71 gilt) oder die Form einer Mantelfläche eines Zylinders (wenn A = A_pc im zweiten Teilabschnitt 712 des Druckkammer-Auslasskanals 71 gilt) aufweisen.
Wenn im Düsenkanal 63 vorhanden, ist der engste Durchgang, d. h. die Düsen-Auslassbegrenzungsfläche A = A_n, durch die Summe der kleinsten Querschnittsfläche des Isolierdüsenkanals 611, d. h. der Isolierdüsen-Auslassbegrenzungsfläche A_ni, und der kleinsten Querschnittsfläche des Hilfsdüsenkanals 621, d. h. der Hilfsdüsen-Auslassbegrenzungsfläche A_na: A_n = A_ni + A_na, definiert.
In der dargestellten Ausführungsform ist die absolute Auslassbegrenzungsfläche A gleich A_pc, was bedeutet, dass sie sich im zweiten Teilabschnitt 712 des Druckkammer-Auslasskanals 71, unmittelbar neben der abgerundeten Druckkammer-Auslasskanalöffnung 713 befindet. Wie erwähnt, weist diese Fläche A gleich A_pc die Form einer Mantelfläche eines Zylinders auf, die durch den Abstand h (in axialer Richtung) zwischen der Isolierdüse 61 und der Hilfsdüse 62, d. h. durch die Breite des Spalts 7 in der Fläche unmittelbar neben der Druckkammer-Auslasskanalöffnung 713, und durch den Radius r_pc des Zylinders durch die folgende Gleichung definiert wird: A_pc = 2πr_pch
Mit anderen Worten, r_pc ist der Radius des axial ausgerichteten Zylinders, dessen Mantelfläche die engste Auslassfläche A_pc im Druckkammer-Auslasskanal 71 bildet. Die kleinste Querschnittsfläche des Isolierdüsenkanals 611 und des Hilfsdüsenkanals 621, d. h. die Isolierdüsen-Auslassbegrenzungsfläche A_ni bzw. die Hilfsdüsen-Auslassbegrenzungsfläche A_na, werden jeweils durch die folgenden Gleichungen berechnet: A_ni = πr_ni ² und A_na = πr_na2 wobei r_ni und r_na der Radius bei der kleinsten Querschnittsfläche des Isolierdüsenkanals 611 bzw. des Hilfsdüsenkanals 621 sind.
In der in den Figuren dargestellten Ausführungsform ist r_ni gleich r_na. Es sind jedoch auch ein Isolierdüsenkanal 611 und ein Hilfsdüsenkanal 621 mit unterschiedlichen Radien möglich; in einer solchen Ausführungsform wären r_ni und r_na unterschiedlich.
Das Verhältnis der Druckkammer-Auslassbegrenzungsfläche A_pc zur Düsen-Auslassbegrenzungsfläche A_n, d. h. die Gesamtheit der Isolierdüsen-Auslassbegrenzungsfläche A_ni und der Hilfsdüsen-Auslassbegrenzungsfläche A_na, ist in der in den Figuren dargestellten Ausführungsform ungefähr 1:1 (speziell 0,98:1, falls r_pc = r_n + r_hco). Das Verhältnis liegt daher im Bereich gemäß der vorliegenden Erfindung.
Abhängig von der Wahl des alternativen Löschgases ist das Verhältnis V/A, d. h. das Verhältnis des Gesamtvolumens der Druckkammer (in Kubikmetern) zur absoluten Auslassbegrenzungsfläche (in Quadratmetern) vorzugsweise so, dass es die folgende Formel erfüllt: V/A = k·c_sound(T = 300 K), wobei c_sound(T = 300 K) die Schallgeschwindigkeit in Metern pro Sekunde des Löschgases (4) bei 300 K ist, und
k im Bereich von 0,005 Sekunden bis 0,025 Sekunden liegt.
Da die Größe der Kontakte durch das Material bestimmt wird, aus dem sie konstruiert sind, sowie durch die Amplitude und Dauer der Kurzschlussströme, welchen sie standhalten müssen, liegen typischerweise Einschränkungen für die Wahl des Minimalwertes von A vor. Somit wird, basierend auf dem vorbestimmten k-Wert und dem (Minimal-)Wert von A, V passend gewählt.
Es muss festgehalten werden, dass k nicht direkt mit der Lichtbogenzeit in Zusammenhang steht, sondern mit der Physik der Wechselwirkung zwischen dem Lichtbogen und dem Gasstrom in das und aus dem Heizvolumen (in einem Leistungsschalter der Selbstblasart) oder Kompressionsvolumen (in einem Leistungsschalter der Pufferart) in Zusammenhang steht.
Im Allgemeinen wird k so gewählt, dass der Gasstrom aus zum Beispiel dem Heizvolumen nicht zu schnell ist, sobald die Strömung umkehrt, da andernfalls der Druck rasch abfällt und die Strömung nicht imstande ist, den Lichtbogen auszulöschen, wenn ein Nullstrom erreicht ist. Die Strömung kehrt um, wenn der Lichtbogenstrom von seinem Spitzenwert auf den nächsten Nullstromdurchgang fällt. Anstatt dass Gas durch den Lichtbogen in das Heizvolumen gepumpt wird, strömt es nun in die Lichtbogenzone, kühlt und unterbricht schließlich den Lichtbogen beim Nullstrom.
Somit widerspiegelt der für k gegebene Bereich nicht einfach einen Bereich von Lichtbogenzeiten, d. h. k ist keine Lichtbogenzeitkonstante während eines Leistungsschalterbetriebs. Stattdessen ergeben sich die Werte für k aus der komplexen Wechselwirkung des Lichtbogens mit dem Gasstrom und berücksichtigen zum Beispiel mehrfache Stromumkehrungen (wenn der Lichtbogen zum Beispiel während eines ersten Nullstromdurchganges nicht unterbrochen wird) und andere Phänomene.
Somit charakterisiert k die Zeitkonstante eines Löschgasausflusses, der früher oder später als das Zeitfenster der Lichtbogenbildung starten kann und typischerweise später als das Zeitfenster der Lichtbogenbildung enden kann.

