DE3005884C2

DE3005884C2 - Kontaktsystem für Leistungsschalter

Info

Publication number: DE3005884C2
Application number: DE19803005884
Authority: DE
Inventors: Eckhardt von 3501 Fuldatal Bonin; Hans G. Dr. 3502 Vellmar Thiel
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1980-02-16
Filing date: 1980-02-16
Publication date: 1986-09-04
Also published as: DE3005884A1

Description

6. Kontaktsystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Schutzzylinder (14) zugleich
den Innenmantel des Kompressionszylinders (8) bildet.

_____ (Strom pro Segment zum Quadrat multipliziert mit der

P
Anzahl der Segmente), d. h. proportional —, d. h. erheb-

Die Erfindung bezieht sich auf ein Kontaktsystem für lieh geringer als im Fall eines Lichtbogens, der nur einen Leistungsschalter gemäß dem Oberbegriff des An- 65 einzigen Fußpunkt auf einem einzigen Segment hat. Es

daß

Spruchs 1.

Ein derartiges Kontaktsystem ist durch die DE-OS 02 743 und 19 13 973 sowie die DE-AS 22 09 388 beist verständlich, daß durch die geringere spezifische Segmentbelastung auch der Kontaktabbrand dabei erheblich verringert wird. Weiterhin bewirkt der ringför-

3 4

mig brennende Lichtbogen, daß nunmehr eine Druck- ständlich, daß die Anzahl der Segmente von verschiedeentlastung des Fußpunktes in Richtung des zugeordne- nen Bedingungen wie Schaltertyp, Nennstrombelastung ten hohlen Leistungskontaktstückes stattfindet Der Be- usw. abhängig ist und vom Fachmann im jeweiligen Einreich größter Einschnürung des Lichtbogens und damit zelfall festzulegen ist Zweck der Segmentierung ist es, des größten Druckes liegt nämlich relativ kurz vor dem 5 eindeutige Strombahnen und damit gerichtete Magnet-Fußpunktbereich. Der Druck nimmt dabei in Richtung felder für die Eigenbewegung des Lichtbogens vorzugedes zugeordneten hohlen Leistungskontaktstückes ben. Es reicht dabei eine Segmentierung in dem Bereich, ebenfalls ab, d. h. der Lichtbogen kann seinen Dampf- in dem eine Lichtbogenwanderung stattfindet, aus.
druck nach »hinten«, d. h. von der Schaltstrecke wegge- Zwei gegenüberliegende Segmente, z. B. 4i und 4₅ richtet, abbauen. io sind im Schnitt in der F i g. 1 a dargestellt Dieser Schnitt

Das Ausschaltverfahren des Leistungsschalters wird zeigt, daß die einzelnen Segmente stirnseitig schleifen-

daher erheblich verbessert. förmig nach innen eingezogen sind. Jedes Segment be-

Die angepaßte bzw. abgestimmte Kontaktform nach sitzt dabei einen äußeren Leiterbahnabschnitt 4_Μ und

der Erfindung gewährleistet dabei, daß der Lichtbogen einen eingezogenen Leiterbahnabschnitt 4„b; ihr gegen-

aus jeder Lage heraus eine druckentlastete Stellung ein- 15 seitiger radialer Abstand sei mit χ bezeichnet Die Län-

nehmen kann, und zwar, da der Vorgang allein durch ge des eingezogenen Leiterbahnabschnittes sei mit y

eigenmagnetische Kräfte erzeugt wird, unabhängig von gekennzeichnet Der Abstand der eingezogenen Leit<"--

einer hinsichtlich der Löschmittelströmung günstigen bahnabschnitte zweier gegenüberliegender Segmente,

Lage des Anfangspunktes. Dies ist besonders für die der freie Innendurchmesser, betrage z. Diese Kontakt-

SF6-Leistungsschalter von Bedeutung. Da die Löschmit- 20 anordnung wirktwie folgt:

telströmung im SFe-Schalter wegen der Gaseigenschaf- Es sei angenommen, daß an dev !»teile 3 im Segment ten und der erheblich kleineren zur Verfügung stehen- 4i ein lichtbogen 1 gezündet wird. Wie die Fig. Ic den Druckdifferenzen gerade im Bereich des Fußpunk- zeigt, wird auf den Lichtbogenfußpunkt eine Kraft K, tes wesentlich unergiebiger ist als im Druckluftschalter, die Lorenzkraft, ausgeübt (Bewegung eines Leiters, des können von ihr nämlich keine wesentlichen Fußpunkt- 25 Lichtbogens, im Magnetfeld des Stromes durch die Segbewegungen erwartet werden. Vielmehr werden die mentschleifen), die den Lichtbogen in Pfeürichtung ent-Dampfstrahlen im bekannten Fall erhebliche Rückwir- lang des eingezogenen Abschnittes 4„t nach innen treibt, kungen auf den Strömungsverlauf ausüben. Dies gilt bis er etwa eine Stellung entsprechend 3a in Fig. Id insbesondere für den Fall, daß ein metalldampf-be- einnimmt Sind die Abstände x, y, ζ unter Berücksichtistimmter Bogen im Eingangsquerschnitt einer Rückbe- 30 gung des Ausschaltstromes in geeigneter Weise dimenlastung steht sioniert, so läßt sich erreichen, daß der Lichtbogen z. B.

Die Erfindung kann angewendet werden bei Hoch- an der Stelle Zb den eingezogenen Leiterbahnabschnitt

spannungs-Druckgasschaltern, insbesondere SFe-Schal- des gegenüberliegenden Segmentes berührt und dort

tern, bei Vakuum-Leistungsschaltem, bei Mittelspan- einen weiteren Fußpunkt bildet. Dabei ist Vorausset-

nungs-Leistungsschaltern und auch bei Niederspan- 35 zung, daß die Lichtbogenfußpunkte tief genug eingezo-

nungs-Leistungsschaltern. gen sind, d. h. die für die Lichtbogenfußpunktwanderung

Anhand von in der Zeichnung dargestellter. Ausffih- wirksame Länge y der eingezogenen Leiterbahnabrungsformen wird die Erfindung näher beschrieben. Es schnitte genügend groß ist, sowie die gegenseitigen Abzeigt stände χ der Leiterbahnabschnitte in der Segiro mtschlei-

F i g. la eine allgemeine Darstellung des Kontaktes, 40 fe so groß sind, daß das Feld des äußeren Leiterbahnab-

Fig. Ib eine Draufsicht auf das Kontaktsystem nach schnittes 4„, an der Stelle des Lichtbogenfußpunktes

F i g. 1 a, praktisch keinen Einfluß mehr hat, der Bogen sich also

Fig. 1 c—e die Entstehung des ringförmigen Lichtbo- genügend aufrichtet sowie der freie Innendurchmesser ζ

gens bei dem Kontaktsystem nach der F i g. 1 a, so im Verhältnis zu χ und y gewählt ist, daß eine Berüh-

F i g. 2 den Verlauf des Druckes im Lichtbogen für 45 rung des Lichtbogens möglich ist.

den Fall eines druckentlasteten Lichtbogen-Fußpunktes Damit der zweite Lichtbogenfußpunkt auch stabil ist,

im Vergleich zu einem Fußpunkt, der nicht druckenth- ist Voraussetzung, daß zumindest in diesem Bereich der

stet ist, Lichtbogen eine steigende Kennlinie, zumindest tenden-

F i g. 3 einen Längsschnitt durch die Schaltkammer ziell, hat Dies wird dadurch gewährleistet, daß die Me-

eines autopneumatischen Druckgasschalters, 50 talldärnpfe durch den zur Schalterachse stark gekrümm-

F i g. 3a einen Querschnitt durch das System nach ten Lichtbogenansatzbereich von der Schaltstrecke, die

F i g. 3 auf Höhe des beweglichen Leistungskontaktes. sich in F i g. 1 rechts befindet, ferngehalten wird. Es bil-

Die Fig. la und Ib zeigen ein hohles Leistungskon- det sich dabei auf dem gegenüberliegenden Segment ein

taktstück 4 eines Leistungsschalters; das zugeordnete zwvitar Lichtbogenfußpunkt aus, der ebenfalls nach in-

Gegen-Kontaktstück ist der Einfachheit halber bzw. 55 nen wandert. Durch die immer vorhandenen Schwan-

dem prinzipiellen Charakter des Kontaktsystems ent- kungen des LicikLogenfußpunktes springt -anschließend

sprechend nicht dargestellt, ebenso wie die anderen üb- der Lichtbogen allmählich auf alle Segmente über, wo-

lichen Bestandteile eines Leistungsschalters wie Düsen, bei die Fußpunkte ebenfalls nach innen laufen. Es bildet

Löschmittelzufuhr usw. Das dargestellte Kontaktstück sich dabei schließlich eine Konfiguration entsprechend

kann z.B. das bewegliche Kontaktstück eines 60 Fig. Ieaus.

