DE2904109A1

DE2904109A1 - Druckgas-hochspannungsleistungsschalter

Info

Publication number: DE2904109A1
Application number: DE19792904109
Authority: DE
Inventors: Eckart Bonin
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1979-02-03
Filing date: 1979-02-03
Publication date: 1980-08-07
Also published as: EP0014393A1; JPS55104035A

Description

29041

Licentia Patent-Verwaltungs-GmbH

6 Frankfurt/M.70, Theodor-dtern-Kai 1

Wi/bu KS 73/121

29.1.1979

Druckgas-Hochspannungsleistungsschalter

Die Erfindung bezieht sich aur einen Druckgas-Hochspannungsleistungsschalter gem. dem Gattungsbegriff des Anspruchs 1.

Es ist bekannt, bei Hochspannungsleistungsschaltern mit einer Kontaktanordnung, die sich in einer elektronegativen Druckgas -meist SF -Atmosphäre-als Isolier- bzw. Löschmittel befinden, den Schaltlichtbogen dem Einfluss eines magnetischen Feldes auszusetzen, derart, daß der Lichtbogen rotiert. Durch die Rotation soll dem Lichtbogen Energie entzogen v/erden, so daß eine Löschung im Strom-iTulldurchgang möglich ist. Bei einigen Ausführungen dient der rotierende Lichtbogen zusätzlich auch dazu, das Löschmittel zu bewegen bzw. einen Druck zu erzeucren, damit das so bewegte Löschmittel den Lichtbogen beblast.

Παη glaubt, daß der Snergieentzuq des rotierenden Lichtbogens praktisch allain durch die Kühlung des relativ zum Druckgas, d.h. zum SP^-Gas, rotierenden Lichtbogens bewirkt wird.

Derartige Schalter mit einem rotierenden Lichtbogen besitzen eine ralativ auf'»/endige Kontaktanordnung, d.h. sie besitzen ira allgemeinen neben den Schait-Kontaktstücken zusätzliche Ringkontakte, auf die der Lichtbogen beim Auseinanderziehen der Schaltkontaktstücke

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übergeht und entlang deren er bis zur. Löschung rotieren kann.

Die Erfindung geht von der Überlegung aus, daß der Energiesntzug des Lichtbogens nicht, wie angenommen wird, durch die vorgenannte Kühlwirkung des Lichtbogens aufgrund der Rotation relativ zum Druckgas bewirkt werden kann. Im Augenblick des Stromnulldurchganges, der für die Ausschaltung praktisch allein interessant ist, steht nämlich der Lichtbogen ohnehin, da die auf ihn wirkende Kraft gleich Hull ist. Auch wenn der Lichtbogen vorher rotiert hat und nach dem iTulldurchgang weiter rotieren würde, steht er im Stromnulldurchgang, da sich nach dem Nulldurchgang die Drehrichtung ändert. An der entscheidenden Stelle (Stromnulldurchgang) bzw. im Bereich davor (Strom geht gegen Null und damit geht auch die Drehkraft gegen Null) ist somit keine bzw. nur eine geringe Relativbewegung gegeben, so daß insoweit die Kühlwirkung gering bleiben dürfte. Wenn das Druckgas sich andererseits mitdrehen '.vürde, so daß während der ganzen Stromhalbwelle keine große Kühlwirkung erzielt würde, so würde aber auch gerade im Nulldurchgang der Lichtbogen ohne Relativgeschwindigkeit "schwimrnan", d.h. er würde auch dann mitgedraht und würde somit nicht gekühlt werden.

'vcnn es jedoch nach dsr Erkenntnis der Erfindung nicht die Kühlung des Bogens durch die Relativbewegung zwischen Lichtbogen und Druckgas ist, die die bekannten Schalter funktionsfähig macht, sondern praktisch allein die Verarmung an Ladungssträngen im Lichtbogen, so ist auch eine Rotation des Lichtbogens mit den ITachteilen des zusätzlichen Aufwandes bezüglich der speziellen Elektroden überflüssig.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, den Druckgasschalter der eingangs genannten Art so auszubilden, daß das gleiche Schaltverhaiten mit geringerem Aufwand crzielbar ist«, Die Lösung dieser Aufgabe gelincft gemäß der Erfindung durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1.

