DE3124075A1 - Hochspannungsschaltkammer - Google Patents

Hochspannungsschaltkammer

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Description

Erfinder und Anmelder:
Prof. Dr. techn. habil. Ernst Slamecka
Hochspannungsschaltkammer
Zusatzpatentanmeldung zur Patentanmeldung
Akt. Z. P 31 13 325.8
Gegenstand der Hauptpatentanmeldung
Gegenstand der Hauptpatentanmeldung ist eine Schaltkammer insbesondere für mehrpolige Hoch- und Höchstspannungsschalter mit Druckgas,, bei denen die Löschgas-Druckdifferenz nach dem Autokompressionsverfahren erzeugt wird.
Gemäß der Hauptpatentanmeldung wird der Schaltlichtbogen zu seiner Unterbrechung in einem Doppeldüsensystem mit einer Düse aus elektrisch isolierendem Werkstoff und einer Düse aus elektrisch leitendem Material einer Löschgasströmung ausgesetzt.
Das Schaltstücksystem ist in zwei Untersysteme gegliedert: das eine führt den Dauer- und Kurzzeitstrom, das andere den Lichtbogenstrom.
Die bewegbaren Teile dieser Untersysteme sind miteinander mechanisch fest und elektrisch leitend verbunden; sie werden gemeinsam angetrieben.
Gegenstand der Zusatzpatentanmeldung
Gegenstand der Zusatzpatentanmeldung ist insbesondere das G-askompressionssystem der Hochspannungsschaltkammer gemäß der Hauptpatentanmeldung.
Bei der durch ein Ausführungsbeispiel vorgestellten Hauptpatentanmeldung hängt die Höhe der Gaskompression im Augenblick der Trennung der Lichtbogenschaltstücke allein von der Überdeckungslänge zwischen dem Lichtbogenschaltrohr (8) und der Düse (5) aus elektrisch leitendem Werkstoff ab.
Eine hohe G-askompression wie sie z. B. für die Unterbrechung großer Kurzschlußströme benötigt wird, erfordert eine große Überdeckungslänge. Dementsprechend vergrößert sich die Zeit bis zur Schaltstticktrennung und in der Folge die G-esamtausschaltzeit des Schalters.
Diese G-esamtausschaltzeit soll aber gerade bei der TJnterbrechung großer Kurzschlußströme möglichst klein sein, damit ihre Auswirkungen sowohl am Fehlerort als auch im Netz erträglich bleiben.
Der Ausgangspunkt für eine Verkürzung der Gesamtausschaltzeit und damit zusammenhängende Verbesserungen liegt also in der Gestaltung der Gaskompression.
Stand der Technik
Die bekannten Konstruktionen, die sich darum bemühen die Vorkompression des Lichtbogen-Löschgases ohne zusätzliche Kompressionszeit zu verstärken oder bei unveränderter Höhe der Vorkompression die Kompressionszeit zu verkürzen, lassen sich im wesentlichen drei verschiedenen Systemen zuordnen.
Gemeinsam haben sie das Prinzip des bewegbaren Kompressionskolbens.
System mit einem einzigen bewegbaren Kompressionskolben
Bei einer bekannten speziellen Ausführung übt eine Feder
die Zusatzkraft auf den bewegbaren Kompressionskolben aus.
Die Spannung dieser Feder erfolgt durch den Einschalt-
hub über ein Umlenkgetriebe.
Andere bekannte Ausführungsformen kennzeichnet die Übertragung der zusätzlichen Kompressionskraft durch ein Hebelsystem vom zentralen Schaltgetriebe:
DE-PS 19 66 973,
DE-OS 22 45 423,
DE-OS 29 14 033,
DE-OS 30 09 165 A.
Alle Ausführungsvarianten in dieser Gruppe benötigen also zusätzlich Getriebeteile und partiell Federkraftspeicher0 Dies ist jedoch weder technisch noch wirtschaftlich vorteilhaft. Hinzu kommt, daß nach allgemeinem Stand der Erkenntnisse zusätzliche Konstruktionsteile und insbesondere Getriebeteile eine erhöhte potentielle Störanfälligkeit bedeuten.
