DE3430306C2

DE3430306C2 - Elektrischer Druckgasleistungssschalter

Info

Publication number: DE3430306C2
Application number: DE19843430306
Authority: DE
Inventors: Ernst Prof. Dr.techn.habil. 1000 Berlin Slamecka
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1984-08-15
Filing date: 1984-08-15
Publication date: 1987-03-12
Also published as: DE3430306A1

Abstract

Ist bei einer Druckgas-Stromunterbrechungseinrichtung mit Leitstoff-Leitstoff-Doppeldüsen (1, 2) deren axialer Abstand deutlich größer als der Düsenradius, dann sollte zur Stabilisierung des Ausschaltlichtbogenabschnitts zwischen den Düsen die vornehmlich radiale Strömungsgeschwindigkeit des Lichtbogen-Löschgases im Zwischendüsenraum erhöht werden. Zu diesem Zweck wird erfindungsgemäß unter Wahrung des bewährten Druckkammerprinzips im Kompressionszylinder (3) z. B. der Druckgas-Stromunterbrechungseinrichtung I zwischen Zylinderabschlußkappe (10) und Gleitschaltstück (4) eine Anordnung von Radialströmungsräumen (7, 8, 9) gebildet. Die auf die Doppeldüsenachse ausgerichteten Ausströmquerschnitte dieser Radialströmungsräume sind etwa gleich groß wie die Einströmquerschnitte der Doppeldüsen. Nach dem Druckkammerprinzip angeordnete Radialströmungsräume ermöglichen es auch, Gasräume im Kompressionszylinder, die während des Ausschalthubes vom Kompressionskolben (5) und seinen Fortsätzen (15) nicht ausgefüllt werden können, minimal zu halten.

Description

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Druckgasleistungsschalter gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Anwendungsgebiet

Der Druckgasleistungsschalter dient dazu, elektrische Stromkreise vornehmlich in Netzen mit sehr hohen Betriebsspannungen gesteuert zu schließen und geschlossen zu halten sowie gesteuert zu öffnen und offen zu halten.

Stand der Technik und Kritik

Ein Hochspannungs-Druckgasleistungsschalter nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ist z. B. durch die Druckschrift DE-OS 31 45 391 bekanntgeworden. Dazu läßt sich aus physikalischer Sicht der Dinge folgendes bemerken:
Das Druckkammer-Prinzip, das heißt, die unmittelbare Anströmung der Doppeldüsen-Anordnung oder einer dieser vorgelagerten Strömungsleitvorrichtung aus einem Druckraum existiert offenbar nur mehr in grober Näherung, denn das Lichtbogenlöschgas im Kompressionsraum des Kompressionszylinders muß den radialen auf die Düsen gerichteten Kanälen der Strömungsleitvorrichtung durch vorgelagerte axiale Kanäle zuströmen.
An dem Strömungswiderstand der axialen Zuströmkanäle fällt der Druck des hindurchströmenden Löschgases ab. Bei reduziertem Druck vermag aber das Löschgas schnellen Änderungen des Lichtbogenplasmas weniger elastisch zu folgen und die entionisierende, stromunterbrechende Einwirkung des Löschgases nimmt ab. Besonders trifft dies auf die Unterbrechung großer Kurzschlußströme zu.
Durch die Konstruktionsform bedingt, entströmen den Kanälen des Einsatzes je nach ihrer Lage unterschiedliche Gasmassen. Dadurch können im Raum zwischen den Düsen Turbulenzen entstehen. Solche Gaswirbel enthalten auch Bereiche geringeren Druckes und dementsprechend geringerer dielektrischer Festigkeit.
Der Einsatzkörper aus Isolierstoff, in den senkrecht zu seiner Mittelachse Ringnuten unterschiedlicher Tiefe eingearbeitet sind, füllt den Stirnraum des Kompressionszylinders aus. Entsprechend diesem verlorenen Raum muß der Kompressionszylinder entweder verlängert werden oder es steht weniger Löschgas zur Verfügung, wenn seine Länge beibehalten werden müßte. Es ist auch kaum möglich, das Gas in den axialen Zuströmkanälen zu verdrängen, so daß sich die erreichbare Gesamtkompression verkleinert. Ein Löschgas mit einer verringerten Dichte kühlt das Lichtbogenplasma entsprechend schwächer und weist auch gegenüber der wiederkehrenden Spannung eine entsprechend kleinere dielektrische Festigkeit auf.

