DE202015009816U1

DE202015009816U1 - Vorrichtung zum Unterbrechen von ausschließlich Nicht-Kurzschlussströmen, insbesondere Trennschalter oder Erdungsschalter

Info

Publication number: DE202015009816U1
Application number: DE202015009816.9U
Authority: DE
Original assignee: ABB Schweiz AG
Current assignee: Hitachi Energy Ltd
Priority date: 2015-04-13
Filing date: 2015-04-13
Publication date: 2020-05-12
Anticipated expiration: 2025-04-14

Abstract

Vorrichtung, die zum Unterbrechen von ausschließlich Nicht-Kurzschlussströmen ausgelegt ist, wobei die Vorrichtung Folgendes umfasst:
mindestens zwei Kontakte (10, 12), die in Bezug zueinander zwischen einem geschlossenen Zustand und einem geöffneten Zustand beweglich sind und einen Lichtbogenbereich (26) definieren, in dem ein Lichtbogen (27) während eines Stromunterbrechungsvorgangs erzeugt wird und in dem ein Lichtbogenlöschmedium (17) mit einer Organofluorverbindung vorhanden ist,
wobei dem Lichtbogenbereich (26) eine gegen Lichtbogen wirkende Komponente (19) zugeordnet ist, die dafür ausgelegt ist, der Erzeugung des Lichtbogens (27) entgegenzuwirken und/oder die Löschung des Lichtbogens (27) zu unterstützen.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Unterbrechen von ausschließlich Nicht-Kurzschlussströmen, insbesondere auf einen Trennschalter, insbesondere einen Hochspannungstrenner, oder einen Erdungsschalter, insbesondere einen einschaltfesten Erdungsschalter, sowie auf eine gasisolierte Schaltanlage (GIS) für Mittelspannung oder Hochspannung, die eine solche Vorrichtung umfasst. Die vorliegende Erfindung bezieht sich weiterhin auf einen Niederspannungstrennschalter.
Dielektrische Isoliermedien in flüssigem oder gasförmigem Zustand werden üblicherweise zur Isolierung eines elektrisch leitfähigen Teils in einer Vielzahl von Vorrichtungen, insbesondere auch in GIS oder deren Komponenten, eingesetzt.
In metallgekapselten Mittel- oder Hochspannungsschaltanlagen beispielsweise ist der elektrisch leitende Teil in einem gasdichten Gehäuse angeordnet, das einen Isolierraum definiert, wobei der Isolierraum ein Isoliergas umfasst und das Gehäuse vom elektrisch leitenden Teil trennt, ohne dass elektrische Ströme durch den Isolierraum fließen können.
Zur Unterbrechung des Stroms in z. B. Hochspannungsschaltanlagen fungiert das Isoliermedium ferner als Lichtbogenlöschmedium (oder Lichtbogenlöschmittel) . Dies ist z. B. auch bei einem Trennschalter oder in einem Erdungsschalter der Fall, bei dem der bei Stromunterbrechung erzeugte Lichtbogen unter freibrennenden Bedingungen gelöscht wird, d. h. das Lichtbogenlöschmedium wird nicht aktiv in Richtung Lichtbogen geblasen.
In herkömmlichen gasisolierten Schaltanlagen wird Schwefelhexafluorid (SF₆) typischerweise als Isoliermedium bzw. Lichtbogenlöschmedium eingesetzt.
Vor kurzem wurde die Verwendung von Organofluorverbindungen in einem Isoliermedium als Ersatz für herkömmliche Isoliermedien vorgeschlagen. Insbesondere offenbart WO-A-2010/142346 ein dielektrisches Isoliermedium, das ein Fluorketon mit 4 bis 12 Kohlenstoffatomen umfasst. Ferner offenbart WO-A-2012/080246 , dass sich ein Fluorketon mit genau 5 Kohlenstoffatomen (im Folgenden „C5K“ genannt) in einer Mischung mit einer dielektrischen Isoliergaskomponente, die sich von der C5K unterscheidet, als besonders vorteilhaft herausstellt. Die in WO-A-2010/142346 und WO-A-2012/080246 offenbarten Fluorketone haben nachweislich eine hohe Isolationsfähigkeit, insbesondere eine hohe dielektrische Festigkeit, sowie eine hohe Lichtbogenlöschfähigkeit. Zugleich haben sie ein sehr geringes Treibhauspotenzial (Global Warming Potential, GWP) und eine sehr geringe Toxizität.
Ungeachtet der oben genannten hervorragenden Eigenschaften eines fluorketonhaltigen Isoliergases wurde unerwartet festgestellt, dass in einer Vorrichtung, die zum Unterbrechen von ausschließlich Nicht-Kurzschlussströmen ausgelegt ist, insbesondere in einem Trennschalter oder Erdungsschalter herkömmlicher Bauart, bei Verwendung eines fluorketonhaltigen Lichtbogenlöschmediums die Unterbrechung selbst kleiner Ströme fehlschlagen kann. Dies ist darauf zurückzuführen, dass das Fluorketon in diesen Vorrichtungen in relativ geringen Konzentrationen vorhanden ist, was mit relativ schlechten thermodynamischen und Transporteigenschaften und damit einer relativ schlechten Kühlleistung einhergeht. Das Problem gilt insbesondere für Lichtbogenlöschmedien, die neben der Organofluorverbindung ein Träger- oder Hintergrundgas, typischerweise Luft oder eine Luftkomponente, umfassen. Beispielsweise haben Tests gezeigt, dass ein Erdungsschalter, der einen Induktionsstrom von 80 A in einigen zehn Milisekunden oder weniger in SF₆ immer wieder unterbricht, auch geringere Ströme in Luft und CO₂ selbst nach einer Sekunde Lichtbogen nicht unterbrach, obwohl dann ein entsprechend größerer Abstand zwischen den Kontakten erreicht wurde.
Somit sind die günstigen Eigenschaften von SF₆, die effizientes Löschen des Lichtbogens bei Nullstrom auch unter ungeblasenen Bedingungen ermöglichen und ferner sicherstellen, dass sich der Lichtbogen nicht wieder entzündet, nicht inhärent für solche Gasgemische, die Organofluorverbindungen enthalten.
Das Problem der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine verbesserte Vorrichtung zum Unterbrechen von ausschließlich Nicht-Kurzschlussströmen zur Verfügung zu stellen, insbesondere einen Trennschalter oder einen Erdungsschalter, unter Verwendung eines Lichtbogenlöschmediums, das eine Organofluorverbindung enthält, wobei die Vorrichtung zugleich eine sehr zuverlässige Stromunterbrechung ermöglicht. Dieses Problem wird durch den Gegenstand von Anspruch 1 gelöst. Ausführungsformen werden in abhängigen Ansprüchen oder Anspruchskombinationen und in der Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen definiert.
Nach Anspruch 1 bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine Vorrichtung zum Unterbrechen von ausschließlich Nicht-Kurzschlussströmen. Entsprechende Vorrichtungen nach dem Stand der Technik sind so ausgelegt, dass der bei einer Unterbrechung erzeugte Lichtbogen von SF₆ konventionell unter ungeblasenen Bedingungen gelöscht wird, d. h. ohne einen Gasstrom von SF₆ als Lichtbogenlöschmedium aktiv zu induzieren.
Die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung umfasst mindestens zwei Kontakte, die in Bezug zueinander zwischen einem geschlossenen Zustand und einem geöffneten Zustand beweglich sind und einen Lichtbogenbereich definieren, in dem ein Lichtbogen während eines Stromunterbrechungsvorgangs erzeugt wird und in dem ein Lichtbogenlöschmedium mit einer Organofluorverbindung vorhanden ist.