System mit einem abgestuften Kompressionskolben mit einer feststehenden und einer bewegbaren Stufe sowie mit einem entsprechend abgestuften einzigen Kompressions zylinder
Nach DE-OS 23 61 687 weist der Kompressionszylinder zwei Stufen mit unterschiedlichem Durchmesser auf: in Richtung zum Schalterantrieb folgt auf eine Zylinderstufe mit kleinem Durchmesser eine Zylinderstufe mit vergrößertem Durchmesser. Diesem abgestuften Zylinder ist ein entsprechend abgestufter aus einem feststehenden und aus einem bewegbaren Teil bestehender Kolben zugeordnet.
Dadurch entstehen verschieden große miteinander kommunizierende und von einem einzigen Kompressionszylinder eingehüllte Gasräume.
Während einer Ausschaltung wird zunächst die Gasmasse aus dem Zylinderraum mit dem größeren Durchmesser in den die Löschdüsen umgebenden Zylinderraum mit dem kleineren Durchmesser befördert. Dadurch erhöht sich die Geschwindigkeit der Gaskompression und die Zeit bis zum Erreichen eines vorgegebenen Löschgasdruckes nimmt entsprechend ab.
Dem Vorteil der relativ einfachen Anordnung steht jedoch die verbesserungsfähige Ausnutzung des Kompressionsraumes in der Zylinderstufe mit dem größeren Durchmesser als Nachteil gegenüber. Dementsprechend sind die Abmessungen dieses Kompressionssystems beträchtlich, wenn ein nennenswerter Verstärkereffekt erzielt werden soll. Als weniger vorteilhaft darf auch angesehen werden, daß die Feder zur Stützung des bewegbaren Teilkolbens nach Beendigung der ersten Kompressionsstufe weiter gespannt werden muß und so zusätzliche Antriebsenergie verbraucht.
Außerdem nimmt jede Feder Konstruktionsraum in Anspruch.
System mit einem feststehenden und einem bewegbaren Kompressionskolben sowie mit einem einzigen
Kompressionszylinder
Im Kompressionszylinder der Konstruktion gemäß DE-AS 27 41 357 ist zusätzlich zu dem Undefiniert feststehenden Kompressionskolben ein zweiter bewegbarer Kompressionskolben angeordnet, und der Kompressionszylinder weist einen zweiten Boden auf.
So entsteht ein zweiter Kompressionsraum in demselben Kompressionszylinder,
Bei einer Ausschaltung strömt das Löschgas aus dem zweiten Kompressionsraum über ein an dem zweiten Zylinderboden angebrachtes und den feststehenden Kompressionskolben gleitend durchdringendes Rohr in den ersten ein Düsensystem umgebenden Kompressionsraum und vergrößert darin zusätzlich den Gasdruck.
Als Folge der aus DE-PS 19 66 973 unverändert übernommenen Grundkonzeption des Kompressionszylinders sind Kompressionserhöhung und Schalthubverkürzung verhältnismäßig enge Grenzen gezogen.
Als weitere Folge ergibt sich ein erheblicher konstruktiver Aufwand bei der Realisierung dieses Kompressionssystems.
Funktionshinderlich ist auch das Fehlen eines Rückschlag ventils in der pneumatischen Verbindung der beiden Kompressionsräume im gleichen Zylinder.
Aufgabe der Erfindung
Mit dieser Erfindung soll gegenüber dem mitgeteilten Stand der Technik ein erheblicher technischer Portschritt insbesondere in folgenden Bereichen erzielt werden:
5
Die Hochleistungs-Kompressionseinrichtung soll in der Konstruktion vereinfacht werden.
Zusätzliche Getriebeelemente und Federkraftspeicher sollen vermieden werden.
Außerdem sollen sich nach IEC, Publikation 56, definierte Gesamtausschaltzeiten erreichen lassen wie sie bisher nur bei Druckluftschaltern bekannt sind, ohne daß die Kompressionseinrichtung unwirtschaftliche Abmessungen erhält·
Desweiteren soll die Wirkung der erfindungsgemäßen Kompressionseinrichtung auch auf einen Zeitabschnitt nach der Trennung der Lichtbogenschaltstüeke ausgedehnt und so die dynamische dielektrische Festigkeit der öffnenden Schaltstrecke erhöht werden.
