DE2361203A1

DE2361203A1 - Elektrischer leistungsschalter mit einer loeschvorrichtung

Info

Publication number: DE2361203A1
Application number: DE2361203A
Authority: DE
Inventors: Rudolf Dr Ing Foitzik
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1973-12-06
Filing date: 1973-12-06
Publication date: 1975-06-12
Also published as: JPS5094478A

Description

Elektrischer Leistungsschalter mit einer Löschvorrichtung

Eines der wichtigsten beim Bau elektrischer Leistungsschalter zu lösende Teilproblem besteht in dem Entwurf wirkungsvoller Löschvorrichtungen für die beim Schalten entstehenden Lichtbögen. Den hierbei angewandten Löschprinzipien liegt zumeist die Absicht zugrunde, dem Lichtbogen Ladungsträger zu .entziehen und ihn zu verlängern, um die Lichtbogenspannung zu vergrößern. Beispielsweise hat es sich für Leistungsschalter im Spannungsbereich von 10 bis 30 kV bewährt, einen geradlinig beweglichen Schaltstift vorzusehen, der durch eine Löschkammer hindurchbewegt wird, in der sich Öl als Löschmittel befindet. Die Löschkammer ist derart ausgeführt, daß bei der Bewegung des Schaltstiftes eine Ölströmung hervorgerufen wird, die den Lichtbogen intensiv kühlt. Bei höheren Spannungen wendet man bevorzugt eine Beblasung der Schaltlichtbögen durch unter Druck stehende Gase an, wobei sowohl Luft als auch spezielle Löschgase, ζ. B. Schwefelhexafluorid, benutzt werden. Ferner kann das Hochvakuum zur Lichtbogenlöschung herangezogen werden.

Wegen des ständigen Steigens des Verbrauchs elektrischer Energie besteht der Wunsch, die Abmessungen der benötigten Schalt·^ .geräte nicht in dem Maß des Verbrauchs ansteigen zu lassen. Die Erfindung zeigt einen Weg, wie Leistungsschalter bekannter Konstruktion bedeutend leistungsfähiger gemacht werden können. Hierzu geht die Erfindung von einem elektrischen Leistungsschalter mit einer durch relativ zueinander bewegliche Schaltstücke gebildeten Schaltstrecke und einer mit dieser zusammenwirkenden Löschvorrichtung für Schaltlichtbögen aus.

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Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, daß parallel zu einem Teil der Schaltstrecke spannungsabhängige Widerstände geschaltet sind. Bei ausreichend stark ausgeprägter Spannungsabhängigkeit haben solche Widerstände die Eigenschaft, unterhalb eines bestimmten Spannungswertes annähernd Isolatoren zu sein, während sie bei geringer Überschreitung eines Grenzwertes der Spannung ihren Widerstand stark erniedrigen und damit zu einem verhältnismäßig guten Leiter werden. Ein solcher Widerstand übernimmt den Strom eines Schalters, wenn die Lichtbogenbrennspannung größer als die Grenzspannung des spannungsabhängigen Widerstandes ist. Damit werden für den Lichtbogen gute Löschbedingungen geschaffen.

Zu einer vorteilhaften Gestaltung des Leistungsschalters kann man dadurch gelangen, daß die spannungsabhängigen Widerstände in der Löschvorrichtung angeordnet sind. Beispielsweise können bei Verwendung eines geradlinig bewegbar angeordneten Schaltgliedes die spannungsabhängigen Widerstände in Gestalt regelmäßig geformter Körper entlang dem Weg des beweglichen Schaltgliedes angeordnet sein. Fügt man ferner die spannungsabhängigen Widerstände unter Zwischenlage von Metallteilen zu einer Säule zusammen, die eine durchgehende Bohrung für den Durchtritt des Schaltgliedes besitzt, so werden durch die große Nähe des Lichtbogens zu den spannungsabhängigen Widerständen bzw. zu den durch die eingelegten Metallteile gebildeten Zwischenelektroden gute Voraussetzungen für den Übergang des Stromes vom Lichtbogen auf die spannungsabhängigen Widerstände geschaffen.