Gemäß der Erfindung ist dem Lichtbogenbereich eine gegen Lichtbogen wirkende Komponente zugeordnet, wobei die gegen Lichtbogen wirkende Komponente dafür ausgelegt ist, der Erzeugung eines Lichtbogens entgegenzuwirken und/oder das Löschen eines Lichtbogens zu unterstützen. Wie bereits erwähnt, ist die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung zum Unterbrechen von ausschließlich Nicht-Kurzschlussströmen ausgelegt. Insbesondere hier wird der Begriff „Kurzschlussströme“, im Gegensatz zu Nicht-Kurzschlussströmen, dabei definiert als Ströme, die in der ersten, transienten Phase von bis zu ca. 3 Sekunden nach dem Zeitpunkt entstehen, wenn aus einem unter Hochspannung betriebenen Netz die unter Hochspannung stehenden Teile mit Erde verbunden werden. Nach dieser Definition bezieht sich der Begriff „Nicht-Kurzschlussströme“ auf alle Ströme, die nicht unter die oben genannte Definition von „Kurzschlussströme“ fallen. Ein Kurzschluss ist ein elektrischer Stromkreis, der es einem Strom ermöglicht, auf einem unbeabsichtigten Weg zu fließen, oft dort, wo im Wesentlichen keine oder eine sehr niedrige elektrische Impedanz auftritt. Im Allgemeinen müssen solche Kurzschlussströme innerhalb von weniger als 5 Sekunden nach ihrem Auftreten und vorzugsweise schneller (z. B. innerhalb von weniger als 3 Sekunden) unterbrochen werden, um Schäden in elektrischen Netzen zu vermeiden.
Nach der vorliegenden Erfindung werden Ströme, die von einem elektrischen Netz (insbesondere Hochspannungsnetz oder Mittelspannungsnetz) über unbeabsichtigte oder beabsichtigte Wege zur Erde fließen und länger als 3 Sekunden oder länger als 5 Sekunden dauern, als „Nicht-Kurzschlussströme“ betrachtet. Diese Definition von Nicht-Kurzschlussströmen basiert nur auf ihrer Dauer und ist unabhängig von ihrer Größe oder der Absichtlichkeit oder Unabsichtlichkeit ihres Auftretens. Insbesondere beinhaltet diese Definition von Nicht-Kurzschlussströmen Nennströme und schließt Kurzschlussströme von weniger als 5 Sekunden Dauer aus.
Zum Beispiel kann es sich bei solchen Nicht-Kurzschlussströmen um Ströme handeln, die zwischen zwei parallelen Freileitungen induziert werden, wobei eine Leitung auf beiden Seiten mit Erde verbunden ist und die andere Leitung Strom an Lasten liefert. Die in der geerdeten Freileitung induzierten Nicht-Kurzschlussströme können von den Vorrichtungen nach der vorliegenden Erfindung unterbrochen werden.
Spezifisch ist die Vorrichtung ein Trennschalter, insbesondere ein Hochspannungstrenner, oder ein Erdungsschalter, insbesondere ein einschaltfester Erdungsschalter.
Gemäß einem weiteren Aspekt bezieht sich die vorliegende Erfindung auch auf einen Niederspannungstrennschalter, der mindestens zwei Kontakte umfasst, die in Bezug zueinander zwischen einem geschlossenen Zustand und einem geöffneten Zustand beweglich sind und einen Lichtbogenbereich definieren, in dem ein Lichtbogen während eines Stromunterbrechungsvorgangs erzeugt wird und in dem ein Lichtbogenlöschmedium, das eine Organofluorverbindung umfasst, vorhanden ist, wobei dem Lichtbogenbereich eine gegen Lichtbogen wirkende Komponente zugeordnet ist, die dafür ausgelegt ist, der Erzeugung eines Lichtbogens entgegenzuwirken und/oder das Löschen eines Lichtbogens zu unterstützen.
Die vorliegende Erfindung berücksichtigt die überraschende Erkenntnis, dass trotz der hohen dielektrischen Isolierleistung der hochorganischen Fluorverbindung, die vorzugsweise in Kombination mit einem Trägergas und bevorzugter mit synthetischer Luft oder einem O₂ und CO₂ enthaltenden Gasgemisch verwendet wird, die Kühlleistung eines Lichtbogenlöschmediums, das eine Organofluorverbindung enthält, oft nicht ausreicht, um den Lichtbogen unter freibrennenden Bedingungen effizient zu löschen.
Im Gegensatz zu herkömmlichen Trennschaltern, Erdungsschaltern oder Niederspannungstrennschaltern (Niederspannung soll typischerweise unter wenigen kV und insbesondere unter 1 kV liegen), bei denen die Kühlleistung des Lichtbogenlöschmediums (z. B. SF₆) ausreicht, um den Lichtbogen unter freibrennenden Bedingungen zu löschen, wird die unzureichende Kühlung des Organofluorverbindungen enthaltenden Lichtbogenlöschmediums durch das Vorhandensein der gegen Lichtbogen wirkende Komponente kompensiert.
Somit können potenzielle Lichtbogenlöschfehlschläge auch bei Verwendung eines Nicht-SF₆-Lichtbogenlöschmediums, das eine Organofluorverbindung umfasst, zuverlässig umgangen werden, was aufgrund seiner Umweltverträglichkeit und geringen Toxizität vorteilhaft ist. Die vorliegende Erfindung ermöglicht es somit, diese Nicht-SF₆-Löschmedien in Vorrichtungen zum Unterbrechen von ausschließlich Nicht-Kurzschlussströmen zu verwenden, und gewährleistet einen sehr sicheren Betrieb dieser Vorrichtungen.
Es versteht sich, dass sich die hierin beschriebenen Ausführungsformen beide auf die Vorrichtung zum Unterbrechen von ausschließlich Nicht-Kurzschlussströmen beziehen, insbesondere auf den Trennschalter oder Erdungsschalter sowie auf den Niederspannungstrennschalter.
Gemäß Ausführungsformen umfasst die gegen Lichtbogen wirkende Komponente ein Lichtbogen kühlendes Element zum Kühlen des Lichtbogens oder besteht daraus. In Kombination mit den intrinsischen Kühleigenschaften des Lichtbogenlöschmediums wird ein kombinierter Kühlungseffekt erreicht, der eine zuverlässige Stromunterbrechung ermöglicht.
Gemäß weiteren Ausführungsformen ist die gegen Lichtbogen wirkende Komponente dafür ausgelegt, dass sie während einer relativen Bewegung der Kontakte von einem geschlossenen Zustand in einen geöffneten Zustand aktiviert wird.
In spezifischen Ausführungsformen kann die gegen Lichtbogen wirkende Komponente eine Strömungserzeugungskammer umfassen, die über einen Strömungskanal mit dem Lichtbogenbereich fluidisch verbunden ist und so ausgebildet ist, dass während einer relativen Bewegung der Kontakte von einem geschlossenen Zustand in einen geöffneten Zustand in der Strömungserzeugungskammer ein Differenzdruck in Bezug auf den Lichtbogenbereich erzeugt wird, wobei der Differenzdruck eine Strömung des Lichtbogenlöschmediums zwischen dem Lichtbogenbereich und der Strömungserzeugungskammer bewirkt. Gemäß dieser Ausführungsform wird das Lichtbogenlöschmedium nur dann in den Lichtbogenbereich geblasen, wenn der Lichtbogen erzeugt wird, d. h. wenn die Kontakte unter Spannung stehen und relativ zueinander aus dem geschlossenen Zustand in den geöffneten Zustand bewegt werden und im Lichtbogenbereich zwischen den Kontakten einen Lichtbogen bilden.