Aufgabe der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Druckgasschalter der vorstehend beschriebenen Art so weiterzubilden, daß das Druckkammerprinzip gewahrt bleibt und die Kompression des Löschgases vermindernde Toträume und damit ein Abfall der Strömungsgeschwindigkeit dieses Gases weitgehend vermieden werden.

Aufgabenlösung und erzielbare Vorteile

Die vorstehend gestellte Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 bzw. durch die im nebengeordneten Patentanspruch 7 angegebenen Merkmale gelöst. Weitere Merkmale einer vorteilhaften Weiterbildung enthalten die Unteransprüche 2-6 und 8. Diese Lösung sieht im wesentlichen folgendermaßen aus:
In den Kompressionsraum des Kompressionszylinders wird ein Tragkörper für Düsen-Anströmkanäle so eingebaut, daß die Einströmöffnungen dieser Kanäle vom Löschgas, das sich in einem, einen Teil des Kompressionsraumes bildenden Ringraum befindet, unmittelbar umgeben ist.
Durch diese Wahrung des bewährten Druckkammerprinzips werden axiale Zuströmkanäle und der Druckverlust vermieden, den das darin den Düsen-Anströmkanälen zuströmende Löschgas erfährt.
Aus den gleichmäßig verteilten Anströmkanälen oder Anströmdüsen strömen untereinander etwa gleiche Gasstrahlen den Raum zwischen den Düsen an und verhindern weitgehend eine die Lichtbogenspannung unnötig erhöhende Wirbelbildung.
In den unmittelbar vom Druckgas im Kompressionsraum beaufschlagten Anströmkanälen kann sich die Strömungsgeschwindigkeit des Löschgases relativ schneller aufbauen.
Der Ringraum vor den Anströmkanälen wird während eines Ausschaltvorganges durch den dem Ringraum angepaßten Fortsatz des Kompressionskolbens ausgefüllt, so daß das Löschgas optimal komprimiert werden kann.
Der Einsatz bildet eine selbständige, leicht und gegebenenfalls noch nachträglich einbaubare und den Schaltleistungsanforderungen eines Hochspannungsnetzes anpaßbare Baueinheit.
Der erwartbare Kurzschlußausschaltstrom eines 245 kV SF₆- Leistungsschalters, dessen Schaltkammern mit einer der erfindungsgemäßen Druckgas- Kompressions- und Schalteinrichtungen ausgerüstet ist, beträgt 50 kA.
Ausfüllen von Teilräumen des Kompressionszylinders durch Fortsätze des Kompressionskolbens ist an sich bekannt. Doch beziehen sich alle bekanntgewordenen Anordnungen auf andere Konstruktionen und Aufgabenstellungen.
So weist z. B. gemäß der Druckschrift DE-OS 20 15 473 ein mit einer bewegbaren Isolierstoffdüse verbundener Kompressionszylinder stirnseitig "Ausnehmungen" auf, in die beim Ausschalten "komplementär ausgebildete Vorsprünge" eines feststehenden Kolbens einlaufen.
Diese Ausnehmungen bilden einen kegelringförmig sich verengenden Strömungskanal, dem in Richtung auf die Isolierstoffdüse ein weiterer relativ enger Ringkanal folgt. Durch diese Reihenschaltung von zwei einzelnen Strömungskanälen erleidet das Löschgas auf seinem Strömungsweg bis zur Düse offensichtlich einen erheblichen Druckverlust.
Im fortschrittlichen Gegensatz dazu, gehen bei der erfindungsgemäßen Aufgabenlösung von einer ringraumförmigen Fortsetzung des ebenfalls zylinderringförmigen Kompressionsraumes mehrere parallele radiale Düsen-Anströmkanäle aus und führen so zu einer relativ erheblichen Verkleinerung des Druckverlustes des Löschgases auf dem Weg zu dem Doppeldüsen-Einströmraum.

