DE3816811A1

DE3816811A1 - Hochspannungs-druckgasschaltkammer

Info

Publication number: DE3816811A1
Application number: DE19883816811
Authority: DE
Inventors: Ernst Prof Dr Techn Slamecka
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1988-05-14
Filing date: 1988-05-14
Publication date: 1988-09-22
Also published as: DE3816811C2

Description

Gegenstand der Erfindung und Anwendungsbereich

Die Erfindung betrifft eine Hochspannungs-Druckgasschaltkammer gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Diese Schaltkammer dient dazu, elektrische Stromkreise in Netzen mit hohen Betriebsspannungen gesteuert zu schließen und geschlossen zu halten sowie zu öffnen und dann offen zu halten.

Stand der Technik

Eine Schaltkammer nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ist durch die englischsprachige Druckschrift: Fuji Electric Review, Bd. 22 (1976) Nr. 2 S. 48-52, bekannt.

Die dort dargestellte Schaltkammer eröffnet auch einer früheren Ausführungs form des grundlegenden Stromunterbrechungssystems gemäß DE-PS 19 66 672 die Möglichkeit, den Durchmesser der Schaltkammer erheblich zu verkleinern, in dem man diese partiell als Kompressionszylinder nutzt; somit entfällt der Kompressionszylinder als eigenes Bauteil.

Doch die Verbindung des Isolierrohrs mit dem Ringkolben an seinem äußeren Randbereich setzt die Verbindungsstelle einer erheblichen Momentenbeanspru chung aus: Um sie zu beherrschen sind offensichtlich große Verbindungsquer schnitte notwendig, was unter anderem die zu beschleunigenden Massen ver größert.

Zu den rein mechanischen Problemen treten bei Schaltkammern für hohe Be triebsspannungen noch strömungstechnisch-dielektrisch bedingte hinzu. Bei diesen Schaltkammern muß der axiale Abstand der elektrisch leitenden Düsenkörper angemessen vergrößert werden. Durch diese Maßnahme vergrößert sich der radiale Anströmquerschnitt zu den Düsen. Wenn der maximale Aus schaltstrom und damit der für die Abfuhr der heißen Schaltgase maßgebende Doppeldüsenquerschnit konstant bleiben, steht dem größer gewordenen radialen Düsenanströmquerschnitt kein entsprechender axialer Abström querschnitt durch die Düsen gegenüber. Daher sinkt die radiale Geschwin digkeit, mit der das Löschgas in den Düsenzwischenraum einströmt, ab. Wegen der geringeren Zentrierwirkung des radial langsamer strömenden Löschgases kann der Ausschaltlichtbogen aus seiner axialen Lage ausbrechen und durch verschiedene Effekte die Lichtbogenunterbrecherwirkung der Doppel düsenanordnung mit elektrisch leitenden Düsen schwächen.

Nachteilig ist bei der bekannten Schaltkammer auch das Fehlen eines Gegen kolbens im Kompressionsraum; es hat zu Folge, daß das Lichtbogenlösch gas nicht sehr hoch komprimiert werden kann; daher können nur verhältnis mäßig kleine Kurzschlußströme unterbrochen werden.

Mit der vorstehend zitierten und kritisch betrachteten Druckgasschaltkam mer ist die Schaltkammer gemäß DE-OS 35 40 474 hinsichtlich Aufgabenstel lung und prinzipieller Lösung identisch.

Hinsichtlich konstruktiver Details bemerkt man, daß der Ringkolben an seinem inneren Randbereich mit dem Isolierstoffrohr verbunden ist. Somit befindet sich der Kompressionsraum außerhalb dieses Verbindungsrohrs. Folglich mußte die Rohrwand mit Löschgasdurchlässen versehen werden, wie es schon von der DE-OS 24 38 017 her bekannt ist.

Mit der jüngeren Konstruktionsvariante ergeben sich neue Probleme:

Durch die Löschgasdurchlaßöffnungen in der Tragrohrwand können insbesondere während der Unterbrechung großer Kurzschlußströme heißes Gas und Lichtbo genstrahlung die nun nicht mehr geschützte innere Oberfläche des Kompres sionszylinders aus Isolierstoff erreichen und thermisch erodieren, was seine dielektrische Festigkeit beeinträchtigt.