Gemäß einer sehr einfachen bevorzugten Konstruktion bildet mindestens einer der Kontakte einen Kolben, der verschiebbar in einem Führungsrohr enthalten ist, das einen Zylinder für den Kolben bildet, wobei der Kolben zusammen mit dem Zylinder eine Verdichtungskammer als die Strömungserzeugungskammer definiert, wobei die Verdichtungskammer so ausgebildet ist, dass sie während einer relativen Bewegung der Kontakte von einem geschlossenen Zustand in einen geöffneten Zustand verdichtet wird. Insbesondere wird die relative Bewegung der Kontakte direkt in eine Strömung des Lichtbogenlöschmediums in den Lichtbogenbereich zur Löschung des Lichtbogens umgesetzt.
Gemäß weiteren Ausführungsformen ist die Verbindung zwischen dem Lichtbogenbereich und der Verdichtungskammer derart, dass während der Verdichtung das in der Verdichtungskammer enthaltene Lichtbogenlöschmedium in den Lichtbogenbereich ausgestoßen wird.
In diesem Zusammenhang wird besonders bevorzugt, dass der Strömungskanal axial innerhalb des Kolbens ausgebildet ist. Dies ermöglicht eine sehr einfache Konstruktion und stellt zudem sicher, dass der Abstand, den das Lichtbogenlöschmedium von der Verdichtungskammer zum Lichtbogenbereich zurücklegen muss, so kurz wie möglich gehalten wird.
Eine besonders hohe Blasgeschwindigkeit des Lichtbogenlöschgases kann erreicht werden, wenn dem Strömungskanal ein Ventil zugeordnet wird, das sich bei Überschreiten eines Schwellendifferenzdrucks öffnet. Der Differenzdruck bezieht sich insbesondere auf die Druckdifferenz zwischen dem Lichtbogenbereich und der Strömungskammer, insbesondere der Verdichtungskammer. Gemäß spezifischen Ausführungsformen ist der den Kolben bildende Kontakt ein Steckkontakt, der dafür ausgelegt ist, verschiebbar in einen Tulpenkontakt eingreifen zu können.
Gemäß weiteren spezifischen Ausführungsformen ist der den Kolben bildende Kontakt ein Tulpenkontakt, der dafür ausgelegt ist, einen Steckkontakt zu umgreifen. In diesem Zusammenhang kann der Strömungskanal als Kanal mit kreisförmigem Querschnitt ausgebildet werden, der parallel zur Achse des Tulpenkontakts verläuft.
So ist beispielsweise der Strömungskanal in Form eines Strömungsspaltes ausgebildet, der zwischen der Innenwand des Tulpenkontakts und der Außenwand einer zylindrischen Strömungsführung, die radial in einer beabstandeten Weise vom Tulpenkontakt umschlossen ist, angeordnet. Der Strömungskanal nach dieser Ausführungsform ist im Querschnitt ringförmig. Spezifischer verlaufen die Innenwand des Tulpenkontakts und die Außenwand einer zylindrischen Strömungsführung konzentrisch und parallel zueinander, wobei der Strömungsspalt einen kontinuierlichen Querschnitt über die axiale Länge der Strömungsführung aufweist. Noch spezifischer kann die Strömungsführung als ein Einsatz ausgebildet sein, der am Tulpenkontakt befestigt ist. Das Vorhandensein einer Strömungsführung ermöglicht es, die Strömung des Lichtbogenlöschmediums auf eine Weise zu führen (oder zu „lenken“), dass eine noch effizientere Kühlung des Lichtbogens erreicht wird.
Alternativ oder zusätzlich ist der Tulpenkontakt radial in einer beabstandeten Weise von einer Düse umschlossen, wodurch ein Düsenspalt gebildet wird, der sich in den Lichtbogenbereich öffnet. Die Düse kann insbesondere eine Düse aus Polytetrafluorethylen (PTFE; Teflon®) sein. Gemäß weiteren Ausführungsformen umfasst der den Kolben bildende Kontakt einen proximalen Kontaktbereich und einen distalen Verdichtungsbereich, der dem Kontaktbereich axial gegenüberliegend angeordnet ist, wobei die Querschnittsfläche des Verdichtungsbereichs größer ist als die Querschnittsfläche des Kontaktbereichs. Dadurch, dass der Verdichtungsbereich eine größere Querschnittsfläche aufweist, kann in der Verdichtungskammer ein höherer Druck erzeugt werden, wodurch eine hohe Blasgeschwindigkeit des Lichtbogenlöschmediums und damit eine hohe Kühlleistung ermöglicht wird.
Nach noch weiteren Ausführungsformen ist einer der Kontakte in Form eines Kolbens ausgebildet und im anderen Kontakt enthalten, der einen Zylinder für den Kolben bildet, und der Kolben ist im Zylinder gasdicht gleitend verschiebbar. Dadurch bilden der Kolben und der Zylinder zusammen eine Saugkammer als die Strömungserzeugungskammer, wobei die Saugkammer so ausgelegt ist, dass sie während einer relativen Bewegung der Kontakte von einem geschlossenen Zustand in einen geöffneten Zustand ihr Volumen vergrößert. Somit wird die Strömung des in den Lichtbogenbereich zu blasenden Lichtbogenlöschmediums nach dieser Ausführungsform durch Ansaugen erzeugt.
In Ausführungsformen umfasst der Kolben im Bereich seines vorderen Endes, das dem anderen Kontakt zugewandt ist, eine elektrisch isolierende Nase, insbesondere in Form eines isolierenden Stopfens. Durch die isolierende Nase kann der Differenzdruck zwischen dem Lichtbogenbereich und der Saugkammer weiter erhöht werden. Durch den hohen Differenzdruck können sehr hohe Blasgeschwindigkeiten des Lichtbogenlöschmediums erreicht werden. Insbesondere bei dieser Ausführungsform wird eine hohe Geschwindigkeit der Kontaktbewegung oder des Kontakthubs bereitgestellt. Zu diesem Zweck wird mindestens einem beweglichen Kontakt vorzugsweise ein Federelement zugeordnet.
In Bezug auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen, bei denen der Kolben und der Zylinder zusammen eine Saugkammer als Strömungserzeugungskammer bilden, kann die Vorrichtung vorzugsweise ferner ein Steuervolumen umfassen, das dafür ausgelegt ist, während einer relativen Bewegung der Kontakte von einem geschlossenen Zustand in einen geöffneten Zustand expandiert zu werden, wobei das Steuervolumen im geöffneten Zustand durch mindestens eine Öffnung, die durch die Wand des Zylinders verläuft, fluidisch mit dem Lichtbogenbereich verbunden ist. Wenn der den Zylinder bildende Kontakt, insbesondere der Tulpenkontakt, zurückgezogen wird, kann das Lichtbogenlöschmedium durch die Öffnung ausströmen; der Druckaufbau im Zylinder, der der Strömung des Lichtbogenlöschmediums entgegenwirken könnte, kann so vermieden werden. Dabei wird insbesondere bevorzugt, dass das Steuervolumen radial außerhalb des Zylinders angeordnet ist.
Gemäß weiteren Ausführungsformen ist ein ablatives Material, wie beispielsweise PTFE, angrenzend an die Kontakte angeordnet, wobei das ablative Material dafür ausgelegt ist, Ablation auszubilden, wenn es einem Lichtbogen ausgesetzt wird. Beim Erzeugen des Lichtbogens wird das ablative Material, insbesondere PTFE, abgetragen, was zu einem zusätzlichen Druckaufbau im Lichtbogenbereich führt. Ohne an die Theorie gebunden sein zu wollen, wird ferner davon ausgegangen, dass bei der Erzeugung des Lichtbogens Turbulenzen entstehen, die den Lichtbogen weiter kühlen und damit die Löschung des Lichtbogens verstärken.