SF6-Schalters sein. Es kann auch eines der beiden Kon- Da B\ = -B₂ ist, und insbesondere, nachdem die Kontaktstücke von zwei stationär angeordneten Kontakt- figuration entsprechend Fig. Ic erreicht wurde, entstücken sein, die im eingeschalteten Zustand eine Trenn- steht nämlich nach dem Zünden des Liciitbogens an dsr strecke bilden, die von einer beweglichen Kontaktbrük- Stelle 3b in der Schalterachse ein feldfreier Raum ohne ke überbrückt wird. 65 Druck, wobei du^rch diesen feldfreien Raum die Fuß-

Die Stirnseite (rechts) des Leistungskontaktstückes 4 punktbewegung gestoppt wird. Den Druckverlauf entweist, wie die F i g. ί b zeigt, einzelne Segmente 4_t — 4„ lang der Schalterachse zeigt dabei die F i g. 2, und zwar auf, wobei im dargestillten Fall π = 8 ist. Es ist ver- für einen nicht druckentlasteten Lichtbogenfußpunkt im

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bekannten Fall (Kurve a) und für einen druckentlasteten Lichtbogenfußpunkt gemäß der Erfindung (Kurve b). Der Innendruck im Lichtbogenkanal kann daher nach hinten abgebaut werden. Selbst die Metalidämpfe werden nach hinten abgelenkt, d. h. von dem Eindringen in die Schaltstreckc ferngehalten, und zwar bereits ohne die Kühlmittelströmung. Eine Rückbelastung durch die Kühlmittelströmung unterstützt dabei den Effekt noch zusätzlich. Ist dagegen, wie im bekannten Fall, der Lichtbogenfußpunkt nicht druckentlastet, dann müßte die Strömung zunächst gegen den Dampfstrahl angehen, wobei davon auszugehen ist, daß dieser wegen seines Überdruckes sicher nur zur Seite gedrängt, nicht aber umgelenkt würde.

Es versteht sich, daß die Darstellung in den Fig. la—Ie nur prinzipiellen Charakter haben kann, um das Wesen des Kontaktsystems demonstrieren zu können. In der Praxis kann der Kontakt natürlich eine von der dargestellten Form abweichende Form aufweisen. So muß z. B. der äußere Leiterbahnabschnitt 4_rj nicht unbedingt parallel zum eingezogenen lnnen-Leiterbahnabschnitt verlaufen; er kann unter Umständen auch stärker tangential — bezogen auf die Stirnseite — einlaufen. Die Segmente können dabei auch als federnd nachgiebige Fingerkontakte ausgebildet sein. Um den Kontakt vor Überhitzung zu schützen, ist es zweckmäßig, parallel zum eingezogenen Leiterbahnabschnitt einen Schutzzylinder vorgesehen, der mit Abbrandmaterial gepanzert ist. ebenso wie die freien Teile des eingezogenen Leiterbahnabschnittes.

Der Kontakt kann auch aus mehreren Teilen zusammengesetzt sein, die an einem Befestigungsring verankert werden können. So kann der eingezogene Leiterbahnabschnitt als ein federnder Fingerkontakt ausgebildet sein, der im Befestigungsrir.g gehaltert ist, und an den sich die stirnseitige Schleife, bestehend aus einem Abbrandmaterial anschließt Die Schleife setzt sich in

Schu

z"!ir,der fort der ebenfalls

Befestiters verbunden.

Der bewegliche Kompressionszylinder 8 trägt an der Stirnseite eine ihn dort abschließende, Abströmöffnungen 12 aufweisende Isolierstoffdüse 11 sowie das bewegliche Leistungskontaktstück 7. Der Kompressionszylinder wird radial durch einen außen aus leitfähigem Material bestehenden Zylinderkörper 13 und innen durch ein Isolierrohr 14 begrenzt. Der äußere Zylinder 13 bildet dabei sinngemäß den äußeren Leiterbahnabschnitt 4„j in F i g. Ic. An ihn schließt sich ein Kontaktfinger 15 an, der am freien Ende einen aus Abbrandmaterial bestehenden Abschnitt 16 aufweist. Dieser Kontaktfinger durchsetzt jeweils, wie auch die Fig.3a zeigt, stegartig die Isolierstoffdüse an verschiedenen aufeinanderfolgenden Stellen.

Das Gegenkontaktstück 6 weist ebenfalls Kontaktfinger 6a und ein Isolierstoffteil 66 auf.