Ausführungsbeispiele

Es bedeutet:
Fig. 1: Längsschnitt der Druckgas- Kompressions- und Schalt-Einrichtung mit einem hohlzylindrischen Einsatz und in diesem untergebrachten Düsen-Anströmkanälen.
Fig. 2: Querschnitt der Druckgas- Kompressions- und Schalt-Einrichtung sowie des Einsatzes nach Fig. 1.
Fig. 3: Längsschnitt der Druckgas- Kompressions- und Schalt-Einrichtung mit auf die Längsachsen der Düsen ausgerichteten Längswänden an der Seitenwand des Kompressionszylinders.
Fig. 4: Querschnitt der Druckgas- Kompressions- und Schalt-Einrichtung nach Fig. 3.

Erstes Ausführungbeispiel

Die Düsenkörper 1, 2 die sich nach Fig. 1 in der Druckgas- Kompressions- und Schalt-Einrichtung eines Hochspannungs-Druckgasleistungsschalters axial gegenüberstehen, bilden das Herzstück dieser Einrichtung. Beide Düsen sind im eingeschalteten Zustand und während einer Phase des Ausschaltvorganges von dem Kompressionszylinder 3 umgeben. Mit diesem Zylinder ist auch das Gleitschaltstück 4 in einer hier nicht dargestellten Form mechanisch verbunden. Der bewegbare Kompressionszylinder 3 und der feststehende Kompressionskolben 5 bilden die Einrichtung für die Kompression des Lichtbogen-Löschgases.
Wenn, wie hier zutreffend, bei Nennspannungen des Druckgasleistungsschalters von 245 kV und höher wegen der dielektrischen Festigkeit der offenen Schaltstrecke, der axiale Abstand der Düsen wesentlich größer bemessen werden muß als der Düsenradius, dann müssen auch Maßnahmen für eine ausreichende Radialgeschwindigkeit der Gaseinströmung in den erweiterten Raum zwischen den Düsen getroffen werden.
Zu diesem Zweck ist ein Einsatz 6 vorgesehen, der senkrecht zu seiner Mittelachse parallele Kanäle 7, 8, 9 aufweist. Dieser hohlzylindrische Isolierstoffeinsatz hängt praktisch frei im Kompressionsraum 13, der von dem Kompressionszylinder 3, dem Kompressionskolben 5, der Außenwand der Düse 1 sowie der Außenwand des Gleitschaltstücks 4 gebildet wird. Befestigt ist der Einsatz an der Stirnwand 10 und mit vier schmalen Rippen 11 an der Seitenwand 12 des Kompressionszylinders 3. Zwischen dessen Innenwand und dem Einsatz 6 liegt ein Ringraum 13.
So sind die Einströmöffnungen des Einsatzes 6 vom Löschgas im Ringraum 13 unmittelbar umgeben. Dazu trägt noch bei, daß zwei der vier Befestigungsrippen in Verlängerung der radialen, als Distanzstücke zwischen den Scheiben 25, 26 dienenden Stege 17 angeordnet sind. Bei einer leicht vorstellbaren Ausführung mit nur drei Befestigungsrippen, lassen sich alle drei Rippen in Verlängerung der Stege 17 anordnen. Dann gibt es auch nicht mehr die geringste Behinderung der Gaseinströmung in die Kanäle 7, 8, 9.