Eine Auswahl von Gasen, die zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung geeignet sind, gemeinsam mit ihrer entsprechenden Schallgeschwindigkeit und ihrem GWP ist in der folgenden Tabelle 1 angeführt. Tabelle 1

Gas	Schallgeschwindigkeit [m/s] (bei 300 K, 0,1 MPa)	Globales Erwärmungspotenzial (100 Jahre)
SF₆ (zum Vergleich)	135	22800
CO₂	269	1
95% CO₂/5% O₂ (Molfraktion)	272	~1
90% CO₂/10% O₂ (Molfraktion)	274	~1
80% CO₂/20% O₂ (Molfraktion)	279	~1
O₂	330	< 1
H₂	1319	< 1
N₂	353	< 1
Luft	347	< 1
N₂O	268	298
CH₄	450	25
CF₄	181	7390
C5-Fluorketon	flüssig bei gegebener T, P	~1
C6-Fluorketon	flüssig bei gegebener T, P	~1
HFE-236fa	keine Daten verfügbar	470
HFE-245cb2/mc	keine Daten verfügbar	708

Mit Ausnahme der Daten für ”C5-Fluorketon” und ”C6-Fluorketon” sind die standardisierten GWP-Daten dem IPCC Fourth Assessment Report: Climate Change 2007 entnommen (mit der einzigen Ausnahme der Daten für HFE-236fa, die dem WMO's (World Meteorological Organization) ”Scientific Assessment of Ozone Depletion: 1998, Bericht Nummer 44, veröffentlicht vom Global Ozone Research and Monitoring Project” entnommen wurden.
Das spezielle ”C5-Fluorketon”, wie in Tabelle 1 verwendet, bezieht sich auf die Verbindung 1,1,1,3,4,4,4-Heptafluor-3-(trifluormäthyl)butan-2-on, während sich das spezielle ”C6-Fluorketon” wie in der Tabelle 1 verwendet auf 1,1,1,2,4,4,5,5,5-Nonafluor-2-(trifluormäthyl)pentan-3-on bezieht.
”HFE-236fa” bezieht sich auf die Verbindung 2,2,2-Trifluoräthyl-trifluormäthylether, während sich ”HFE-245cb2/mc” auf die Verbindung Pentafluor-äthyl-methyläther bezieht.
Beispiel
In der Folge ist ein Verfahren zum Anpassen eines SF₆-Leistungsschalters, der zur Verwendung von SF₆ als Löschgas gestaltet ist, an die Verwendung eines alternativen Löschgases als ein spezielles Beispiel dargestellt:
Als alternatives Löschgas wird ein Gasgemisch, das aus 90% Kohlendioxid und 10% Sauerstoff besteht, bereitgestellt. Dieses alternative Löschgas hat ein GWP (über einen Zeitraum von 100 Jahren) von etwa 1. Die Schallgeschwindigkeit c_sound(T = 300 K) bei 300 K ist 274 m/s.
Für einen bevorzugten Wert von k im Bereich von 0,010 bis 0,015 s wird das Gesamtvolumen V der Druckkammer und/oder die absolute Auslassbegrenzungsfläche A derart angepasst, dass V/A in einem Bereich von 2,74 bis 4,11 m liegt (gemäß der Dimensionierungsgleichung V/A = k·c_sound(T = 300 K), wobei k im Bereich von 0,010 Sekunden bis 0,015 Sekunden liegt). In einer Ausführungsform ist V/A auf etwa 3,4 m angepasst.
Angesichts des erforderlichen Kontaktdurchmessers und des erforderlichen Spalts um die Kontakte um zu verhindern, dass der Kontakt die Düse während eines Öffnungs- oder Schließvorgangs berührt, kann der Radius r an der kleinsten Querschnittsfläche sowohl des (Haupt-)Isolierdüsenkanals wie auch des Hilfsdüsenkanals mit 0,01 m angenommen werden. Demnach ist die absolute Auslassbegrenzungsfläche (A = 2πr²) somit 0,00063 m². Dann wird das Gesamtvolumen V der Druckkammer gemäß der folgenden Gleichung angepasst: V = (3,4 m)·(0,00063 m²) = 0,002 m³