Die einzelnen Gasdurchlässe unterteilen das in den Düsenzwischenraum ausströmende Gas in einzelne Gasstrahlen. Dabei entstehen Gasturbulenzen. Eine turbulente Gasströmung im Raum zwischen den Düsen wirkt sich u. a. folgendermaßen auf die Lichtbogenstromunterbrechung aus:

Am physikalisch unrechten Ort wird die Lichtbogenleistung erhöht, was sich ungünstig auf das Unterbrechungsvermögen der Schaltkammer bei großen Kurzschlußströmen auswirkt;
Wirbel in einer Gasströmung stellen physikalisch Gebiete relativ niedri geren Gasdrucks dar und Unterdruckgebiete verkleinern die dielektrische Festigkeit der Schaltstrecke, was sich auf das rückzündungsfreie Unter brechen kapazitiver Ströme ungünstig auswirkt.

Die gewählte Befestigungsart des Isolierstoffrohrs an der Stirnseite des bewegbaren Kontakts erschwert die Kommutierung des Schaltlichtbogens von diesem Kontakt auf die Düsenkörper und läßt den Ausschaltlichtbogen län gere Zeit außerhalb der Doppeldüsenanordnung verweilen.

Unmittelbar nach der Lichtbogenlöschung im Zeitbereich der wiederkehrenden in den stationären Verlauf einschwingenden Spannung ist der Schaltraum zwischen den Düsen durch das perforierte Isolierstoffrohr großflächig ein gehüllt, was seine wiederkehrende dielektrische Festigkeit beeinträchtigt.

Aufgabe der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Druckgasschaltkammern gemäß dem vorstehend dargelegten Stand der Technik wesentlich zu verbessern.

Zu diesem Zweck soll das Isolierstoffrohr als Verbindungs- und Distanzstück zwischen dem Ringkolben und bewegbaren Kontakt durch mechanisch und auch dielektrisch wesentlich günstigere Verbindungselemente ersetzt werden.

Dann soll in Schaltkammern für hohe Betriebsspannungen das Löschgas in den entsprechend länger gewordenen Raum zwischen den Düsen ohne Einbußen in der Strömungsgeschwindigkeit einströmen können. Im Fall einer dafür be sonders gut geeigneten Düsenausführung soll der Ausschaltlichtbogen in die se Düse zuverlässig kommutiert werden.

Im Zuge der vorstehend angeführten Aufgaben soll die Schaltkammer auch kon struktiv vereinfacht werden.

Lösung der Aufgabe und erzielbare Vorteile

Die vorstehend gestellte Aufgabe wird durch das im Patentanspruch 1 ange gebene kennzeichnende Merkmal gelöst. Weiterbildende Merkmale enthalten die Unteransprüche.

Kernstück der Aufgabenlösung sind einzelne Längskörper aus Isolierstoff als in etwa gleichen Bogenabständen voneinander angeordnete Verbindungs elemente zwischen dem Ringkolben und dem Kontaktkörper.

In der speziellen Form von Längswänden erweisen sie sich als besonders vorteilhaft, weil diese Wände auf zweierlei Weise auch zur Beeinflussung der Löschgasströmung herangezogen werden können:

In der einen wird die Löschgasströmung durch die Längswände so beeinflußt, daß sie den Ausschaltlichtbogen selbst bei großen Düsenabständen im Raum zwischen den Düsen stabilisiert.

In der anderen wird der Ausschaltlichbogen durch eine von den Längswänden mitbeeinflußten Löschgasströmung in eine bei hohen Betriebsspannungen der Schaltkammern besonders vorteilhafte Düsenform kommutiert.

Längswände zur Erzeugung einer radialen, den Ausschaltlichbogen im Düsenzwischenraum stabilisierenden Löschgasströmung sind schon aus der DE-PS 34 30 306 bekannt; dort haben sie jedoch außer der soeben genannten keine weitere Funktion auszuüben.