Der erfindungsgemäße Druckgasschalter arbeitet daher mit einem in der elektronegativen Druckgas-, insbesondere SF_-Atmosphäre im

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Magnetfeld stehenden Schaltlichtbogen. Dieser Lichtbogen steht daher im Raun zwischen zwei Elektroden, den Schaltstücken der Schaltstrecke oder zusätzlichen Kontaktstücken, die jedoch nicht besonders ausgebildet sein müssan, insbesondere keine Ringform aufweisen müssen. 3ie können daher ähnlich den üblichen Stift- oder Rohrelektroden ausgebildet sein. Der Schalterlichtbcgen ist daher mit besonders einfachen Mitteln -es sind praktisch nur die Spulen der Magnetfeldanordnung notwendig- ohne Veränderung der herkömmlichen Kontaktsysteme günstig im Sinne einer sicheren Löschung zu beeinflussen. Die Lehre nach der Erfindung eignet sich daher mit Vorteil auch für die zusätzliche nachträgliche Ausrüstung von herkömmlichen Druckgasschaltern, insbesondere SF^- Schaltarn.

Die Lehre nach der Erfindung, die allen später in der Zeichnung bc-schriebanen Ausführungsxormen zugrunde liegt, beruht darauf, daß das Magnetfeld auf die 3ahn dar einzelnen Ladungsträger wirkt und nicht nur auf den Lichtbogen als Ganzes, tfenn die Ladungsträger dia bekannten "korkenzieherähnlichen" Bahnen einschlagen, wird die thermische Leitfähigkeit (die elektrische Leitfähigkeit infolge thsrmodynamischer Stoßprozesse) stark herabgesetzt, so daß eine Löschung des Lichtbogens auch unter starker nachfolgender Spannungsbeanspruchung erfolgt. Die Anordnung des Feldes, die Ausbildung der Kontaktanordnung" usw. ist daher stets so zu treffen, daß das Magnetfeld die Bahn der Ladungsträger im Lichtbogen derart verwirbelt, daß der Leitwert das Lichtbogens stark abfällt. Dieser Effekt drückt sich durch eine höhere Brennspannung vor dem otromnulldurchgang aus.

Das Magnetfeld braucht dabei nicht unbedingt senkrecht auf dem elektrischen Feld des Lichtbogens zu stehen. Es ist auch kein homogenes Magnetfeld vorgeschrieben; divergente Felder oder "Cusp"-Felder sind ebenfalls denkbar. Es ist auch möglich, ein im wesentlichen paralleles Magnetfeld zu benutzen (parallel zum elektrischen FaId), da davon ausgegangen v/erden muß, daß wegen der Thermodynamik die Ladungsträger nie eine gradlinige Bahn in Feldrichtung •-urchlauf en, sondern schon die leichtesten B ahn abweichungen aufgrund von Stößen zu Guerbewegungen führen, die dann die volle Bahnablenkung im Magnetfeld zur Folge haben»

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Die Anordnung ist dabei so zu treffen-, daß sich der Lichtbogen als Ganzes nicht aus der optimalen Lage herausbex^egen kann. Dies kann durch Kammerwände, z.3. in Form eines Rohres oder bestimmte Magnetfeldforman oder Kombinationen von beiden bewirkt werden.

Leistungsschalter im Niederspannungs- und Mittelspannungsbereich mit im Magnetfeld nicht rotierendem Lichtbogen in Luft sind an sich bekannt. Bei diesen bekannten Leistungsschaltern wandert der Lichtbogen auf Schienen in eine Löschkammer, an deren Wänden er (durch Wärmeableitung) gekühlt x/ird. Bei dem Schalter nach der Erfindung entfällt jedoch eine Kühlung durch Wärmeleitung an entsprechenden Wänden; es steht die Verarmung an Ladungsträgern im Vordergrund.