Darstellung der Erfindung
Die vorstehend gestellten Aufgaben der Erfindung werden durch die im Patentanspruch 1 sowie in den nachfolgenden Patentansprüchen definierten und anschließend im wesentlichen beschriebenen Konstruktionsmerkmale gelöst.
Durch zwei unterschiedliche zu einer baulichen Einheit verbundene Kompressionszylinder und einen feststehenden sowie einen bewegbaren Kompressionskolben werden gemeinsam mit den Schaltgas-Abströmrohren zwei gegeneinander abgegrenzte Kompressionsräume geschaffen.
Sie haben vorzugsweise gleiche Innen- und ungleiche Außendurchmesser«,
Die Volumina der so gebildeten Kompressionsräume sind unterschiedlich groß und werden bei einer Ausschaltung in einem unterschiedlichem Ausmaß verkleinert. Zu diesem Zweck ist ein zunächst feststehender Kompressionskolben rastbar ausgebildet. Die Rastung wird während der Ausschaltung bei einem bestimmten Schalthub aufgehoben.
Zwischen den beiden Kompressionsräumen besteht eine pneumatische Verbindung, die in Abhängigkeit vom Grasdruck gesperrt werden kanno
Dafür ist ein Kanal vorgesehen, der sich entweder zwischen dem ersten Kompressionszylinder und einer ihn konzentrisch umgebenden metallischen Hülse befindet oder auch in der Wand dieser Hülse angeordnet sein kann«,
Um eine vom Gasdruck abhängige Sperrung des Verbingskanals zu ermöglichen, liegt darin ein Rückschlagventil.
Mit einem Rückschlagventil ist auch der zweite Kompressionskolben ausgerüstet.
Ausführungsbeispiel
Die wesentlichen Merkmale der Erfindung sollen an einem Ausführungsbeispiel verdeutlicht werden. Dazu ist das erfindungsgemäße Schaltsystem in ein Schaltgefäß aus Porzellan eingebaut.
Seine Anwendbarkeit erstreckt sich bis 420 kV Nennspannung bei 31,5 kA Nennkurzschlußausschaltstrom oder bis 550 kV Nennspannung bei entsprechend reduziertem Nennkurzschlußausschaltstrom.
Pur den Bereich sehr hoher Nennspannungen empfiehlt es sich jedoch aus verschiedenen Gründen - z.B. Anschlußhöhe der Schaltkammer oder mechanische Stabilität des Schalterpols - ein auf Erdpotential befindliches Metallgehäuse mit Hochspannungsdurchführungen vorzusehen.
Das Hochleistungskompressionssystem ermöglicht mit einer geometrischen Kompressionszahl - Volumen der Räume (1) und (33) im Anfangszeitpunkt einer Ausschaltung bezogen auf ihr Volumen bei Freigabe der Düse (5) durch das Lichtbogenschaltrohr (8) - gleich oder kleiner 1,7 direkt physikalisch wirksame Gesamtausschaltzeiten gleich oder kleiner zwei 60 Hz Wechselstromperioden,
Pig. 1 zeigt einen Schnitt durch die erfindungsgemäße Hochspannungsschaltkammer.
Pig. 2 verdeutlicht eine besonders vorteilhafte Ausführungsvariante der Rastung des bewegbaren Kompressions kolbens.
Zu Fig. 1
Diese Fig. zeigt einen Schnitt durch die gegenüber der Hauptpatentanmeldung verbesserte Schaltkammer mit allen für Stromunterbrechung und dielektrische Festigkeit wesentlichen Bauelementen. Links von der eingezeichneten Mittellinie befindet sie sich im eingeschalteten und rechts davon im ausgeschalteten Zustand. Die Verbesserungen erstrecken sich insbesondere auf das Gas-Kompressionssystem.
Die einfach wirkende Gaskompression in der Schaltkammer gemäß der Hauptpatentanmeldung ist zu einer doppelt wirkenden Gaskompression unter Verwendung neuartiger Komponenten ausgebaut worden.