Im Gegensatz dazu führt die Verwendung von SF₆ (mit einer c_sound(T = 300 K) von etwa 135 m/s) im angepassten Leistungsschalter zu k-Werten im Bereich von 0,020 Sekunden bis 0,030 Sekunden (d. h. außerhalb des bevorzugten Bereichs von 0,010 Sekunden bis 0,015 Sekunden).
Wie oben erwähnt, liegt in Ausführungsformen die Ausströmungszeitkonstante k des Löschgases während eines Leistungsschalterbetriebs vorzugsweise im Bereich von 0,007 Sekunden bis 0,025 Sekunden, bevorzugter von 0,008 Sekunden bis 0,025 Sekunden, noch bevorzugter von 0,009 Sekunden bis 0,025 Sekunden, noch weiter bevorzugt von 0,010 Sekunden bis 0,025 Sekunden und ist besonders bevorzugt 0,010 Sekunden bis 0,015 Sekunden.
Ein geringerer Wert der Ausströmungszeitkonstante k kann in Ausführungsformen gewählt werden, in welchen die Lichtbogenzeit auf einen kleinen Bereich von Werten begrenzt ist, z. B. in Ausführungsformen, in welchen eine Kurzschlussstromüberwachung und/oder Leistungsschalterauslösungssysteme verwendet werden.
In einer Ausführungsform können Lichtbogenzeiten im Bereich von 1 Millisekunde bis 2 Millisekunden auftreten, wenn eine synchronisierte Schaltung durchgeführt wird. In diesen Ausführungsformen kann k durch Modifizieren von V/A eingestellt werden, um eine optimale Unterbrechung des Lichtbogens für solch kurze Lichtbogenzeiten bereitzustellen. Speziell wird für eine definierte Lichtbogenzeit im Bereich von 1 bis 2 Millisekunden die Ausströmungszeitkonstante k passend auf 0,005 Sekunden eingestellt, wobei die Dimensionierungsgleichung für CO₂ zu einem Verhältnis V/A von 1,4 m führt. Dieses Verhältnis unterscheidet sich klar von dem entsprechenden Verhältnis V/A für SF₆, wobei dieses Verhältnis etwa 0,7 m ist.
Der Druckaufbau in einer synchronisierten Schaltungsausführungsform kann von einem Puffermechanismus bereitgestellt werden, da weder ausreichende Zeit noch Lichtbogenenergie für den Lichtbogen vorhanden ist, um den erforderlichen Druck selbst aufzubauen.
Bezugszeichenliste

1: Steckkontakt
1A: axiale Richtung
11: proximaler Abschnitt (von Steckkontakt 1)
2: Tulpenkontakt
3: Löschregion, Lichtbogenzone
4: Löschgas
5: Druckkammer
51: Kompressionsraum
511: Kompressionsvorrichtung
512: Kolben
52: Heizraum, Heizvolumen
53: Trennwand
54: Ventil
541: Ventilöffnung
542: Ventilplatte
6: Isolierdüsenanordnung
61: Isolierdüse, Hauptdüse
611: Isolierdüsenkanal
612: erster Abschnitt der Isolierdüse
613: zweiter Abschnitt der Isolierdüse
62: Hilfsdüse
621: Hilfsdüsenkanal
622: erster Abschnitt der Hilfsdüse
623: zweiter Abschnitt der Hilfsdüse
63: Düsenkanal
631: Innenwand des Düsenkanals
7: Spalt
71: Druckkammer-Auslasskanal
711: erster Teilabschnitt des Druckkammer-Auslasskanals
712: zweiter Teilabschnitt des Druckkammer-Auslasskanals
713: Druckkammer-Auslasskanalöffnung
8: Lichtbogen