In Bezug auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen, bei denen die Strömungserzeugungskammer eine Verdichtungskammer ist und eine Düse aus ablativem Material, insbesondere PTFE, bereitgestellt ist, kann die Düse ferner als Strömungsführung zum Führen des Lichtbogenlöschmediums in den Lichtbogenbereich zur optimalen Kühlung dienen. In Bezug auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen, bei denen die Strömungserzeugungskammer eine Saugkammer ist und das ablative Material vorzugsweise eine elektrisch isolierende Nase bildet, kann der Lichtbogen, der sich direkt über der isolierenden Nase befindet, einen zusätzlichen Überdruck durch Materialabtragung erzeugen, wobei der Überdruck proportional zum Strom ist. Wenn zusätzlich eine Düse vorhanden ist, kann die Düse zum Einstellen der Strömung im Düsenbereich geformt werden, was von Vorteil sein kann, um einen übermäßigen Druckaufbau zu vermeiden.
Zusätzlich oder alternativ kann die Vorrichtung als gegen Lichtbogen wirkende Komponente einen Magneten umfassen, der ein Dauermagnetfeld im Lichtbogenbereich erzeugt. Dadurch kann der Lichtbogen bewegt oder gedreht und auch aus dem Umfang herausgedrängt werden, was zu längeren Lichtbogenlängen und damit zu höheren Spannungsabfällen führt und damit das Löschen des Lichtbogens verbessert. In spezifischen Ausführungsformen erzeugt der Magnet ein Dauermagnetfeld im Lichtbogenbereich.
Wie bereits erwähnt, ist ein Federelement vorzugsweise mindestens einem beweglichen Kontakt zugeordnet. In spezifischen Ausführungsformen werden die Kontakte durch eine Haltekraft vom Übergang von einem geschlossenen in einen geöffneten Zustand abgehalten, und das Federelement ist dafür ausgelegt, dass es eine Federkraft aufbaut, die die Haltekraft zu einem bestimmten Zeitpunkt übersteigt. Insbesondere kann der eine der Kontakte in Form eines Steckkontakts mit einer Wölbung ausgebildet sein, wobei die Wölbung den Steckkontakt von einer axialen Bewegung durch einen entsprechenden nach innen gerichteten Vorsprung, der auf dem anderen Kontakt gebildet wird, abhält, typischerweise einem Tulpenkontakt. Überschreitet die Federkraft einen Schwellenwert, drückt die Wölbung die Wand des Tulpenkontakts nach außen und lässt so letztlich den Steckkontakt axial aus dem Tulpenkontakt zurückschnellen. Somit wird der bewegliche Kontakt, insbesondere der Steckkontakt, mit relativ hoher Geschwindigkeit freigegeben und wirkt der Entstehung eines Lichtbogens weiter entgegen und/oder unterstützt das Erlöschen eines Lichtbogens bei Stromunterbrechung. Gemäß weiteren Ausführungsformen ist einer der Kontakte in Form eines Kolbens ausgebildet und im anderen Kontakt enthalten, der einen Zylinder für den Kolben bildet, und der Kolben ist im Zylinder gleitend verschiebbar, wobei der Kolben im Bereich seines dem anderen Kontakt zugewandten vorderen Endes ein Widerstandselement aufweist, das in axialer Richtung des Kolbens zwischen zwei Bereichen eines Materials mit geringerem Widerstand angeordnet ist. Im geschlossenen Zustand ist das Widerstandselement parallel zu den Bereichen mit geringerem Widerstand, und da der Widerstand des Widerstandselements viel höher ist, fließt der Strom durch die Bereiche mit geringerem Widerstand. Beim Verschieben der Kontakte aus dem geschlossenen Zustand in den geöffneten Zustand sind die Widerstände des Widerstandselements und der Bereiche mit geringerem Widerstand in Reihe geschaltet und werden vom Widerstand des Widerstandselements dominiert. Während der Lichtbogenbildung ist der Gesamtwiderstand also in etwa durch die Summe der Widerstände des Widerstandselements und des Lichtbogens gegeben. Während des Öffnungsvorgangs ist der Strom im Stromkreis aufgrund des Widerstandselements gering und somit wird die Lichtbogenspannung erhöht (im Vergleich zu ohne Widerstandselement), was für die Lichtbogenlöschung günstig ist.
Die durch die vorliegende Erfindung erzielte Wirkung ist besonders relevant in Ausführungsformen, bei denen das Lichtbogenlöschmedium ferner Luft oder mindestens eine Luftkomponente umfasst, insbesondere ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Sauerstoff (O₂) und Stickstoff (N₂), Kohlendioxid (CO₂) und Mischungen derselben. Die Luft- oder Luftkomponente fungiert als Trägergas oder Hintergrundgas, das zusätzlich zur Organofluorverbindung vorhanden ist. Wie bereits erwähnt, erreicht die vorliegende Erfindung einen sicheren Betrieb der Vorrichtung trotz der relativ schlechten Kühlleistung des Trägergases.
Gemäß Ausführungsformen besteht das Lichtbogenlöschmedium aus Kohlendioxid und Sauerstoff. Dabei wird besonders bevorzugt, dass das Verhältnis der Kohlendioxidmenge zur Sauerstoffmenge im Bereich von 50:50 bis 100:1 liegt. Es wird ferner bevorzugt, dass das Verhältnis der Kohlendioxidmenge zur Sauerstoffmenge im Bereich von 80:20 bis 95:5, bevorzugter von 85:15 bis 92:8, noch bevorzugter von 87:13 bis weniger als 90:10 liegt und spezifisch ungefähr 89:11 beträgt. In diesem Zusammenhang wurde einerseits festgestellt, dass die Gegenwart von Sauerstoff in einem molaren Anteil von mindestens 5% die Rußbildung auch nach wiederholten Stromunterbrechungsereignissen mit relativ hohem Lichtbogenstrom verhindert.
Andererseits reduziert die Gegenwart von Sauerstoff in einem molaren Anteil von höchstens 20% (d. h. von 20% oder weniger), insbesondere von höchstens 15% (d. h. von 15% oder weniger), das Risiko eines Abbaus des Materials der Vorrichtung durch Oxidation.
Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird die Organofluorverbindung ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Fluorethern (einschließlich Oxiranen), insbesondere Hydrofluormonoethern, Fluorketonen, insbesondere Perfluorketonen, Fluorolefinen, insbesondere Hydrofluorolefinen, Fluornitrilen, insbesondere Perfluornitrilen, und Mischungen derselben. In Ausführungsformen kann das Lichtbogenlöschmedium einen Hydrofluormonoether mit mindestens drei Kohlenstoffatomen umfassen. Eine ausführlichere Beschreibung dieser Hydrofluormonoether ist beispielsweise in WO 2012/080222 enthalten, dessen Offenbarung hiermit in seiner Gesamtheit durch Verweis aufgenommen wird.
In Ausführungsformen kann das Lichtbogenlöschmedium ein Fluorketon mit vier bis zwölf Kohlenstoffatomen, vorzugsweise mit genau fünf Kohlenstoffatomen oder genau sechs Kohlenstoffatomen, oder eine Mischung davon umfassen. Eine ausführlichere Beschreibung solcher Fluorketone ist beispielsweise in WO 2010/142346 enthalten, dessen Offenbarung hiermit in seiner Gesamtheit durch Verweis aufgenommen wird.