Gegenüber den bekannten rohrförmigen Verbindungselementen ermöglicht die Verbindung des Ringkolbens mit dem bewegbaren Kontaktkörper durch Längs körper, die Zug- und Druckkräfte auf den Ringkolben gleichmäßiger über seine Oberfläche zu verteilen; als Ergebnis kann die Wandstärke des Ring kolbens erheblich verkleinert werden. Die bei Längswänden erreichbare Ver bindung der mechanischen Funktion mit einer strömungstechnischen ermöglicht den Bau sehr einfacher auch für sehr hohe Betriebsspannungen geeigneter Druckgasschaltkammern mit einem erheblich verkleinerten Außendurchmesser, ohne dabei die Nachteile des Standes der Technik in Kauf nehmen zu müssen.

Damit kann die Anzahl der Schaltkammern pro Schalterpol erheblich redu ziert werden; z. B. kann ein 300 kV, 40 kA SF₆-Autokompressionsschalter mit nur einer Schaltkammer pro Schalterpol gebaut werden oder ein 550 kV, 50 kA SF₆-Autokompressionsschalter mit nur zwei Schaltkammern pro Schalterpol.

Ausführungsbeispiel

Die zugehörigen Figuren zeigen folgendes:

Fig. 1 Längsschnitt durch die Schaltkammer;
links der Mittellinie: Ringkolben-Kontakt-Anordnung im ausgeschalteten Zustand;
rechts der Mittellinie: Ringkolben-Kontakt-Anordnung im eingeschalteten Zustand;
gestrichelt angedeutet: Ringkolben-Kontakt-Anordnung in Lichtbogen-Löschstellung;

Fig. 2 Querschnitt durch die Schaltkammer;
die geschnittene Ringkolben-Kontakt-Anordnung befindet sich in der Position, wie sie in Fig. 1 durch den ge strichelt eingezeichneten Ringkolben angedeutet ist.

Gemäß der Fig. 1 befindet sich in der partiell auch als Kompressionszylinder (6) verwendeten Schaltkammer (1) ein bewegbarer Ringkolben (5) zur Kompres sion des Lichtbogenlöschgases im Kompressionsraum (8). Dieser Raum wird bis zur Freigabe der Gaseinströmung in die Doppeldüsen (2, 3) an den sie tragen den Gasabström- und Kontaktrohren (21, 31) durch folgende Bauteile begrenzt:

Innenseite des bewegbaren Ringkolbens (5), Außenwand des bewegbaren Kontakt zylinders (20), Innenwand des Isolierstoffzylinders (6), feststehender Ge genkolben (10) mit Spalten (11).

Als kraftschlüssige Verbindung des bewegbaren Ringkolbens mit dem beweg barem Kontakt (4) und über diesen mit dem nicht dargestellten Schalter antrieb, dienen Längswände (7). Diese Längswände sowie der Ringkolben und eine zylindrische Abschirmung (9) der inneren Oberfläche des Kompressions zylinders gegen die Hitzeeinwirkung durch den Schaltlichbogen sind aus einem Stück Isolierstoff hergestellt. Dann brauchen nur mehr die inneren Schmalseiten der Längswände partiell mit dem Kontakt (4) verbunden zu werden. Im einzelnen sieht diese Verbindung wie folgt aus:

Die Wand des Kontaktzylinders (20) zur Aufnahme der Kontaktfinger (13, 14) ist an der dem Ringkolben zugewandten Seite verstärkt. In die Wandverstär kung sind Längsnuten (12) eingelassen und in diese Nuten sind die Längs wände - drei Stück symmetrisch über den Umfang verteilt, siehe Fig. 2 - eingefügt und durch Klebung befestigt. Zur Erhöhung der Widerstandsfähig keit gegen Zug- und Druckkräfte haben die Längswände an den Enden einen An satz, der mit einer entsprechenden Vertiefung in der Wand des Kontaktzy linders verzahnt ist.

Gegen die Lichtbogenhitze sind die Isolierstoff-Längswände durch an den Schmalseiten aufgesetzten Blenden (15) aus einem besonders lichtbogenre sistenten Material, wie etwa PTFE, geschützt.