Der innere Teil der dem Gleitschaltstück 4 zugekehrten Seite der etwas verstärkten Scheibe 26 des Einsatzes 6 ist gekrümmt ausgeführt und begrenzt einen dementsprechend gekrümmten Kanal 14. Dadurch läßt sich erreichen, daß bei der Trennung des ausschaltenden Gleitschaltstücks 4 vom Düsenkörper 1 der hier nicht dargestellte Initiallichtbogen sofort kräftig beblasen und dadurch in die Düsen 1, 2 getrieben wird.
Der Kompressionskolben 5 hat über die Länge des hohlzylindrischen Einsatzes 6, die etwa dem Ausschalthub gleicht, einen auf den Außendurchmesser dieses Einsatzes erweiterten Innendurchmesser. Dadurch entsteht ein ringförmiger Fortsatz 15, der während eines Ausschaltvorganges in den Ringraum 13 eintaucht.
Der Fortsatz 15 weist nutförmige Spalte 16 auf, in welche die Befestigungsrippen während eines Ausschaltvorganges eintauchen können. Es sei noch darauf hingewiesen, daß diese Rippen nur von der unteren Stirnscheibe 26 bis zum Kanal 9 reichen und so nur einen sehr kleinen Teil des Ringraumes 13 einnehmen.
Der Innendurchmesser der Seitenwand 12 des Kompressionszylinders 3 ist bis hin zu seiner Stirnwand 10 konstant gehalten. Die Stirnwand ist eben und wird von der Mittelachse senkrecht durchdrungen.
Auch die Stirn des Fortsatzes 15 des Kompressionskolbens 5 ist eben und wird von der Mittelachse ebenfalls senkrecht durchdrungen. Diese Abstimmung zwischen Kompressionszylinder und Kompressionskolben ergibt die maximal mögliche Größe des Ringraumes rund um den Einsatz 6. Dementsprechend steht reichlich Löschgas unmittelbar vor dem Einsatz 6 zur Verfügung, was seine Wirksamkeit erhöht.
Zur weiteren Verdeutlichung der vom Ringraum 13 unmittelbar umgebenen Kanäle 7, 8, 9 ist der Ringraum im Bereich zwischen den Düsen quergeschnitten; die Sicht auf die Schnittfläche zeigt die Fig. 2. Man erkennt darin die radial ausgerichteten Stege 17, sechs an der Zahl, als Distanzstücke in den Kanälen 7, 8, 9. Diese Stege wirken sich auch günstig auf eine Vergleichmäßigung der Gasströmung aus.
Desweiteren erkennt man in der Fig. 2 die auch schon in der Fig. 1 dargestellten Längsrippen 11 zur Befestigung des Einsatzes 6 an der Seitenwand 12 des Kompressionszylinders 3.
Die Summe der Ausströmquerschnitte der Kanäle 7, 8, 9 ist etwa ebenso groß wie die Einströmquerschnitte der beiden Düsen 1, 2. Die Ausströmquerschnitte der Kanäle 7, 8, 9 können eine düsenförmige Kontur aufweisen.
Mit den vorstehend beschriebenen konstruktiven Maßnahmen wird selbst bei einem relativ großen axialen Abstand der Düsen 1, 2 ein Ausbrechen des Ausschaltlichtbogens aus dem dazwischen liegenden Raum verhindert. Die gleichmäßige Löschgasströmung aus den Kanälen 7, 8, 9 hält im Raum zwischen den Düsen 1, 2 die Gasturbulenzen mit ihren dort schädlichen Auswirkungen auf den Lichtbogen und den Wiederaufbau der dielektrischen Festigkeit nach seiner Unterbrechung gering.