Es sind auch Vakuumschalter (im Mittelspannungsbereich) mit im Magnetfeld stehenden Lichtbogen bekannt, bei denen der Effekt der Ladungsträgerverarmung ausgenutzt wird. Dennoch wird von der Fachwelt für die SF -Iiochsoannungsschalter stets ain rotierender Lichtbogen verx/endet, wahrscheinlich x^egen der festen Überzeugung, daß die Kühlung durch die Relativbewegung vom Lichtbogen und umgebendem Gas ausschlaggebend ist.

Anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen wird die Erfindung näher beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 eine prinzipielle Darstellung der Schaltkammer eines gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ausgebildeten Druckgasschalters,

Ficf. 2-4 andere Ausführungsformen der Erfindung,

Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel für die nachträgliche Ausrüstung eines SF._-Schal tars mit dem Gegenstand der Erfindung.

Die in Fig. 1 dargestellte Schaltkamiaer eines Druckgasschalters waist ein Gehäuse 1 auf, in der ein fester Schaltkontakt 2 und ein beweglicher Schaltkontakt 3 eingeführt sind, und die eine SF^- Gasatmosphäre in der üblichen Weise enthält. Die Schaltkontakte;

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des Schalters befinden sich in einer Stellung, in der sich ein Lichtbogen 4 zwischen den Schaltkontakten 2 und 3 befindet. Es sind weiterhin zwei Magnetfelder erzeugende Spulen 5a und 5b vorgesehen, wobei in der Ausführungsform nach Fig. 1. das Magnetfeld mit der Induktion ^ senkrecht auf dem elektrischen Feld der Feldstärke vpdes Lichtbogens steht. Umleitstücke, d.h. Fingerkontakte 6a, 6b bzw. ein Isolierstück 7 im beweglichen Kontaktstück 3 sorgen für eine Umleitung des Stromes auf die Spulen 5a und 5b in geöffneten Zustand der Schaltstrecke. Ist die Schaltstrecka geschlossen, umgreifen die Fingerkontakte 6a, Sb das Schaltstück 2; der Strom fließt dann allein über die Kontaktstrecken 2,3, d.h. die Spulen 5a, 5b sind kurzgeschlossen. Im dargestellten geöffneten Zustand fließt der Strom von dem Kontakt 2 über den Lichtbogen und die Spulen 5a, 5b zum Kontakt 3. Ss ist weiterhin ein Rohr 8 vorgesehen, das den freien Raum zwischen den Schaltkontakten umhüllt und das den Lichtbogen in seiner Lage festhält, d.h., das Rohr sorgt dafür, daß sich im Magnetfeld ein stehender Schaltlichtbogen ausbildet.

Das Magnetfeld wirkt auf die einzelnen Ladungsträger des Lichtbogens unmittelbar ein, die die bekannte korkenzieherähnliche Bahn beschreiben, d.h. aus dem Lichtbogen heraustreten und von dem

SF^-Gas neutralisiert v/erden. Schalter mit stehendem Lichtbogen ο

im elektrischen Feld einer Luftstmosphäre sind an sich bekannt; im vorliegenden Fall ist jedoch die Atmosphäre eine SF „-Atmosphäre, die sich besonders günstig auf das Neutralisieren der herausgelösten Ladungsträger auswirkt. Das Magnetfeld verwirbelt die Bahn der Ladungsträger sehr intensiv, so daß dar Leitwert stark abfällt. Dadurch, daß das Magnetfeld senkrecht auf dem elektrischen Feld dec Lichtbogens steht, ist die Verwirbelung besonders intensiv, da die Kraft, die von dam Magnetfeld auf die Ladungsträger ausgeübt wird, besonders groß ist.