Ebenfalls aus besonders lichtbogenresistentem Isolierstoff besteht der Abschlußring (6) des Kontaktzylinders. Die äußere Oberfläche des Abschluß rings ist so geformt, daß während des Ablaufens vom Düsenkörper (2) eine zum Düsenzwischenraum ausgerichtete Ringspaltströmung einsetzt; sie zwingt den zuerst an einer Kontaktfingerspitze entstehenden Lichtbogenfußpunkt, auf den Düsenkörper (3) zu kommutieren.

Die Längswände ermöglichen über ihre Funktion als Mittel zur Verbindung des Ringkolbens mit dem Kontakt hinausgehend, auch das Problem der Licht bogenstabilisierung bei betriebsspannungsbedingten großen axialen Düsen abständen zu lösen: In einer nicht dargestellten Ausführungsform sind die etwa bis zur äußeren Oberfläche der Düsenkörper reichenden Längswände nach Anzahl und Querschnitt so bemessen und angeordnet, daß sie radiale Kanäle bilden, die auf den Raum zwischen den Düsen ausgerichtet sind.

Der gesamte Austrittsquerschnitt dieser Kanäle ist etwa gleich groß wie die Summe der Eintrittsquerschnitte der beiden Düsen. Bei dieser Anordnung der Längswände strömt das Löschgas im Düsenzwischenraum mit einer radialen Geschwindigkeit, die für die Stabilisierung des Licht bogens in der Düsenachse ausreicht.

Im Ausführungsbeispiel sind die Längswände so angeordnet, daß sie die Kommutierung des Ausschaltlichtbogens in eine für hohe Betriebsspannun gen besonders geeignete Düsenform zusammen mit anderen Bauteilen sicher stellen. Hierbei kommt es erst gar nicht zu einer kritischen Abnahme der radialen Strömungsgeschwindigkeit des Gases im Zwischendüsenraum, weil der Abstand zwischen den Düsen über das durch die Kontinuität der Löschgas strömung gebotene Ausmaß nicht hinausgeht. In dem so bemessenen Düsenzwi schenraum wird daher, nebenbei bemerkt, auch keine zusätzliche und schäd liche Lichtbogenleistung erzeugt.

Der antriebsseitig angeordnete besonderes Düsenkörper (3) setzt sich aus einem Düseneinlaufteil (3 a) aus elektrisch isolierendem Material und aus einem Düsenerweiterungsteil (3 b) aus elektrisch leitendem Material zusam men. Zur Erleichterung der Lichtbogenkommutierung von einer Kontaktfinger spitze auf den elektrisch leitenden Düsenerweiterungsteil (3 b) weist das elektrisch isolierende Düseneinlaufteil (3 a) drei seine Wand durchdrin gende Gas- und Lichtbogendurchlaßspalte (3 c) auf; siehe dazu auch Fig. 2.

Soll der Ausschaltlichtbogen noch in statu nascendi einen dieser Spalte erreichen und sich hindurch bewegen, muß er unmittelbar davor gezogen werden. Zu diesem Zweck ist ein besonders ausgebildeter Kontaktfinger (13) vor den Gas- und Lichtbogendurchlaßspalten angeordnet. Das Endteil (13 a) seiner Spitze besteht aus einem schwer schmelzbaren elektrisch leitenden Material (Wolframverbindung oder Graphit) zur Aufnahme des Lichtbogenfuß punkts. Der daran anschließende Kontaktfingerspitzenanteil (13 b) ist aus Kupfer hergestellt und nur zur Führung des Dauer- und Kurzzeitstroms vor gesehen.

Durch den angefügten Lichtbogenkontaktkörper (13 a) ist der Kontaktfinger (13) etwas länger als die übrigen Kontaktfinger (14), die nur den Dauer- und Kurzzeitstrom zu führen brauchen.

Somit hebt der Lichtbogenkontaktfinger (13) bei einer Ausschaltung als letzter vom elektrisch leitendem Düsenkörper (2) ab und zieht dabei er findungsgemäß den Ausschaltlichtbogen unmittelbar vor dem Gas- und Licht bogendurchlaßspalt (3 c).