Nach wie vor erfolgt der für die Stromunterbrechung maßgebende Druckgasaufbau im ersten, das Düsensystem in der Vorkompressions- und Lichtbogenlöschphase der Ausschaltung einhüllenden Kompressionsraum (1). Der feststehende nun mit dem Füllkörper eine bauliche Einheit bildende erste Kompressionskolben (4) ist weiterhin - gegenüber dem bekannten Stand der Technik besonders vorteilhaft - direkt an dem Gasführungsrohr (9) befestigt.
Als neues Befestigungselement dient ein im metallischen Teil des Füllkörpers angeordneter Feststell-Körper und eine von außen durch die Hülse (39) zugängliche Druckschraube. Damit werden Füllkörper und Kolben gegen das Abströmrohr (9) verstemmt.
Eine solche lösbare Befestigungsart erleichtert die Montage erheblich.
Der feststehende Kompressionskolben dient auch wieder als Gleitlager für den ersten unverändert aus Isolierstoff bestehenden Kompressionszylinder (3).
Der erste Kompressionszylinder trägt wie bei der Hauptpatentanmeldung konzentrisch einen hülsenförmigen elektrisch leitenden Körper (23), der jedoch hier in neuartiger Weise zwei Funktionen erfüllt:
Zum einen "bildet er - das ist schon bekannt - eine Komponente des Schaltstücksystems zur Führung von Dauer- und Kurzzeitstrom.
Zum anderen - und das ist neu - wird mit dieser Hülse zusammen mit dem ersten Kompressionszylinder (3) ein Kommunikationsraum (32) zwischen dem ersten und dem zweiten Kompressionsraum (1, 33) geschaffen.
Neu in der Gestaltung ist auch dieser zweite Kompressionsraum (33). Ihn realisieren im wesentlichen der zweite Kompressionszylinder (34) aus metallischem Werkstoff, der zweite Zylinderboden (36), der zweite bewegbare Kompressionskolben (35) und das Gasführungsrohr (9).
Die Gasströmung aus dem Verbindungsraum (32) in den ersten Kompressionsraum (1) gewährleisten am Umfang des Kompressionszylinders (3) verteilte Gasaustrittsöffnungen, von denen eine, (37), zu sehen ist; die anderen sind nur angedeutet.
Die Öffnungen (38) für die Gasströmung vom zweiten Kompressionsraum (33) in den Verbindungsraum (32) befinden sieh im zweiten Zylinderboden (36). Angelagert ist diesen Einströmöffnungen ein Rückschlagventil (42).
Der bewegbare Kompressionskolben (35) bleibt bis zu seiner Mitnahme durch den zweiten Zylinderboden (36) festgerastet. Seine Rastung besorgen in einfacher und prinzipiell schon bekannter Weise Kugeln (40), die in einer umlaufenden gehäuseartigen Nut verteilt sind und von einer nicht dargestellten Feder gegen eine korrespondierende Nut am Umfang des Gasführungsrohres (9) gedrückt werden. Außerdem ist der Kompressionskolben (35) mit einem Rückschlagventil ausgerüstet.
Ablauf einer Gaskompression
Die Ausschaltkraft greift über das Stangenpaar (30) an dem bewegbaren Schaltstücksystem und damit auch an den Kompressionszylindern (3,34) an und zieht sie in die Ausschaltrichtung. Dabei steigt der Druck in den Kompressionsräumen (1,33) an, jedoch nicht mit gleicher Intensität» Gegenüber dem ersten Kompressionsraum steigt im zweiten Kompressionsraum wegen seiner geringeren Höhe der Gasdruck stärker an. Das Löschgas strömt daher von dort durch den Kanal (32) in den ersten Kompressionsraum und erhöht darin mit seiner zusätzlichen Masse den Druck. Diese Druckerhöhung beträgt in dem vorliegendem Beispiel ■=- wie eingangs schon angeführt - etwa das 1,7-fache des Anfangsdruckes.
Der Gasdruck ließe sich weiter erhöhen, wenn man den Außendurchmesser des zweiten Kompressionszylinders noch mehr vergrößern würde.
Eine verhältnismäßig geringe Durchmesservergrößerung bewirkt schon eine beträchtliche Drucksteigerung.