Zweites Ausführungsbeispiel

Eine weitere Ausführungsform der Druckgas- Kompressions- und Schalt-Einrichtung eines Hochspannungs-Druckgasleistungsschalters ergibt sich dadurch, daß die horizontalen parallelen Kanäle des Einsatzes 6 nach der Fig. 1 zu konzentrischen zylindersektorförmigen Druckräumen mit auf die Mittelachse gerichteten Ausströmöffnungen umgestaltet werden, wie dies die Fig. 3 und 4 zeigen.
Demzufolge sind an der Seitenwand 12 des Kompressionszylinders 3 Längswände 18 angebracht, die sich axial etwa über die Länge des Ausschalthubes erstrecken. Zusätzlich sind diese Längswände noch an der Stirnwand 10 des Kompressionszylinders 3 befestigt. In radialer Richtung reichen die Längswände ungefähr bis zur Außenwand der Düsen 1, 2. Die von den Längswänden begrenzten zylindersektorförmigen Kompressionsräume 19 sind ein Teil des Kompressionsraumes 13, der in derselben Weise wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel gebildet wird. Ihre Ausströmöffnungen 20 sind düsenförmig geformt, wie es die Fig. 4 zeigt.
Durch die Ausströmöffnungen strömt soviel Gas wie von den Düsen 1, 2 aufgenommen werden kann. Für diese Kontinuität der Gasströmung ist der Summenquerschnitt der Ausströmöffnungen 20 etwa gleich groß bemessen wie die Summe der Einströmquerschnitte der beiden Düsen 1, 2.
Der Aufbau der radialen Gasströmung zu den Düsen 1, 2 erfolgt hier ohne viel Aufwand besonders schnell, weil hinter den Ausströmöffnungen 20 in den bis zur zylindrischen Seitenwand 12 reichenden Teilkompressionsräumen 19 eine relativ große elastische Gasmasse gespeichert ist. Die konzentrischen Teilkompressionsräume 19 ergeben mit den gleichmäßig angeordneten Ausströmöffnungen 20 auch eine turbulenzarme Anströmung des Raumes zwischen den Düsen 1, 2, so daß der dort brennende Lichtbogen zu keiner übermäßigen schädlichen Wärmeerzeugung angefacht wird.
Der Kompressionskolben 5 reicht mit seinem Querschnitt von der äußeren Oberfläche des rohrförmigen Gleitschaltstücks 4 bis zur inneren Oberfläche der Zylinderwand 12. Damit die Längswände 18 bei einem Ausschaltvorgang im Kompressionskolben eintauchen können, weist er entsprechende nutförmige Vertiefungen 22 auf. Dadurch gliedert sich der Kompressionskolben in pneumatisch parallel wirkende, von einem gemeinsamen Grundkörper ausgehende Teilkolbenkörper 21. Deutlich wird dies bei der Betrachtung der Fig. 3 und 4. Bei dem Schnittbild der Fig. 4 blickt man links von der Längsachse nach oben auf den Düsenkörper 1, die geschnittenen Längswände 18 und auf die dazwischen liegenden Teilkompressionsräume 19. Rechts von der Längsachse blickt man nach unten auf den Düsenkörper 2, auf den anderen Teil der geschnittenen Längswände 18 sowie auf den das Gleitschaltstück 4 umgebenden Kompressionskolben 5 mit den Teilkolben 21 und den dazwischenliegenden Nuten 22. Die übrigen Bauteile des zweiten Ausführungsbeispiels sind identisch mit denen des ersten, so daß sich eine erneute Erläuterung erübrigen dürfte.
Hinzuzufügen ist noch, daß der Einsatz 6 und die Längswände 18 vorzugsweise aus einem Fluorpolymer wie z. B. PTFE hergestellt sind.