Schließlich ist noch ein Nennstromkontakt mit dem festen Kontaktstück 176 und dem beweglichen Kontaktstück i7a vorgesehen, wobei diese Kontaktstücke in irgendeiner Weise geeignet angebracht sein können.

Wie die F i g. 3a zeigt, wird bei der dargestellten Ausführungsform die radiale Ausdehnung des ohnehin notwendigen Kompressionsraumes 10 dazu benutzt, auf einfache Weise das Maß χ (F i g. 1 d) zu erhalten, d. h. den beiden Leiterbahnabschnitten der Schleife den geeigneten Abstand zu erteilen.

Die Vorteile der dargestellten Ausfühnjingsform gegenübef läiner Ausführungsform mit einer Anordnung des beweglichen Leistungskontaktstückes in der Schalterachse liegen darin, daß der radiale Abstand bzw. die radiale Ausdehnung des Kontaktsystems nicht vergrößert wird, auch der Gegenkontaki, da nunmehr der freie Durchmesser des beweglichen Kontaktstückes größer ist, entsprechend der Lehre der Erfindung ausgebildet werden kann, die Nennstromkontakte auf einfache Weise integriert werden können und die Sicherheit, daß der

Segmentschleife ansetzt, vergrößert wird.

gungsring verankert ist Der Schutzzylinder muß dabei zumindest teilweise aus nicht leitendem Material hergestellt sein, damit der Lichtbogen nicht einseitig am Übergang Schleife—Schutzzylinder in bekannter Weise stehend bleibt.

Für den feststehenden Gegenkontakt gilt im Prinzip das gleiche. Auch hier sollte die Produktion von Metalldampf verringert werden, wobei dieser sich auch von dieser Seite her infolge des Überdruckes in den Dampfstrahlen negativ auf das Schaltverhalten einwirken kann. Auch hierbei sind die verschiedensten Konstruktionsmöglichkeiten denkbar.

Anhand der F i g. 3 soll ein Kontaktsystem gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung bei einem autopneumatischen SFö-Schalter erläutert werden. Diese F i g. 3 zeigt einen Längsschnitt durch ein entsprechendes Kontaktsystem, wobei in der oberen Hälfte der Figur das Kontaktsystem in der Ausschalt-Stellung gezeichnet ist Die F i g. 3a zeigt dabei eine Draufsicht auf die Stirnseite des beweglichen Kontaktsystems.

Das Kontaktsystem besteht aus dem festen Gegenkontaktstück 6 und dem beweglichen Kontaktstück 7, das, wie später noch erläutert wird, aus mehreren Teilen besteht Die F i g. 3 zeigt weiterhin einen Kompressionszylinder 8, der mit einem Kompressionskolben 9 unter Bildung eines Kompressionsraumes 10 zusammenarbeitet und die sogenannte Schaltstreckenpumpe bildet Im Ausführungsbeispäe! steht der Kolben 9 fest, und der Kompressionszyiinder 8 ist beweglich angeordnet d. h. mit dem nicht dargestellten Antrieb des Leistungsschal-Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