Gemäß spezifischeren Ausführungsformen ist das Fluorketon ein Perfluorketon und hat spezifischer die Summenformel C₅F₁₀O, d. h. es ist vollständig gesättigt ohne Doppel- oder Dreifachbindungen zwischen Kohlenstoffatomen. Das Fluorketon kann bevorzugter ausgewählt werden aus der Gruppe bestehend aus:

1,1,1,3,4,4,4-Heptafluor-3-(trifluormethyl)butan-2-on (auch Decafluor-2-methylbutan-3-on genannt), 1,1,1,3,3,4,4,5,5,5-Decafluorpentan-2-on, 1,1,1,2,2,4,4,5,5,5-Decafluorpentan-3-on und Octafluorcylcopentanon, und ist am bevorzugtesten 1,1,1,3,4,4,4-Heptafluor-3-(trifluormethyl)butan-2-on. 1,1,1,3,4,4,4-Heptafluor-3-(trifluormethyl)butan-2-on kann durch die folgende Strukturformel (I) dargestellt werden:
1,1,1,3,4,4,4-Heptafluor-3-(trifluormethyl)butan-2-on, im Folgenden kurz „C5K“ genannt, mit der Molekularformel CF₃C (O) CF (CF₃)₂ oder C₅F₁₀O, hat sich bei Hoch- und Mittelspannungs-Isolieranwendungen als besonders bevorzugt erwiesen, da es die Vorteile einer hohen dielektrischen Isolierleistung, insbesondere in Mischungen mit einem dielektrischen Trägergas, mit einem sehr niedrigen GWP und einem niedrigen Siedepunkt aufweist. Es hat ein Ozonabbaupotenzial (Ozone Depletion Potential, ODP) von 0 und ist praktisch ungiftig.

Zusätzlich oder alternativ kann das Isoliermedium 1,1,1,2,4,4,5,5,5-Nonafluor-2-(trifluormethyl)pentan-3-on (auch Dodecafluor-2-methylpentan-3-on genannt) enthalten, das durch die folgende Strukturformel (II) dargestellt werden kann:
1,1,1,2,4,4,5,5,5-Nonafluor-4-(trifluormethyl)pentan-3-on (hier kurz „C6K“ genannt) mit der Molekularformel C₂F₅C (O) CF(CF₃)₂ hat sich aufgrund seiner hohen Isolierfähigkeit und seines extrem niedrigen GWP als besonders bevorzugt für Hochspannungsisolieranwendungen erwiesen. Insbesondere liegt seine Durchschlagsfeldstärke bei reduziertem Druck bei etwa 240 kV/(cm*bar), was viel höher ist als die von Luft mit einer wesentlich geringeren dielektrischen Festigkeit (E_cr = 25 kV/(cm*bar)). Es hat ein Ozonabbaupotenzial von 0 und ist ungiftig. Somit sind die Umweltauswirkungen viel geringer als bei der Verwendung von SF₆, und zugleich werden hervorragende Margen für die menschliche Sicherheit erzielt.
In weiteren oder alternativen Ausführungsformen umfasst das Lichtbogenlöschmedium mindestens eine Verbindung, die ein Hydrofluorether ist, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Hydrofluormonoether mit mindestens drei Kohlenstoffatomen; Hydrofluormonoether mit genau drei oder genau vier Kohlenstoffatomen; Hydrofluormonoether mit einem Verhältnis der Anzahl der Fluoratome zur Gesamtzahl der Fluor- und Wasserstoffatome von mindestens 5:8; Hydrofluormonoether mit einem Verhältnis der Anzahl der Fluoratome zur Anzahl der Kohlenstoffatome von 1,5:1 bis 2:1; Pentafluorethylmethylether; 2,2,2-Trifluorethyltrifluormethylether; und Mischungen derselben.
Zusätzlich oder alternativ kann das Lichtbogenlöschmedium ein Fluornitril als Organofluorverbindung, insbesondere ein Perfluornitril, umfassen. So kann beispielsweise die Organofluorverbindung ein Fluornitril, insbesondere ein Perfluornitril, mit zwei Kohlenstoffatomen, drei Kohlenstoffatomen oder vier Kohlenstoffatomen sein. Spezifischer kann das Fluornitril ein Perfluoralkylnitril sein, insbesondere Perfluoracetonitril, Perfluorpropionitril (C₂F₅CN) und/oder Perfluorbutyronitril (C₃F₇CN). Am spezifischsten kann das Fluornitril Perfluorisobutyronitril (gemäß der Formel (CF₃)₂CFCN) und/oder Perfluor-2-methoxypropannitril (gemäß der Formel CF₃CF(OCF₃)CN) sein. Von diesen wird Perfluorisobutyronitril aufgrund seiner geringen Toxizität besonders bevorzugt. Zusätzlich oder alternativ kann das Lichtbogenlöschmedium ein Fluorolefin, insbesondere ein Hydrofluorolefin, umfassen. Spezifischer enthält das Hydrofluorolefin bzw. Fluorolefin mindestens drei Kohlenstoffatome oder genau drei Kohlenstoffatome. Nach besonders bevorzugten Ausführungsformen wird das Hydrofluorolefin somit ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: 1,1,1,2-Tetrafluorpropen (HFO-1234yf; auch 2,3,3,3 Tetrafluor-l-Propen genannt), 1,2,3,3-Tetrafluor-2-Propen (HFO- 1234yc), 1,1,3,3-Tetrafluor-2-Propen (HFO-1234zc), 1,1,1,3-Tetrafluor-2-Propen (HFO-1234ze), 1,1,2,3-Tetrafluor-2-propen (HFO-1234ye), 1,1,1,2,3-Pentafluorpropen (HFO- 1225ye), 1,1,2,3,3-Pentafluorpropen (HFO-1225yc), 1,1,1,3,3-Pentafluorpropen (HFO-1225zc), (Z)1,1,1,3-Tetrafluorpropen (HFO-1234zeZ); auch cis-1,3,3,3-tetrafluor-1-propen genannt), (Z)1,1,2,3-Tetrafluor-2-propen (HFO-1234yeZ), (E)1,1,1,3-Tetrafluorpropen (HFO-1234zeE; auch trans-1,3,3,3-Tetrafluor-1-propen genannt), (E)1,1,2,3-tetrafluor-2-propen (HFO-1234yeE), (Z)1,1,1,2,3- pentafluorpropen (HFO-1225yeZ; auch cis-1,2,3,3,3 Pentafluorprop-l-en genannt), (E)1,1,1,2,3-Pentafluorpropen (HFO- 1225yeE; auch trans-1,2,3,3,3 Pentafluorprop-1-en genannt), und Mischungen derselben. In Ausführungsformen kann die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung insbesondere ein Hochspannungstrenner sein. Spezifischer kann es sich um einen Hochspannungstrenner handeln, der für Sammelbeaufschlagung ausgelegt ist, insbesondere für einen Strom im Bereich von 0,1 A bis 0,8 A und eine Spannung im Bereich von 72,5 kV bis 800 kV. In Zukunft können auch höhere Nennwerte möglich sein.
Zusätzlich oder alternativ kann die Vorrichtung ein Erdungsschalter für einen Hochspannungstrenner sein, der zum Schalten von induzierten Strömen ausgelegt ist, und insbesondere für einen Strom von höchstens 200 A und eine Spannung von höchstens 32 kV ausgelegt ist.
In Zukunft können auch höhere Nennwerte möglich sein. Alternativ kann es sich um einen Hochspannungstrenner handeln, der für Sammelumschaltung ausgelegt ist, insbesondere für einen Strom von maximal 1,6 kA und eine Spannung im Bereich von 10 V bis 40 V. In Zukunft können auch höhere Nennwerte möglich sein.