Liste der Symbole

A

absolute Auslassbegrenzungsfläche (in Quadratmetern)

A_n

Düsen-Auslassbegrenzungsfläche

A_na

Hilfsdüsen-Auslassbegrenzungsfläche

A_ni

(Haupt-)Isolierdüsen-Auslassbegrenzungsfläche

A_pc

Druckkammer-Auslassbegrenzungsfläche

c_sound(T = 300 K)

Schallgeschwindigkeit in Metern pro Sekunde des Löschgases bei 300 K

h

(axialer) Abstand zwischen Isolierdüse und Hilfsdüse

k

Ausströmungszeitkonstante des Löschgases

r_hco

Radius, der die Krümmung der abgerundeten Ränder der Druckkammer-Auslasskanalöffnung definiert

r_n

Radius des Düsenkanals

r_ni

Radius bei der kleinsten Querschnittsfläche des (Haupt-)Isolierdüsenkanals

r_na

Radius bei der kleinsten Querschnittsfläche des Hilfsdüsenkanals

r_pc

Radius des Zylinders, dessen Mantelfläche den engsten Durchgang im Druckkammer-Auslasskanal bildet

V

Gesamtvolumen der Druckkammer (in Kubikmetern).

Claims

Leistungsschalter, aufweisend: mindestens zwei Kontakte (1, 2), die in Bezug zueinander beweglich sind und eine Löschregion (3) definieren, in der ein Lichtbogen (8) während eines Stromabschaltvorgangs gebildet wird, eine Druckkammer (5), die so gestaltet ist, dass ein darin enthaltenes Löschgas (4) während eines Stromabschaltvorgangs unter Druck gesetzt wird, und eine Düsenanordnung (6), die dazu gestaltet ist, einen Lichtbogen (8) mit Hilfe des Löschgases (4), das aus der Druckkammer (5) ausströmt, in der Löschregion (3) zu beblasen, wobei die Düsenanordnung (6) mindestens eine Düse (61, 62) aufweist, die einen Düsenkanal (63) definiert, der während eines Stromabschaltvorgangs durch einen Druckkammer-Auslasskanal (71) mit der Druckkammer (5) verbunden ist, wobei der engste Durchgang des Druckkammer-Auslasskanals (71), den das ausströmende Löschgas (4) passiert, eine Druckkammer-Auslassbegrenzungsfläche A_pc definiert, und der engste Durchgang des Düsenkanals (63), den das ausströmende Löschgas (4) passiert, eine Düsen-Auslassbegrenzungsfläche A_n definiert, wobei die kleinere Fläche davon eine absolute Auslassbegrenzungsfläche A definiert, wobei das Löschgas (4) ein globales Erwärmungspotenzial hat, das über einen Zeitraum von 100 Jahren geringer als jenes von SF₆ ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von der Druckkammer-Auslassbegrenzungsfläche A_pc zur Düsen-Auslassbegrenzungsfläche A_n unter 1,1:1 liegt.
Leistungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von der Druckkammer-Auslassbegrenzungsfläche A_pc zur Düsen-Auslassbegrenzungsfläche A_n im Bereich von 0,2:1 bis 0,9:1, besonders bevorzugt von 0,4:1 bis 0,8:1, liegt.
Leistungsschalter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsenanordnung (6) eine Isolierdüse (61) aufweist, die einen Isolierdüsenkanal (611) definiert, der einen ersten Abschnitt des Düsenkanals (63) definiert, wobei der engste Durchgang des Isolierdüsenkanals (611) eine Isolierdüsen-Auslassbegrenzungsfläche A_ni definiert, und eine Hilfsdüse (62), die einen Hilfsdüsenkanal (621) definiert, der einen zweiten Abschnitt des Düsenkanals (63) definiert und koaxial zum Isolierdüsenkanal (611) verläuft, wobei der engste Durchgang des Hilfsdüsenkanals (621) eine Hilfsdüsen-Auslassbegrenzungsfläche A_na definiert, wobei die Düsen-Auslassbegrenzungsfläche A_n gleich der Summe von A_ni und A_na ist.
Leistungsschalter nach Anspruch 3, wobei die absolute Auslassbegrenzungsfläche A gleich der Düsen-Auslassbegrenzungsfläche A_n ist.
Leistungsschalter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens der Teilabschnitt (712) des Druckkammer-Auslasskanals (71), der in den Düsenkanal (63) mündet, senkrecht oder in einem Winkel, der sich von 90° unterscheidet, zur Richtung des Düsenkanals (63) verläuft.
Leistungsschalter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckkammer-Auslasskanal (71) durch einen Spalt (7) zwischen einer oder der Isolierdüse (61) und einer oder der Hilfsdüse (62) gebildet wird.