Bei dieser Anordnung kann ein Schutz für die dem Lichtbogen zugewandten Flächen der spannungsabhängigen Widerstände dadurch geschaffen werden, daß diese Flächen durch einen lichtbogenbeständigen Isolierstoff abgedeckt sind.

An die spannungsabhängigen Widerstände werden bei ihrer Anwendung im Rahmen der Erfindung hohe Ansprüche hinsichtlich ihres Energieaufnahmevermögens gestellt. Es kann daher vorteilhaft sein, zwischen den Widerstandskörpern Abstandsstücke

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vorzusehen, die Kanäle für eine radiale Strömung eines Löschmittels bilden. Die Löschvorrichtung kann hierbei ähnlich wie bei den bekannten ölarmen Leistungsschaltern ausgebildet sein, bei.denen die Schaltstücke unter Öl geöffnet werden und bei denen im Verlauf des Abschaltvorganges für eine lebhafte Strömung des Öles, vorzugsweise zumindest stellenweise quer zum Lichtbogen, gesorgt wird. Diese Ölströmung. ist auch im Rahmen der Erfindung vorteilhaft, weil einerseits der Lichtbogen gekühlt wird und zugleich auch Wärme aus den spannungsabhängigen Widerständen abgeführt wird.

Um bei einem Abschaltvorgang die spannungsabhängigen Widerstände besonders rasch zur Wirkung zu bringen, empfiehlt es sich, dem dem feststehenden Schaltstück nächstliegenden Widerstandskörper eine geringere Erstreckung in Richtung der Schaltstrecke als die folgenden Widerstandskörper, jedoch einen größeren Querschnitt zu geben. Dadurch kommt es besonders rasch zu einer Übernahme des Stromes durch den ersten spannungsabhängigen Widerstand, der dem Strom durch seine stärkere Bemessung gewachsen ist. .

Für die Erfindung kommen spannungsabhängige Widerstände in Betracht, die eine ausreichend ausgeprägte Spannungsabhängigkeit, d. h. einen genügend großen Exponenten η in der Beziehung i . k = u ⁿ zwischen Strom und Spannung (k = Konstante) und ein ausreichend hohes Energieaufnahmevermögen besitzen. Diese Bedingungen werden vor allem von Widerstandskörpern er-' füllt, die aus einem mit Metalloxiden dotierten Zinkoxid bestehen, wobei als Dotierungsstoffe beispielsweise Wismut .und Antimonoxid in einer Menge von 2-5 Mol-% in Betracht kommen. Der Exponent η kann hierbei Werte zwischen 10 und 40 aufweisen. Geeignete Zusammensetzungen von Stoffen zur Herstellung von Widerstandskörpern sind beispielsweise aus der DT-OS 1 802.452 zu entnehmen.

Es ist bereits bekannt, zwischen den Schaltgliedern eines "elais als Stützorgane Körper aus Metalloxidmaterial anzu-

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ordnen (US-PS 3 710 058). Dadurch werden aber lediglich beim Schalten induktiver Verbraucher entstehende Überspannungen vermindert.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Zum besseren Verständnis der Erfindung werden zunächst die grundsätzlichen Vorgänge anhand der Figuren 1 bis 6 beschrieben. In Fig. 1 ist schematisch ein Schalter 1 gezeigt, dem ein spannungsabhängiger Widerstand 2 parallelgeschaltet ist. Es sei angenommen, daß sich diese Anordnung bei geschlossenem Schaltglied 3 in einem Stromkreis befinden möge. Wird das Schaltglied 3 geöffnet, so wird ein Lichtbogen gezogen, an dem eine gewisse Lichtbogenspannung abfällt. Sobald die Lichtbogenspannung die Schwellspannung des spannungsabhängigen Widerstandes 2 überschreitet, übernimmt der Widerstand 2 den über die Anordnung fließenden Strom, so daß der Lichtbogen an dem Schaltglied 3 erlischt. Diese Vorgänge sind in Fig. 2 dargestellt, in der über die Dauer einer Periode des fließenden Wechselstromes der über den Schalter fließende Strom i und der über den spannungsabhängigen Widerstand fließende Strom i eingetragen sind. Wie Fig. 2 zeigt, kommt es infolge der Charakteristik des spannungsabhängigen WiderStandes 2 zu einem von der Sinusform stark abweichenden Verlauf des Stromes, bei dem jeweils in einem'breiten Bereich beiderseits des Stromnulldurchganges ein stromschwacher Bereich vorhanden ist. Dieser annähernd stromlose Bereich begünstigt die Lichtbogenlöschung.