Trennschalter dieser Art, die SF₆ als Lichtbogenlöschmedium verwenden, sind in der Fachwelt bekannt, umfassen aber keine gegen Lichtbogen wirkende Komponente nach der vorliegenden Erfindung. Gegen Lichtbogen wirkende Komponenten wurden in der Fachwelt nirgendwo vorgeschlagen, da die Lichtbogenkühleigenschaften des Lichtbogenlöschgases im Allgemeinen als ausreichend für das Löschen des Lichtbogens unter ungeblasenen Bedingungen angesehen werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt bezieht sich die vorliegende Erfindung auch auf eine gasisolierte Mittelspannungs- oder Hochspannungsschaltanlage, die eine Vorrichtung wie vorstehend beschrieben umfasst.
Die vorliegende Erfindung wird ferner durch die beigefügten Zeichnungen wie folgt veranschaulicht:

1a, 1b stellen schematisch eine gegen Lichtbogen wirkende Komponente einer ersten Ausführungsform der Vorrichtung dar, wobei die gegen Lichtbogen wirkende Komponente während einer relativen Bewegung der Kontakte von einem in 1a dargestellten geschlossenen Zustand zu einem in 1b dargestellten geöffneten Zustand aktiviert wird;
2a, 2b stellen schematisch eine gegen Lichtbogen wirkende Komponente einer zweiten Ausführungsform der Vorrichtung dar, wobei die gegen Lichtbogen wirkende Komponente während einer relativen Bewegung der Kontakte von einem in 2a dargestellten geschlossenen Zustand zu einem in 2b dargestellten geöffneten Zustand aktiviert wird;
3a, 3b stellen schematisch eine gegen Lichtbogen wirkende Komponente einer dritten Ausführungsform der Vorrichtung dar, wobei die gegen Lichtbogen wirkende Komponente während einer relativen Bewegung der Kontakte von einem in 3a dargestellten geschlossenen Zustand zu einem in 3b dargestellten geöffneten Zustand aktiviert wird; und
4 zeigt schematisch zwei Kontakte einer exemplarischen Vorrichtung, wobei einem der Kontakte ein Federelement zugeordnet ist.

Wie in 1 exemplarisch dargestellt, umfasst die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung zwei zueinander bewegliche Kontakte 10, 12, insbesondere einen ersten Kontakt 10 in Form eines Tulpenkontakts 101, der in geschlossener Position in Form eines Steckkontakts 121 um den zweiten Kontakt 12 greift.
Der Tulpenkontakt 101 ist verschiebbar in einem Führungsrohr 14 enthalten, das einen Zylinder 16 mit einer durchgehenden Innenwand 18 bildet. So bildet der Tulpenkontakt 101 einen Kolben 20, der zusammen mit dem Zylinder 16 eine Verdichtungskammer 22 definiert, die das Lichtbogenlöschmedium 17 enthält. Innerhalb des Kolbens 20 bildet sich ein Strömungskanal 24, der axial durch die Mitte des Kolbens 20 verläuft.
Während der Bewegung des Tulpenkontakts 101 aus dem in 1a dargestellten geschlossenen Zustand in den in 1b dargestellten geöffneten Zustand wird die Verdichtungskammer 22 durch den Kolben 20 komprimiert, der sich in Richtung des Pfeils in 1b bewegt, und das in der Verdichtungskammer 22 enthaltene Lichtbogenlöschmedium 17 wird durch den Strömungskanal 24 gedrückt, der die Verdichtungskammer 22 fluidisch mit dem Lichtbogenbereich 26 verbindet. Somit wird das Lichtbogenlöschmedium mit einer relativ hohen Blasgeschwindigkeit in den Lichtbogenbereich 26 ausgestoßen, was das Löschen des Lichtbogens 27 unterstützt.
Mit anderen Worten, ein Differenzdruck zwischen der Verdichtungskammer 22 und dem Lichtbogenbereich 26 wird erzeugt, indem der Kolben 20 innerhalb des Führungsrohrs 14 gleitend bewegt und damit die Verdichtungskammer 22 komprimiert wird. Dadurch wird eine Strömung des Lichtbogenlöschmediums 17 aus der als Strömungserzeugungskammer 21 fungierenden Verdichtungskammer 22 in den Lichtbogenbereich 26 bewirkt.
Die Ausführungsform gemäß 1a, 1b umfasst somit eine gegen Lichtbogen wirkende Komponente 19, die eine Strömungskammer 21 umfasst, in der die Strömung durch Kompression erzeugt wird. Da durch die Erhöhung der Blasgeschwindigkeit der Lichtbogen effizient gekühlt wird, fungiert die gegen Lichtbogen wirkende Komponente in dieser Ausführungsform als ein Lichtbogenkühlungselement.
Nach der in 2a, 2b dargestellten Ausführungsform ist ein erster Kontakt 10' in Form eines Tulpenkontakts 101' vorhanden, in dem der zweite Kontakt 12' in Form eines Steckkontakts 121' enthalten ist. Der Tulpenkontakt 101' bildet einen Zylinder 16', in dem der Steckkontakt 121', der einen Kolben 20' bildet, gasdicht gleitend verschiebbar ist. Somit bilden der Kolben 20' und der Zylinder 16' zusammen eine Saugkammer 28, die als Strömungskammer 21' fungiert.
Im Bereich seines dem Tulpenkontakt 101' zugewandten vorderen Endes kann der Kolben 20' insbesondere eine elektrisch isolierende Nase 30 umfassen.
Während der relativen Bewegung der Kontakte 10', 12' von einem in 2a dargestellten geschlossenen Zustand zu einem in 2b dargestellten geöffneten Zustand wird das Volumen der Saugkammer 28 vergrößert. An einem bestimmten Punkt in der Bewegung werden die Kontakte 10', 12' getrennt und der Strom wird unterbrochen, aber die isolierende Nase 30 des Kolbens 20' bleibt zumindest zu einem bestimmten Teil innerhalb der Saugkammer 28. Durch weiteres Bewegen des Kolbens 20' in der Richtung weg vom Zylinder 16' wird der Differenzdruck weiter erhöht, da die isolierende Nase 30 als Stopfen den Druckausgleich verhindert. In diesem Zustand brennt der Lichtbogen 27 direkt über der isolierenden Nase 30, wodurch durch Materialabtrag zusätzlicher Überdruck erzeugt wird, der weiter zu einem noch höheren Differenzdruck zwischen dem Lichtbogenbereich 26 und der Saugkammer 28 beiträgt. In dem Moment, in dem die isolierende Nase 30 schließlich vom Zylinder 16' gelöst wird, strömt das Lichtbogenlöschmedium 17 also mit einer sehr hohen Strömungsgeschwindigkeit, die durch den hohen Differenzdruck erzeugt wird, in die Saugkammer 28. Letztendlich wird eine starke Blaswirkung durch das mit hoher Geschwindigkeit über den Lichtbogenbereich 26 strömende Lichtbogenlöschmedium 17 erreicht, wodurch das Erlöschen des Lichtbogens 27 unterstützt wird.
Ähnlich wie die in 2a, 2b dargestellte Ausführungsform umfasst auch die in 3a, 3b dargestellte Ausführungsform einen ersten Kontakt 10'' in Form eines Tulpenkontakts 101'', der einen Zylinder 16'' bildet, in dem ein zweiter Kontakt 12'' in Form eines Steckkontakts 121'', der einen Kolben 20'' bildet, gasdicht gleitend verschiebbar ist. Auch in dieser Ausführungsform bilden der Kolben 20'' und der Zylinder 16'' zusammen eine Saugkammer 28'', die als Strömungskammer 21'' fungiert.
Im Gegensatz zu der in 2a, 2b dargestellten Ausführungsform umfasst der Kolben 20'' von 3a, 3b im Bereich seines dem Tulpenkontakt 101'' zugewandten vorderen Endes ein Widerstandselement 32, das in axialer Richtung des Kolbens 20'' zwischen zwei Bereichen 34a, 34b aus einem Material mit geringerem Widerstand angeordnet ist.