Leistungsschalter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsen-Auslassbegrenzungsfläche A_n einen kreisförmigen Querschnitt aufweist, der durch einen Radius r_n definiert ist, wobei insbesondere der Radius r_n im Bereich von 5 mm bis 30 mm liegt.
Leistungsschalter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckkammer-Auslasskanal (71) in den Düsenkanal (63) durch eine Druckkammer-Auslasskanalöffnung (713) mündet, deren Ränder abgerundet sind.
Leistungsschalter nach Anspruch 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Krümmung der abgerundeten Ränder der Druckkammer-Auslasskanalöffnung (713) durch einen Radius r_hco definiert ist, wobei das Verhältnis von r_hco zu r_n im Bereich von 0,1:1 bis 2:1, vorzugsweise von 0,2:1 bis 2:1, bevorzugter von 0,2:1 bis 1:1, noch bevorzugter von 0,4:1 bis 1:1 und besonders bevorzugt von 0,4:1 bis 0,8:1 liegt.
Leistungsschalter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckkammer (5) ein Heizraum (52) ist oder diesen umfasst, in dem das Löschgas (4) unter Nutzung der Rückaufheizungswirkung, die durch die Wärme des Lichtbogens (8) erzeugt wird, der sich in der Löschregion (3) bildet, und der Abtragung von Material aus der Düsenanordnung (6) unter Druck gesetzt wird.
Leistungsschalter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckkammer (5) ein Kompressionsraum (51) ist oder diesen umfasst, dem eine Kompressionsvorrichtung (511) zugeordnet ist, wobei die Kompressionsvorrichtung (511) einen Kolben (512) aufweist, der mit mindestens einem der Kontakte (1, 2) verbunden ist.
Leistungsschalter nach einem der vorangehenden Ansprüche, der ein Hochspannungsleistungsschalter ist.
Leistungsschalter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Leistungsschalter die folgende Dimensionierungsgleichung erfüllt: V/A = k·c_sound(T = 300 K), wobei V das Gesamtvolumen der Druckkammer (5) in Kubikmetern ist, A die absolute Auslassbegrenzungsfläche in Quadratmetern ist, c_sound(T = 300 K) die Schallgeschwindigkeit in Metern pro Sekunde des Löschgases (4) bei 300 K ist und k im Bereich von 0,005 Sekunden bis 0,025 Sekunden liegt.
Leistungsschalter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schallgeschwindigkeit des Löschgases (4) bei 300 K um einen Faktor von mindestens 1,2 größer ist als die von SF₆ bei 300 K.
Leistungsschalter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Löschgas (4) mindestens eine Gaskomponente aufweist, die ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus CO₂, O₂, N₂, H₂, Luft, N₂O, einem Kohlenwasserstoff, insbesondere CH₄, einer perfluorierten oder teilweise hydrierten organische Fluorverbindung und Gemischen davon.
Leistungsschalter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Löschgas (4) CO₂ oder ein Gemisch aus CO₂ und O₂ aufweist oder im Wesentlichen daraus besteht.
Leistungsschalter nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die organische Fluorverbindung ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: einem Fluorkohlenstoff, einem Fluoräther, einem Fluoramin und einem Fluorketon und vorzugsweise ein Fluorketon und/oder ein Fluoräther, bevorzugter ein Perfluorketon und/oder ein Hydrofluoräther, besonders bevorzugt ein Perfluorketon mit 4 bis 12 Kohlenstoffatomen ist.
Leistungsschalter nach einem der Ansprüche 13–17, dadurch gekennzeichnet, dass k eine Ausströmungszeitkonstante des Löschgases während eines Leistungsschalterbetriebs ist; und/oder dass k keine Lichtbogenzeitkonstante während eines Leistungsschalterbetriebs ist; und/oder dass k im Bereich von 0,007 Sekunden bis 0,025 Sekunden, vorzugsweise von 0,008 Sekunden bis 0,025 Sekunden, bevorzugter von 0,009 Sekunden bis 0,025 Sekunden, noch bevorzugter von 0,010 Sekunden bis 0,025 Sekunden und besonders bevorzugt von 0,010 Sekunden bis 0,015 Sekunden liegt.