Umgekehrt läßt sich auf diese Weise bei unverändertem Löschgasdruck die Zeit bis zum Erreichen dieses Druckes und im Zusammenhang damit auch die Gesamtausschaltzeit in einem bisher noch nicht möglichem Ausmaß verkleinern.
Ebenfalls neu und vorteilhaft kann die erfindungsgemäß verbesserte Kompressionseinrichtung noch während einer bestimmten Zeit nach der Trennung der Lichtbogenschaltstücke (5,8) und Freigabe der Gasabströmung in die Düsen Löschgas nachfördern und so einen Druckabfall ausgleichen.
Dies wirkt sich besonders günstig aus auf das Unterbrechen kapazitiver Ströme bei sehr hohen wiederkehrenden Spannungen; das heißt, die Stromunterbrechung erfolgt rückzündungsfrei.
Nach der Leerung des zweiten Kompressionsraumes trifft der zweite Zylinderboden auf den zweiten Kompressionskolben, drückt ihn aus der Rastung und nimmt ihn in die
Ausschaltposition mit. Der gesamte Ausschalthub "beträgt trotz der hohen Vorkompression nur 180 mm; er ist also auf 72 $ des bereits kurzen Ausschalthubes von 250 mm in der Schaltkammer gemäß der Hauptpatentanmeldung reduziert worden.
Soll der Schalter wieder eingeschaltet werden, dann bringt der Führungskörper (19) den zweiten Kompressionskolben in die Ausgangslage zurück. 10
Pur das einwandfreie Funktionieren der erfindungsgemäßen Hochleistungskompressionseinrichtung sind die folgenden neuartigen Einzelheiten von Bedeutung:
Nach der Entrastung des zweiten Kompressionskolbens würde das Druckgas aus dem ersten Kompressionsraum durch den Verbindungskanal abströmen, falls er ständig offen wäre. Die Gasabströmung würde sich noch verstärken, sobald die Lichtbogenenergie den Gasdruck zusätzlich erhöht. Deshalb ist es unbedingt notwendig im Zuge des Verbindungskanals das schon erwähnte Rückschlagventil (42) einzubauen, um damit ein unerwünschtes Abströmen des Lichtbogen-Löschgases zu verhindern.
Während des Einschaltens nimmt der zweite Kompressionszylinder den zweiten Kompressionskolben zunächst mit einem gewissen Schlupf mit, und schließlich nach dem Auftreffen des Ftihrungskörpers (19) voll. Dabei bildet sich der zweite Kompressionsraum. Damit das Löschgas einströmen kann, ist auch der zweite Kompressionskolben mit einem Rückschlagventil (43) ausgerüstet.
Zwischen dem feststehenden Kompressionskolben (4) und > dem zweiten Zylinderboden (36) entsteht beim Ausschalten ohne besondere Vorkehrungen ein gasfreier Raum (41).
Erst im Verlauf einiger Zeit füllt er sich mit aus Fugen und Spalten nachströmendem Gas. Beim Einschalten
kann, dieses Gas nicht kurzfristig abströmen, und muß komprimiert werden«, Beides, das Ausschalten gegen ein Yakuum und das Einschalten auf einen gasgefüllten abgeschlossenen Raum würde unnötigerweise Antriebsenergie verbrauchen! es muß daher verhindert werden. Dies läßt sich durch Einsetzen von Gasdurchtritts-Hülsen (39) bewerkstelligen, die über den Umfang des Überlappungsbereiches von erstem und zweitem Kompressionszylinder verteilt angeordnet sind und den Totraum mit dem Schaltkammerraum verbinden.
Zu Fig. 2
In einem Ausschnitt aus der Schaltkammer ist eine vorteilhafte Variante aur Ausführung des rastbaren zweiten Kompressionskolbens (35) dargestellt. Durch Herausnehmen der Rastvorrichtung aus dem Kolbenkörper vereinfacht sich seine Konstruktion erheblich. Gleichzeitig wird die Rastung zu einer Baugruppe zusammengefaßt, Den bewegbaren Kompressionskolben (35) tragen drei über seine Grundfläche verteilte Stangen; zu sehen ist jene mit der Bezeichnung (44)» Diese Stangen münden mit ihren zapfenförmig verstärkten Enden in eine Kreisanordnung federnder Finger (45). Dabei rasten die Pingerkuppen (46) in die an den Stangen angebrachte Tragnut (47) ein.