Im geschlossenen Zustand ist das Widerstandselement 32 parallel zu den Bereichen 34a, 34b mit geringerem Widerstand, wie schematisch auf der rechten Seite von 3a dargestellt. Da der Widerstand des Widerstandselements 32 viel höher ist, fließt der Strom durch die Bereiche mit geringerem Widerstand 34a, 34b. Beim Verschieben der Kontakte 10'', 12'' aus dem in 3a dargestellten geschlossenen Zustand in den in 3b dargestellten geöffneten Zustand werden die Widerstände R_M und R_M der Bereiche mit geringerem Widerstand 34a, 34b und R_R des Widerstandselements 32 in Reihe geschaltet, wie auf der rechten Seite von 3b schematisch dargestellt, und werden somit vom Widerstand R_R des Widerstandselements 32 dominiert.
Während der Bildung des Lichtbogens 27 ergibt sich der Gesamtwiderstand somit (in guter Näherung) aus der Summe der Widerstände R_R des Widerstandselements 32 und R_arc des Lichtbogens 27. Während des Öffnungsvorgangs ist der Strom in diesem Strompfad aufgrund des Widerstandselements 32 gering, so dass der Spannungsabfall des Lichtbogens höher werden kann als ohne das Widerstandselement 32, was das Löschen des Lichtbogens vorteilhaft unterstützt.
Die durch die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung erzielte Blaswirkung, insbesondere der oben dargestellten Ausführungsformen, kann durch ein Federelement, wie in 4 dargestellt, weiter verstärkt werden. Darin ist ein erster Kontakt 10"' in Form eines Tulpenkontakts 101' vorhanden, während der zweite Kontakt 12"' in Form eines Steckkontakts 121"', wie bei den oben dargestellten Ausführungsformen, vorliegt. In der Ausführungsform von 4 weist der Steckkontakt 121'" jedoch eine Wölbung 38 auf, die den Steckkontakt 121'" von der axialen Bewegung weg vom Tulpenkontakt 101'" abhält. Zu diesem Zweck wird im Innenbereich 42 des Tulpenkontakts 101"' ein entsprechender nach innen gerichteter Vorsprung 40 gebildet.
Beim Ziehen der Kontakte 10''', 12'" in einer Richtung voneinander weg, wird ein Punkt erreicht, wenn die Federkraft 36 oder die Zugkraft 36 die Haltekraft zwischen den Kontakten 10''' oder 101'" und 12'' oder 121'" überschreitet. An diesem Punkt drückt die Wölbung 38 die Wand 41 des Tulpenkontakts 101"' nach außen und lässt schließlich den Steckkontakt 121'" axial aus dem Tulpenkontakt 101"' zurückschnellen. Somit wird der Steckkontakt 121'" mit relativ hoher Geschwindigkeit freigegeben und wirkt der Entstehung des Lichtbogens weiter entgegen und/oder unterstützt das Löschen des Lichtbogens bei Stromunterbrechung.
Bezugszeichenliste

10, 101; 10', 101'; 10'', 101''; 10''', 101''': Erster Kontakt, Tulpenkontakt
12, 121; 12', 121'; 12'', 121''; 12''', 121''': Zweiter Kontakt, Steckkontakt
14: Führungsrohr
16, 16', 16'': Zylinder
17: Lichtbogenlöschmedium
18: Innenwand des Zylinders
19: Gegen Lichtbogen wirkende Komponente
20, 20', 20'': Kolben
21, 21', 21'': Strömungserzeugungskammer
22: Verdichtungskammer
24: Strömungskanal
26: Lichtbogenbereich
27: Lichtbogen
28, 28'': Saugkammer
30: Elektrisch isolierende Nase
32: Widerstandselement mit Widerstandswert R_R
34a, 34b: Kolbenbereiche aus Material mit niedrigeren Widerstandswerten R_M
36: Federelement
38: Wölbung
40: Nach innen gerichteter Vorsprung
41: Wand des Tulpenkontakts
42: Innenbereich des Tulpenkontakts
Rare: Widerstand des Lichtbogens

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2010/142346 A [0006]
WO 2012/080246 A [0006]
WO 2012/080222 [0041]
WO 2010/142346 [0042]

Claims

Vorrichtung, die zum Unterbrechen von ausschließlich Nicht-Kurzschlussströmen ausgelegt ist, wobei die Vorrichtung Folgendes umfasst: mindestens zwei Kontakte (10, 12), die in Bezug zueinander zwischen einem geschlossenen Zustand und einem geöffneten Zustand beweglich sind und einen Lichtbogenbereich (26) definieren, in dem ein Lichtbogen (27) während eines Stromunterbrechungsvorgangs erzeugt wird und in dem ein Lichtbogenlöschmedium (17) mit einer Organofluorverbindung vorhanden ist, wobei dem Lichtbogenbereich (26) eine gegen Lichtbogen wirkende Komponente (19) zugeordnet ist, die dafür ausgelegt ist, der Erzeugung des Lichtbogens (27) entgegenzuwirken und/oder die Löschung des Lichtbogens (27) zu unterstützen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Vorrichtung ein Trennschalter, insbesondere ein Hochspannungstrenner, oder ein Erdungsschalter, insbesondere ein einschaltfester Erdungsschalter, ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die gegen Lichtbogen wirkende Komponente (19) ein Lichtbogen kühlendes Element zum Kühlen des Lichtbogens (27) umfasst oder daraus besteht.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die gegen Lichtbogen wirkende Komponente (19) so ausgebildet ist, dass sie während einer relativen Bewegung der Kontakte (10, 12) von einem geschlossenen Zustand in einen geöffneten Zustand aktiviert wird.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die gegen Lichtbogen wirkende Komponente (19) eine Strömungserzeugungskammer (21) umfasst, die über einen Strömungskanal (24) mit dem Lichtbogenbereich (26) fluidisch verbunden und derart ausgelegt ist, dass während einer relativen Bewegung der Kontakte (10, 12) von einem geschlossenen Zustand in einen geöffneten Zustand in der Strömungserzeugungskammer (21) in Bezug auf den Lichtbogenbereich (26) ein Differenzdruck erzeugt wird, der eine Strömung des Lichtbogenlöschmediums (17) zwischen dem Lichtbogenbereich (26) und der Strömungserzeugungskammer (21) verursacht.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens einer der Kontakte (10, 12) einen Kolben (20) bildet, der verschiebbar in einem Führungsrohr (14) enthalten ist, das einen Zylinder (16) für den Kolben (20) bildet, wobei der Kolben (20) zusammen mit dem Zylinder (16) eine Verdichtungskammer (22) als die Strömungserzeugungskammer (21) definiert, wobei die Verdichtungskammer (22) derart ausgelegt ist, dass sie während einer relativen Bewegung der Kontakte (10, 12) von einem geschlossenen Zustand in einen geöffneten Zustand verdichtet wird.
Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei die Verbindung zwischen dem Lichtbogenbereich (26) und der Verdichtungskammer (22) derart ist, dass während der Verdichtung das in der Verdichtungskammer (22) enthaltene Lichtbogenlöschmedium (17) in den Lichtbogenbereich (26) ausgestoßen wird.
Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, wobei der Strömungskanal (24) axial innerhalb des Kolbens (20) gebildet wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, wobei dem Strömungskanal (24) ein Ventil zugeordnet ist, das sich bei Überschreiten eines Schwellendifferenzdrucks öffnet.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der den Kolben (20) bildende Kontakt (10) ein Tulpenkontakt (101) ist, der dafür ausgelegt ist, einen Steckkontakt (12, 121) zu umgreifen.
Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei der Strömungskanal (24) in Form eines Strömungsspaltes ausgebildet ist, der zwischen der Innenwand des Tulpenkontakts (101) und der Außenwand einer zylindrischen Strömungsführung, die radial in einer beabstandeten Weise vom Tulpenkontakt (101) umschlossen ist, angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, wobei der Tulpenkontakt (101) radial in einer beabstandeten Weise von einer Düse umschlossen ist, wodurch ein Düsenspalt gebildet wird, der sich in den Lichtbogenbereich (26) öffnet.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 12, wobei der den Kolben (20) bildende Kontakt einen proximalen Kontaktbereich und einen distalen Verdichtungsbereich umfasst, der dem Kontaktbereich axial gegenüberliegend angeordnet ist, wobei die Querschnittsfläche des Verdichtungsbereichs größer ist als die Querschnittsfläche des Kontaktbereichs.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 und 9 bis 13, wobei einer der Kontakte (10', 10''; 12', 12'') in Form eines Kolbens (20', 20'') ausgebildet ist, der vom anderen Kontakt (12', 12''; 10', 10''), der einen Zylinder (16', 16'') bildet, beinhaltet ist und im Zylinder (16', 16'') gasdicht gleitend verschiebbar ist, wobei der Kolben (20', 20'') und der Zylinder (16', 16'') zusammen eine Saugkammer (28, 28'') als die Strömungserzeugungskammer (21) bilden, wobei die Saugkammer (28, 28'') dafür ausgelegt ist, ihr Volumen während einer relativen Bewegung der Kontakte (10', 10"; 12', 12'') von einem geschlossenen Zustand in einen geöffneten Zustand zu vergrößern.
Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei der den Zylinder (16', 16'') bildende Kontakt (10', 10'') ein Tulpenkontakt (101', 101'') ist.
Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, wobei der Kolben (20') eine elektrisch isolierende Nase (30) im Bereich seines vorderen Endes gegenüber dem anderen Kontakt (10', 101') aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 16, wobei sie ferner ein Steuervolumen umfasst, das dafür ausgelegt ist, während einer relativen Bewegung der Kontakte von einem geschlossenen Zustand in einen geöffneten Zustand expandiert zu werden, wobei das Steuervolumen im geöffneten Zustand durch mindestens eine Öffnung, die durch die Wand des Zylinders verläuft, fluidisch mit dem Lichtbogenbereich verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 17, wobei das Steuervolumen radial außerhalb des Zylinders angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei angrenzend an die Kontakte (10, 12) ein ablatives Material angeordnet ist, wobei das ablative Material dafür ausgelegt ist, Ablation auszubilden, wenn es dem Lichtbogen (27) ausgesetzt ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, als gegen Lichtbogen wirkende Komponente (19) einen Magneten umfassend, der ein Dauermagnetfeld im Lichtbogenbereich (26) erzeugt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Federelement (36) mindestens einem beweglichen Kontakt (12''', 121"') zugeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 21, wobei die Kontakte (10''', 101'''; 12''', 121"') von einem Übergang von einem geschlossenen in einen geöffneten Zustand durch eine Haltekraft abgehalten werden und das Federelement (36) für den Aufbau einer die Haltekraft übersteigenden Zugkraft ausgelegt ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei einer der Kontakte (10'', 101''; 12'', 121'') in Form eines Kolbens (20'') ausgebildet ist, der vom anderen Kontakt (12'', 121''; 10'', 101''), der einen Zylinder (16") bildet, beinhaltet ist und im Zylinder (16") gleitend verschiebbar ist, wobei der Kolben (20'') im Bereich seines vorderen Endes, dem anderen Kontakt zugewandt, ein Widerstandselement (32) aufweist, das in axialer Richtung des Kolbens (20'') zwischen zwei Bereichen (34a, 34b) eines Materials mit geringerem Widerstand angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Lichtbogenlöschmedium (17) ferner Luft oder mindestens eine Luftkomponente umfasst, insbesondere ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Sauerstoff (O₂) und Stickstoff (N₂), Kohlendioxid (CO₂) und Mischungen derselben.
Vorrichtung nach Anspruch 24, wobei das Lichtbogenlöschmedium (17) eine Mischung aus Kohlendioxid und Sauerstoff umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 24 oder 25, wobei das Verhältnis der Kohlendioxidmenge zur Sauerstoffmenge im Bereich von 50:50 bis 100:1, vorzugsweise von 80:20 bis 95:5, bevorzugter von 85:15 bis 92:8, noch bevorzugter von 87:13 bis weniger als 90:10 und insbesondere bei ungefähr 89:11 liegt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Organofluorverbindung ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: Fluorethern, insbesondere Hydrofluormonoethern, Fluorketonen, insbesondere Perfluorketonen, Fluorolefinen, insbesondere Hydrofluorolefinen, und Fluornitrilen, insbesondere Perfluornitrilen, und Mischungen derselben.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Lichtbogenlöschmedium (17) ein Fluorketon mit vier bis zwölf Kohlenstoffatomen, vorzugsweise mit genau fünf Kohlenstoffatomen oder genau sechs Kohlenstoffatomen oder Mischungen derselben, umfasst.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Lichtbogenlöschmedium (17) einen Hydrofluormonoether mit mindestens drei Kohlenstoffatomen umfasst.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei es sich um einen Hochspannungstrenner handelt, der für Sammelbeaufschlagung ausgelegt ist, insbesondere für einen Strom im Bereich von 0,1 A bis 0,8 A und eine Spannung im Bereich von 72,5 kV bis 800 kV.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei es sich um einen Erdungsschalter eines Hochspannungstrenners handelt, der zum Schalten von induzierten Strömen ausgelegt ist, insbesondere für einen Strom von höchstens 200 A und eine Spannung von höchstens 32 kV.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei es sich um einen Hochspannungstrenner handelt, der zur Sammelumschaltung ausgelegt ist, insbesondere für einen Strom von höchstens 1,6 kA und eine Spannung im Bereich von 10 V bis 40 V.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich die Vorrichtung von einem Leistungsschalter unterscheidet, insbesondere von einem Mittelspannungs- oder Hochspannungsschalter, welcher in der Lage ist, Kurzschlussströme zu unterbrechen; und/oder die Vorrichtung nicht in der Lage ist, Kurzschlussströme zu unterbrechen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung Mittel zum Unterbrechen der Nicht-Kurzschlussströme aufweist; und/oder die Vorrichtung keine Mittel zum Unterbrechen von Kurzschlussströmen aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Nicht-Kurzschlussströme Ströme sind, die von einem elektrischen Netz über unbeabsichtigte oder beabsichtigte Wege zur Erde fließen und länger als 3 Sekunden, insbesondere länger als 5 Sekunden, andauern.
Gasisolierte Mittelspannungs- oder Hochspannungsschaltanlage, die eine Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche umfasst.
Niederspannungs-Leistungsschalter, insbesondere gemäß einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 35, umfassend mindestens zwei Kontakte (10, 12), die in Bezug zueinander zwischen einem geschlossenen Zustand und einem geöffneten Zustand beweglich sind und einen Lichtbogenbereich (26) definieren, in dem ein Lichtbogen (27) während eines Stromunterbrechungsvorgangs erzeugt wird und in dem ein Lichtbogenlöschmedium (17) mit einer Organofluorverbindung vorhanden ist, wobei dem Lichtbogenbereich (26) eine gegen Lichtbogen wirkende Komponente (19) zugeordnet ist, die dafür ausgelegt ist, der Erzeugung eines Lichtbogens (27) entgegenzuwirken und/oder die Löschung eines Lichtbogens (27) zu unterstützen.