Unter Benutzung des anhand der Figuren 1 und 2 dargestellten Prinzips kann ein Schalter arbeiten, der in Fig. 3 gezeigt ist. Dieser unterscheidet sich von der Anordnung nach Fig. 1 durch einen zusätzlichen Schalter 4 mit einem Schaltglied 5. Der Schalter 4 dient dazu, nach der Öffnung des Schalters 1 und der Übernahme des Stromes durch den spannungsabhängigen Widerstand 2 den fließenden Reststrom zu unterbrechen.

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Bei prinzipiell gleicher Wirkungsweise wie die Anordnung nach Fig. 3 ist bei der Anordnung gemäß der Fig. 4 ein weiterer Schalter 6 mit einem Schaltglied 7 und einem parallel dazu geschalteten spannungsabhängigen Widerstand 8 vorgesehen. Dieser Schalter verfügt daher über drei in Reihe miteinander liegende Schaltstrecken, die nacheinander in der Reihenfolge von links nach rechts betätigt werden. Infolge der Verwendung von zwei spannungsabhängigen Widerständen 2 und 8 ist diese Anordnung für höhere Schaltleistungen geeignet.

Das erläuterte Prinzip kann auch in der in Fig. 5 dargestellten Form verwirklicht werden, bei der die Elemente in der gegenüber Fig. 3 umgekehrten Reihenfolge angeordnet sind. Entsprechend sind bei der Anordnung gemäß der Fig. 6 die. Elemente gegenüber der Fig. 4 vertauscht angeordnet.

Ein Beispiel für die praktische- Verwirklichung der Erfindung zeigt die Fig. 7» in der schematisch eine Schaltkammer eines ölarmen Leistungsschalters dargestellt ist. In einem hohlen Isolierkörper 10 befindet sich ein feststehendes Schaltstück 11, das mit einem als geradlinig beweglicher Schaltstift 12 ausgebildeten Schaltglied zusammenwirkt,, Der Antriebsmechanismus des Schaltstiftes 12 ist nicht näher dargestellt. In bekannter Weise kann ein Kurbelantrieb mit einem Federspeicher oder ein hydraulischer oder elektromagnetischer Antrieb vorgesehen sein. Die Spitze" des Schaltstiftes 12 ist mit einem Isolierstoffkopf 13 versehen, wie dies ebenfalls bekannt ist_o

Entlang dem Weg des Schaltstiftes 12 sind spannungsabhängige Widerstandskörper 14 angeordnet, die die Gestalt von Scheiben mit einer zentrischen Bohrung 15 aufweisen. Die dem Schaltstift 12 zugewandten Flächen der Widerstandskörper 14 sind mit Isolierstoff teilen 16 bedeckt,» Zwischen, den Widerstandskörpern 14 befinden sich Metallplatten 17, die .als bis an die für den Schaltstift 12 frei bleibende Bohrung heranreichende Elektroden wirken. Die gesamte Schaltkammer kann.in bekannter Weise mit einem für Leistungsschalter gebräuchlichen Öl gefüllt sein.