Die federnden Finger sind in einer Hülse (48) gelagert, die an der Abschlußplatte (49) des Schaltkammerporzellans befestigt ist. Über die Länge dieser die Pinger umfassenden Hülse läßt sich der Anpreßdruck auf den gewünschten Wert einstellen. Die Fingerkuppen müssen mit einer solchen Kraft auf die Rastnut an den Tragstangen drücken, daß ein Ausrasten bis hin zum maximalen Kompressionsdruck verhindert wird. Erst beim Auftreffen des Bodens (36) auf dem Kolben (35) wird die auf die Fingerkuppen wirkende Kraft so groß, daß sie sich aufspreizen und die Tragstangen freigeben. Daraufhin führt der Boden (36) den Kolben (35) in die Ausschaltposition mit.

Claims (1)

  1. Patentansprüche
    Hochspannungsschaltkammer mit zwei in achsialem Abstand angeordneten zeitweilig von einem Kompressionszylinder umgebenen Düsen, deren eine aus Isolierstof und deren andere aus Leitstoff bestehts und mit parallel geschalteten Schaltstücken für den Dauer- und Lichtbogenstrom nach Patentanmeldung, Aktenzeichen P 31 13 325.8 , dadurch gekennzeichnet,
    daß ein erster, mit einem ersten feststehenden Kompressionskolben (4) sich im Eingriff befindlicher Kompressionszylinder (3) und ein zweiter, mit einem zweiten bewegbaren Kompressionskolben (35) im Eingriff stehender Kompressionszylinder (34) zv/ei gegeneinander abgegrenzte Kompressionsräume (I933) mit vorzugsweise gleichen Innendurchmessern sowie vorzugsweise ungleichen Außendurchmessern bilden,
    daß die Kompressionsräume (1,33) untereinander in einer aufhebbaren pneumatischen Verbindung stehen, und daß die pneumatische Verbindung (32) außerhalb des feststehenden Kompressionskolbens (4) hergestellt ist·
    2» Hochspannungsschaltkammer nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
    daß der erste Kompressionszylinder (3) aus Isolierstoff oder teilweise daraus besteht, und daß der zweite Kompressionszylinder (34) aus Metall oder teilweise daraus angefertigt ist.
    3« Hochspannungsschaltkammer nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
    daß der bewegbare Kompressionskolben (35) rastbar (40) angeordnet ist.
    4. Hochspannungsschaltkammer nach Patentanspruch 1,3» dadurch gekennzeichnet,
    daß die Rastvorrichtung (45,46,47,48) sich außerhalb des rasfbaren Kompressionskolbens (35) "befindet.
    5. Hochspannungsschaltkammer nach Patentanspruch 1,3, dadurch gekennzeichnet,
    daß die Rastung während des Ausschalthubes durch Druck des Zylinderbodens (36) auf den Kompressionskolben (35) aufgehoben wird.
    6. Hochspannungsschaltkammer nach Patentanspruch 1, 2, dadurch gekennzeichnet,
    daß an dem ersten aus Isolierstoff bestehenden Kompressionszylinder (3) vorzugsweise konzentrisch ein hülsenähnlicher Körper (23) angebracht ist, daß in der Wand des Körpers (23) oder zwischen dem Körper (23) und dem Kompressionszylinder (3) ein Hohlraumsystem (32) angeordnet ist, und daß dieses Hohlraumsystem zwischen dem ersten und dem zweiten Kompressionsraum (1,33) eine pneumatische Verbindung herstellt.
    7. Hochspannungsschaltkammer nach. Patentanspruch 1, 6 dadurch gekennzeichnet,
    daß in der pneumatischen "Verbindung zwischen den Kompressionsräumen (1) und (33) ein Rückschlagventil (42) angeordnet ist.
    8. Hochspannungsschaltkammer nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
    daß die achsiale Entfernung zwischen dem Boden (36) des Kompressionszylinders (34) und dem zweiten Kompressionskolben (35) kleiner, gleich oder größer ist als die Überdeckungslänge des Lichtbogenschaltrohres (8) und der Leitstoffdüse (5).
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