Dxg Fig. 2 zeigt eine Anordnung entsprechend dar Fig. 1, wobei hierbei nur die Schaltkontakto 2 und 3 dargestellt sind und die Richtung des magnetischen Feldes angedeutet ist. In _-\usführungsbeispiel nach der Fig. 2 vorläuft das Magnetfeld mit der Induktion 'X

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parallel zum elektrischen Feld ψ' . 'wie bereits eingangs erwähnt, muß davon ausgegangen werden, daß wegen der Thermodynamik die Ladungsträger nie eine gradlinige Bahn in Feldrichtung durchlaufen, sondern schon die leichtesten Bahnabweichungen aufgrund von Stoßen zu Querbewegungen führen, die dann die volle Bahnablenkung im Magnetfeld zur Folge haben.

Die Fig. 3 zeigt entsprechend der prizipiellen Darstellungsweise der Fig. 2 die beiden Schaltkontakte 2 und 3, zwischen denen der Lichtbogen mit dem elektrischen Feld f brennt. Bei dieser Ausführungsform sind die Spulen zur Erzeugung des Magnetfeldes derart angeordnet, daß ein sogenanntes "Cusp"-Feld entsteht, d.h. ein Magnetfeld, dessen axial ankommende Feldlinien sich nach beiden Seiten des Schalterlichtbogens mittig vegerstrecken.

Die Fig. 4 zeigt entsprechend der prinzipiellen Darsteilungsveise dar Figursn 2 und 3 die Schalterkontakte 2 und 3, zwischen denen der Lichtbogen brennt. Bei dieser Ausführungsform wird ein Magnetfeld verwendet, das im Bereich das Lichtbogens ausgebaucht ist, d.h. einen radialen Gradienten aufweist, wobei durch diese Hagnetfeldgeonetrie dafür gesorgt ist, daß der Lichtbogen durch das Magnetfeld unmittelbar festgehalten wird, so daß die iTotwendigiceit des Vorsehens einer Kammerwand, z.B. in Form eines Rohres wie in Fig. 1, entfällt. Dieses den Lichtbogen festhaltende Rohr müßte an sich auch bei den Anordnungen gemäß den Figuren 2 und 3 verwendet werden, es ist jedoch dort aus Gründen der übersichtlichen Darstellung weg^ren weggelassen worden.

J-Iz ist verständlich, daß wegen des prinzipiellen Charakters der Urfindung dam Fachmann noch verscniedene andere Ausführungsformen :*. ar Verfügung stehen bsw. es ist verständlich, daß die Figuren nur Prinzipdarstellungen zeigen können, d.h. die gemäß der Erfindung ausgebildeten Schalter weisen in üblicher weise auch nicht dargestellte Blaseinrichtungen und v/eitere Hilfseinrichtungen auf, wie sie bei Druckgasschaltern, insbesondere autopneumatischen Schaltern, üblich sind.

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Die Fig. 5 seigt eine Ausführungsform, bei der sin üblicher autopneumatischer Druckgas schalter 'nachträglich mit den Ilerlcmalen

der Erfindung versehen wurde. ^.. , .

-5- fur Spannungen bis zu iOO kV u.m.

Auf dem Kopf eines Zylinders 9, in dem ein Kolben 10 gleitend gehaltert ist, d.h. an ainem Zylinderdeckel 11, an dem sich auch eine Düse 12 zur Bebiasung des Lichtbogens, wenn sich der Kolben in Richtung des Zylinderdeckels 11 bewegt, befindet, sind die Spulen 5a, 5b angebracht, und in der bereits im Zusammenhang mit der Fig. 1 erläuterten Weise elektrisch mit dem Kontaktstück 3, mit den Kontaktfingern 6a, ob bzw. seinem vorderen Kontaktfinger 3a, der in das hohle, rohrförmige Kontaktstück 2 einfahrbar ist, verbunden. Wird der Schalter geöffnet, so v/ird der Schaltlichtbogen intensiv beblasen; gleichseitig erfolgt durch die Uirkung des Magnetfeldes auf den Lichtbogen eine Verarmung an Ladungsträgern, v/as die Löschbarkeit des Lichtbogens unterstützt.