Für die Unterstützung dieser Lichtbogenkommutierung muß die Gasströmung wenigstens teilweise auf den Lichtbogen und seinen Durchlaßspalt ausge richtet sein. Um dies zu bewirken, schließen jeweils zwei Längswände (7) jeweils eine Lichtbogenkontaktfingerspitze (13 a, 13 b) und einen Durchlaß spalt (3 c) ein; die Fig. 2 läßt dies erkennen. Gegebenenfalls können weitere hier nicht mehr dargestellte Leitkörper für die Gasströmung und Maßnahmen als Lichtbogenkommutierungshilfen eingebaut bzw. getroffen werden.

Zur Verkleinerung der Toträume des Kompressionsraums (8) ist der Gegenkol ben (10) in die Schaltkammer (1) eingesetzt und mit dem diese partiell bildenden Isolierstoffrohr (6) fest verbunden. Damit bei einer Ausschal tung die Längswände den Schalthub nicht behindern, sind im Gegenkolben entsprechende Spalte (11) vorhanden, in die sie eintauchen können.

Für den Antrieb der bewegbaren Ringkolben-Kontaktanordnung (5, 4) ist der Kontaktzylinder (20) in seinem antriebsseitigen Bereich von einer etwas überstehenden Metallhülse (17) umfaßt. Im überstehenden Hülsenteil sind innen zwei einander gegenüberstehende Zapfen (18) angebracht; sie dienen als Lager für die gabelförmigen Betätigungsstangen (19).

Sowohl der innere als auch der äußere Rand des Ringkolbens sind mit je ei ner umlaufenden Gasdichtung versehen. Ab der Ausschaltstellung ist der In nendurchmesser der sie umgebenden Isolierstoffzylinderwand etwas größer als der Außendurchmesser der äußeren Ringkolbendichtung. Durch den so ent standenen Ringspalt kann nach einer Ausschaltung frisches Löschgas in den Kompressionsraum einströmen. Ein zweiter Löschgaszuführungsspalt ist im ausgeschaltetem Zustand zwischen der Dichtung an der Innenwand des Gegen kolbens (10) und der unteren Stirnseite der Hülse (17) vorhanden. Während eines Ausschalthubs strömt frisches Löschgas durch ein im Gegenkolben ange ordnetes jedoch nicht sichtbares Einlaßventil in den Kompressionsraum.

Claims

1. Hochspannungs-Druckgasschaltkammer mit:

a) einer Ringkolben-Zylinder-Anordnung (5, 6) zur Erzeugung einer Druckgas strömung durch zwei auch als Kontakte genutzte, einander in axialem Ab stand gegenüberstehende Düsenkörper (2, 3);
b) einem Isolierstoffrohr, das an der einen Stirnseite mit dem bewegbaren Kontaktkörper (4) und an der anderen Stirnseite mit dem Ringkolben (5) kraftschlüssig verbunden ist;

gekennzeichnet durch, folgendes Merkmal:

c) die kraftschlüssige Verbindung des bewegbaren Kontaktkörpers (4) mit dem Ringkolben (5) wird durch einzelne azimutal versetzte Längskörper aus Isolierstoff hergestellt.

2. Schaltkammer nach Patentanspruch 1, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal:
die Längskörper aus Isolierstoff werden durch bolzenförmige Körper hergestellt.

3. Schaltkammer nach Patentanspruch 1, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal:
die Längskörper aus Isolierstoff werden durch rippenförmige Körper (7) dargestellt, deren Breitenerstreckung nach innen maximal bis zur äußeren Oberfläche der Düsenkörper (2, 3) und nach außen maximal bis zur inneren Oberfläche des feststehenden Kompressionszylinders (6) reicht.

4. Schaltkammer nach Patentanspruch 1, 3, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal:
die Längswände (7) liegen hauptsächlich in eine die Längsachse der der Ringkolben-Zylinder-Anordnung (5, 6) enthaltenden radialen Ebene.

5. Schaltkammer nach Patentanspruch 1, 3, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal:
die Längswände (7) reichen im Verlauf ihrer Erstreckung von der inneren zur äußeren Begrenzung von der radialen Ebene hauptsächlich azimutal ab.