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Beim Herausziehen des Schaltstiftes 12 aus dem feststehenden Schaltstück 11 mittels der nicht dargestellten'Antriebsvorrichtung wird ein Lichtbogen gezogen, der sich von dem Schaltstück 11 bis unterhalb des Isolierstoffkopfes 13 des Schaltstiftes 12 erstreckt. Sobald die Lichtbogenspannung .an einem Teilabschnitt des Lichtbogens größer als die Schwellspannung des zwischen zwei Elektroden 17 befindlichen spannungsabhängigen Widerstandes 14 ist, erlischt dieser Teil des Lichtbogens. Bei der Bewegung des Schaltstiftes 12 entstehen daher zunächst Lichtbögen, die nacheinander erlöschen. Unter dem Einfluß des Löschmittels und einer durch den Lichtbogen und eine evtl. vorgesehene zusätzliche Pumpeinrichtung hervorgerufenen Strömung sowie der Einengung des Lichtbogens zwischen der Isolierstoffspitze 13 und der Wandung der Bohrung 15 wird der Reststrom unterbrochen.

In dem Ausführungsbeispiel gemäß der Fig. 8 ist jeder spannungsabhängige Widerstandskörper 14 mit eigenen Metallplatten 17 belegt, wobei zwischen benachbarten Metallplatten Stege 20 angeordnet sind. Dadurch werden, wie die Fig. 9 deutlich erkennen läßt, radiale Kanäle geschaffen, die eine Strömung des Löschmittels begünstigen. Dadurch wird sowohl die Lichtbogenlöschung begünstigt als auch eine Kühlung der Widerstandskörper 14 ermöglicht.

Während in den Figuren 7 und 8 spannungsabhängige Widerstandskörper in Scheibenform mit einer zentrischen Bohrung vorgesehen sind, können auch quaderförmige Widerstandskörper benutzt werden, die zu einem Ring zusammengesetzt werden. Hinsichtlich der Anordnung der Widerstandskörper, ihrer Kontaktierung und mechanischen Unterstützung in der Schaltkammer bestehen im Rahmen der Erfindung zahlreiche Ausführungsmöglichkeiten. Wesentlich ist in jedem Fall, daß die Widerstandskörper entlang dem Weg des Schaltstiftes angeordnet sind und bei der Bewegung des Schaltstiftes nacheinander den Lichtbogenstrom übernehmen.

9 Ansprüche
8 Figuren

Claims

Patentansprüche

lektrischer Leistungsschalter mit einer durch relativ zueinander bewegliche Schaltstücke gebildeten Schaltstrecke und einer mit dieser zusammenwirkenden Löschvorrichtung für Schaltlichtbögen, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu einem Teil der Schaltstrecke spannungsabhängige Widerstände (14) geschaltet sind.
2. Leistungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die spannungsabhängigen Widerstände (14) in der Löschvorrichtung angeordnet sind.
3. Leistungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung eines feststehenden (11) und eines bewegbar angeordneten Schaltgliedes (12) die spannungsabhängigen Widerstände in Gestalt regelmäßig geformter Körper (14) entlang dem Weg des Schaltgliedes (12) angeordnet sind.
4. Leistungsschalter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die spannungsabhängigen Widerstände (14) unter Zwischenlage von Metallteilen (1?) in Gestalt einer Säule angeordnet sind, die eine durchgehende Bohrung: (15) für den Durchtritt des Schaltgliedes (12) besitzt.
5. Leistungsschalter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Schaltglied (12) zugewandten Flächen der spannungsabhängigen Widerstände (14) durch einen lichtbogenbeständigen Isolierstoff (16) abgedeckt sind.
6. Leistungsschalter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Widerstandskörpern (14) Abstandsstücke (20) angeordnet sind, die Kanäle für eine radiale Strömung eines Löschmittels bilden.·

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7. Leistungsschalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der dem feststehenden Schaltstück nächstliegende Widerstandskörper eine geringere Erstreckung in Richtung der Schaltstrecke, jedoch einen größeren Querschnitt besitzt.
8. Leistungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandskörper (14) aus einem mit Metalloxiden dotierten Zinkoxid bestehen.
9. Leistungsschalter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltglied (12) eine aus Isolierstoff bestehende Spitze (13) besitzt.

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