kannt geworden. Im bekannten Fall dienen die nach innen eingezogenen Leiterbahnabschnitte der Segmente als eine Art Einlauftrichter für den Lichtbogen, d. h. die Ausbildung der düsenförmig gestalteten Leistungskontakt-Stirnseiten verfolgt allein den Zweck, den an der Stirnseite gezogenen Lichtbogen aufgrund der sogenannten Ekkenkräfte nach innen in das Leistungskontaktstück hineinzutreiben, damit er daran gehindert ist, an den Außenmantel des Leistungskontaktstückes abzuwandern (AS 22 09 388, Spalte 3, Zeilen 25-29) bzw. damit er die Abströmung der Schaltgase nicht behindert (AS 22 15 929). Die Abmessungen der Leistungskontaktstükke sind dabei stirnseitig so getroffen, daß sich nur ein einzelner Lichtbogen auf einem Segment stabil ausbildet Durch diese örtliche Konzentration des Lichtbogenfußpunktes tritt verhältnismäßig viel Metalldampf aus den metallischen Leistungskontaktstücken in die Schaltstrecke ein, was aus den verschiedensten Gründen heraus bei den einzelnen Leistungsschaltertypen von Nachteil ist Gelangt z. B. bei den modernen Leistungsschaitern mit einem SF6-Gas als Lösch- und Isoliermittel Metalldampf in die Schaltstrecke, so verschlechtert dies die bekanntlich guten Löscheigenschaften des SFe-Gases und deutet auf Kontaktabbrand hin, der unerwünscht ist Der Dampf tritt dabei häufig in Form von Dampfstrahlen auf, die einen Oberdruck von vielen bar haben können. Die Metalldampfstrahlen sind zumeist überwiegend auf die Gegenelektrode hin gerichtet, treten also durch den Düsenbereich hindurch. Sie können außerdem wegen des stromabhängigen Überdruckes die Gasströmung in relativ engen Querschnitten stark behindern; dies um so mehr, da das Druckverhältnis in SFe-Schaltern nicht sehr groß ist Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ausgehend von dem eingangs bezeichneten Kcntaktsystcrn für Leistungsschalter, insbesondere für Leistungsschalter mit hohen Nenn-Ausschaltströmen, dieses so auszubilden, daß einmal das Ausschaltverhalten lies Leistungsschalters verbessert wird, indem der Kontaktabbrand und damit die insgesamt freigesetzte Metalldampfmenge merklich verringert und zudem ihr wirksames Eindringen in die Schaltstrecke dadurch verhindert wird, daß eine Druckentlastung des Lichtbogens in eine Richtung entgegengesetzt zur Richtung der Schaltstrecke vorgenommen wird. Als Lösung dieser Aufgabe dienen die im Kennzeichen des Ansprüche·; 1 angegebenen Merkmale. so Durch den auf allen Segmenten ringförmig stationär brennenden Lichtbogen wird zunächst die insgesamt freigesetzte Metalldampfmenge verringert. Die Metalldampfmenge ist nämlich proportional P. Bei einem auf /7-Segmenten brennenden Lichtbogen ist die freigesetzte Metalldampfmenge proportional Patentansprüche:

1. Kontaktsystem für elektrische Leistungsschalter mit zwei koaxial angeordneten Leistungskontaktstücken, zwischen denen sich bei der Ausschaltung ein Schaltiichtbogen ausbildet und die zur Abfuhr von Schaitgasen hohl ausgebildet und stirnseitig in jeweils schleifenförmig nach innen eingezogene Segmente unterteilt sind, wobei der Fußpunkt des Schaltlichtbogens auf einem eingezogenen Leiterbahnabschnitt der Segmente aufgrund eigenmagnetischer Kräfte nach innen wandert, dadurch gekennzeichnet, daß unter Berücksichtigung des Ausschaltstromes der mittlere gegenseitige radiale Abstand (x) zwischen dem äußeren und dem eingezogenen Leiterbahnabschnitt eines jeden Segments und die wirksame Länge (y) der einzelnen eingezogenen Leiterbahnabschnitte größer als der mittlere freie Innendurchmesser (z) sind, daß der radiale Abstand (x) etv« das 1 ¹I₂- bis 2'/2fache und die wirksame Länge (y) etwa das i^!/brache des freien Durchmessers (z) betragen und daß das feste und das bewegliche Leistungskontaktstück in gleicher Weise ausgebildet sind.

2. Kontaktsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf Höhe ά,ητ eingezogenen Leiterbahnabschnitte (4_n6) ein Schutzzylinder (14) vorgesehen ist

3. Kontaktsystem nach Anspruch 2, ausgebildet als Fingerkontakt, dadurch gekennzeichnet, daß der Schutzzylind;:r (14) stirnseitig mit dem eingezogenen Leiterbahnabschaitt verbanden ist und mit abbrandfestem Material gepanzert ist

4. Kontaktsystem nach Ansp-<ich 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Leistungskontaktstück nach außen durch lineare Leiterbahnabschnitte (4_M) der Segmentstromschleife begrenzt ist, daß der Leiterbahnabschnitt (4_M) stirnseitig eine Schleife aus einem abbrandfesten Material trägt, an die sich ein Schutzzylinder (14), der zum Teil aus isolierendem Material hergestellt ist, anschließt

5. Kontaktsystem nach einem der Ansprüche 1 bü: 4, in Anwendung bei einem autopneumatischen SFö-Druckgasschalter, der einen ringförmigen Kompressionsraum innerhalb eines Kompressionszylinders, mit dem ein Leistungskontaktstück verbunden ist, aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Leiterbahnabschnitt des Leistungskontaktstückes (7) durch den Außenmantel (13) des Kompressionszylinders (8) gebildet wird, und daß die Segmentschleife durch stegartig radial nach innen verlaufende Kontaktfinger (15, 16) gebildet wird, die zumindest teilweise eine Panzerung aus abbrandfestem Material tragen.