6. Schaltkammer nach Patentanspruch 1, 3, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal:
die Längswände (7) weichen bei ihrer Erstreckung von der inneren zur äußeren Begrenzung azimutal in der Weise ab, daß ein von der Mittel achse der Ringkolben-Zylinder-Anordnung (5, 6) ausgehender Strahl die innere Oberfläche des Kompressionszylinders (6) nicht trifft.

7. Schaltkammer nach Patentanspruch 1, 3, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal:
die kraftschlüssige Verbindung der Längswände (7) mit dem Kontaktkör per (4) erfolgt in nutenförmigen Vertiefungen (12), die in einem Teil bereich der Wand des Kontaktzylinders (20) angebracht sind.

8. Schaltkammer nach Patentanspruch 1, 3, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal:
insbesondere die den Düsenkörpern (2, 3) zugewandten Schmalseiten der Längswände (7) sind durch Blenden (15) aus elektrisch isolierendem Material hoher Widerstandsfähigkeit gegen die Einwirkung des Schalt lichtbogens und der heißen Gase aus dem Schaltraum zwischen den Düsen körpern (2, 3) abgedeckt.

9. Schaltkammer nach Patentanspruch 1, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal:
für den Schutz der Innenoberfläche des Kompressionszylinders (6) gegen die Einwirkung des Lichtbogens und der heißen Gase aus dem Schaltraum zwischen den Düsenkörpern (2, 3) ist an der dem Kompressionsraum (8) zu gewandten Seite des Ringkolbens (5) nahe zum Kompressionszylinder ein Schirmkörper (9) aus elektrisch isolierendem Material angeordnet.

10. Schaltkammer nach Patentanspruch 1, 3, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal:
die Längswände (7) sind nach Anzahl und Querschnitt so bemessen und angeordnet, daß sie für das Lichtbogen-Löschgas etwa radiale Anström kanäle in den Raum zwischen den Düsenkörpern (2, 3) bilden.

11. Schaltkammer nach Patentanspruch 1, 3, 10, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal:
der Gesamtquerschnitt der von den Längswänden (7) gebildeten radialen Düsenzwischenraum-Anströmkanäle ist etwa gleichgroß wie die Summe der Eintrittsquerschnitte der Düsen (2, 3).

12. Schaltkammer nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

) Der Düsenkörper (3) setzt sich aus einem Düseneinlaufteil (3 a) aus elektrisch isolierendem Material und aus einem Düsenerweiterungsteil (3 b) aus elektrisch leitendem Material zusammen;
b) das Düseneinlaufteil (3 a) aus elektrisch isolierendem Material weist mindestens einen seine Wand durchdringenden Gas- und Lichtbogen-Durch laßspalt (3 c) auf.

13. Schaltkammer nach Patentanspruch 3, 12, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal:
jeweils zwei Längswände (7) schließen jeweils einen Gas- und Lichtbo gen-Durchlaßspalt (3 c) im Düseneinlaufteil (3 a) aus elektrisch iso lierendem Material sowie einen Lichtbogenkontaktfinger (13) ein.

14. Schaltkammer nach Patentanspruch 3, 12, 13, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

a) An dem Kontaktfinger (13) für die Kommutierung des Ausschaltlichtbogens insbesondere in die Lichtbogenlöschdüse (3) ist zusätzlich zu dem Kontakt körper (13 b) zur Führung des Dauer- und Kurzzeitstroms und an diesen Körper anschließend ein Kontaktkörper (13 a) aus schwer schmelzbarem elektrisch leitendem Material zur Aufnahme des Lichtbogenfußpunkts angeordnet;
b) der Lichtbogenkontaktfinger (13) ist im Kontaktzylinder (20) gegenüber den Kontaktfingern (14), die nur den Dauer- und Kurzzeitstrom führen, so angeordnet, daß er bei einer Ausschaltung als letzter vom elektrisch leitenden Düsenkörper (2) und vor einem Gas- und Lichtbogen-Durchlaß spalt (3 c) abläuft.