Claims

1. Elektrischer Druckgasleistungsschalter mit:

a) zwei koaxial im stirnseitigen Abstand angeordneten auch als Düsen (1, 2) ausgebildeten, feststehenden Schaltstücken;
b) einem die Düsen (1, 2) umgebenden, im Einschaltzustand des Druckgasleistungsschalters diese überbrückenden, rohrförmigen Gleitkontaktstück (4);
c) einer konzentrisch zu den Düsen (1, 2) angeordneten Kompressionseinrichtung, die einen das Gleitschaltstück (4) umgebenden, feststehenden Kompressionskolben (5) und einen diesen umgebenden, aus Isolierstoff bestehenden, mit dem Gleitschaltstück (4) fest verbundenen, bewegbaren, durch eine Stirnwand (10) abgeschlossenen Kompressionszylinder (3) aufweist, der im Einschaltzustand des Druckgasleistungsschalters und während eines Teiles des Ausschaltvorganges die nur im Einschaltzustand mit dem Gleitschaltstück (4) in elektrischem Kontakt stehende Düse (1) umgibt;
d) einem im Inneren des Kompressionszylinders (3) zwischen seiner Stirnwand (10) und dem Kompressionskolben (5) angeordneten Einsatz (6) aus Isolierstoff, dessen Innendurchmesser dem Außendurchmesser der Düsen (1, 2) angepaßt ist, und der radiale auf die Längsachsen der Düsen (1, 2) gerichtete Kanäle (7, 8, 9) aufweist, deren Gesamtquerschnitt etwa der Summe der Eintrittsquerschnitte der beiden Düsen (1, 2) entspricht, und die durch eine axiale Strömungsverbindung mit dem Kompressionsraum der Kompressionseinrichtung verbunden sind.

gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

e) der Einsatz (6) ist als getrennter, zylindrischer Isolierkörper ausgebildet, der von den Ausströmöffnungen (7, 8, 9) durchsetzt wird;
f) die Strömungsverbindung ist ein von der Außenwand des Einsatzes (6), der zylindrischen Innenwand (12) und der Stirnwand (10) des Kompressionszylinders (3) begrenzter Ringraum (13);
g) an der Stirnseite des Kompressionskolbens (5) ist ein ringförmiger Fortsatz (15) angeordnet, dessen Außendurchmesser dem Innendurchmesser der zylindrischen Wand (12) des Kompressionszylinders (3), dessen Innendurchmesser dem Außendurchmesser des Einsatzes (6) und dessen Länge der axialen Tiefe des Ringraumes (13) entspricht.

2. Druckgasleistungsschalter nach Patentanspruch 1, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal:
der Einsatz (6) ist aus Scheiben (25, 26), zwischen denen radial angeordnete Stege (17) vorgesehen sind, zusammengesetzt.

3. Druckgasleistungsschalter nach Patentanspruch 2, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal:
die Enden der Stege (17) sind gegenüber der Innenoberfläche des Einsatzes (6) zurückspringend angeordnet.

4. Druckgasleistungsschalter nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

a) der Einsatz (6) ist mit seiner Stirnseite an der Stirnwand (10) und durch radiale, den Ringraum (13) durchquerende Rippen (11) an der Seitenwand (12) des Kompressionszylinders (13) befestigt;
b) der Kompressionskolben (5) weist an seinem Fortsatz (15) Nuten (16) auf für das Eintauchen der Befestigungsrippen (11) während eines Ausschaltvorganges.

5. Druckgasleistungsschalter nach einem der Patentansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal:
die Ausströmöffnungen der radialen Kanäle (7, 7, 9,) sind düsenförmig ausgebildet.

6. Druckgasleistungsschalter nach einem der Patentansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

a) zwischen der Stirnseite des Gleitschaltstücks (4) und der ihm zugewandten, gekrümmten Stirnseite des Einsatzes (6) ist ein Kanal (14) angeordnet;
b) die axiale Eintrittstangente der Krümmung der Stirnseite des Einsatzes (6) geht im weiteren Verlauf in eine radiale Austrittstangente über.

7. Druckgasleistungsschalter nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

a) der Einsatz (6) besteht aus mehreren sich von der Seitenwand (12) des Kompressionszylinders (3) radial zur Mittelachse erstreckenden Längswänden (18), deren freie Enden etwa bis zur äußeren Oberfläche der Düsen (1, 2) reichen;
b) der Kompressionskolben (5) weist von seiner Stirnseite ausgehende nutförmige Vertiefungen (22) auf für das Eintauchen der Längswände (18) während eines Ausschaltvorganges.

8. Druckgasleistungsschalter nach Patentanspruch 7, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal:
die von den Enden der Längswände (18) begrenzten Ausströmöffnungen sind düsenförmig ausgebildet.