Man erkennt aus der Fig. 5, daß die Spulen 5a, 5b ohne weiteres an der ohnehin vorhandenen Düse eines SF,--Schalters befestigt werden können, ohne daß es größerer Umbauten bedarf. Lediglich das betzegliche Kontaktstück 3 muß in an sich bekannter ϊ/eise an der Spitze mit dem Isolierstück 7 versehen werden.

Der besseren Übersicht halber sind in der Fig. 5 Maßnahmen zum Festhalten der Lichtbogen, z.B„ ein Rohr 3, nicht dargestellt. Auch diese Fig. 5 zeigt nur eine von mehreren möglichen Ausführungsformen der Anordnung der Spulen 5a, 5b bzw. der Ausbildung der Anschlüsse für die Spulen; Diese Anschlüsse sind zweckmäßig stets so zu treffen, daß der Strom über die Spulen nur im ausgeschalteten Zustand der Kontaktstrecke fließt. Die Ausbildung ist dabei im Einzelfall von der Kontaktanordnung des Schalters abhängig.

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ORIGINAL INSPECTED

Claims

Licentia Patent-Verwaltungs-GmbH 6 Frankfurt/M.70, Theodor-Stern-Kai 1 Wi/bu KS 73/121 29.1.1979 Patentansprüche

1.) Druckgas-Hochspannungsleistungsschalter mit einer Schaltkontaktanordnung, die sich in einer elektronegativen Druckgas-Isolier/Löschmittslatmosphäre, insbesondere SF,-Atmosphäre, befindet und mit einer Anordnung zur Erzeugung eines magnetischen Feldes, das auf den Schaltlichtbogen in Sinne einer besseren Löschbarkeit des Lichtbogens im ütromnulldurchgang einwirkt, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung zur Erzeugung des magnetischen Feldes so ausgebildet ist und/oder Begrenzungswände (8) vorgesehen sind, derart, daß der Lichtbogen (4) umgeben von der elektronegativen Druckgasatmosphäre im wesentlichen steht, und daß durch eine vorgegebene Ausrichtung des Magnetfeldes die Bahnen der Ladungsträger derart verwirbelt werden, daß dem Lichtbogen Ladungsträger entzogen werden, die von dem umgebenden elektronegativen Druckgas neutralisiert v/erden.

2. Druckgas-Hochspannungsleistungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Begrenzungswände ein den Licht-bogen konzentrisch umgebendes Rohr (8) vorgesehen ist.

3. Druckgas-Hochspannungsleistungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetfeld, das in der £rundstruktur parallel zum elektrischen Feld des Lichtbogens ausgebildet ist, im Bereich des Lichtbogens zwecks Festhalten des Lichtbogens einen radial gerichteten, vom Lichtbogen aus fallenden Gradienten aufweist (Fig. 4).

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ORlGfNAL INSPECTED

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4. Druckgas-Hochspannungsleistungsschalter nach Anspruch I oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das magnetische Feld im wesentlichen parallel zum elektrischen Feld des Lichtbogens ausgerichtet ist (Fig. 2).

5. Druckgas-Hochspannungsleistungsschalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetfeld auf dem elelctrischen Feld des Lichtbogens steht (Fig. 1). + senkrecht

6. Druckgas-IIochspannungsleistungsschalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetfeld ein "Cusp"-Feld ist (Fig. 3).

7. Druckgas-Hochspannungsleistungsschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, der eine Sylinder/Kolbenanordnung (9,10) mit einem schaltstreckenseitig aufgesetzten Zylinderdeckel (11) aufweist, an dem eine Düse (12) zur Beblasung des Schaltlichtbogens angebracht ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnungen (5a, 5b) zur Erzeugung des magnetischen Feldes im Bereich der Düse (12) angebracht sind.

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