DE3943447A1

DE3943447A1 - Schutz fuer komponenten gasisolierter schaltanlagen bei internen lichtbogenfehlern gegen durchbrennen

Info

Publication number: DE3943447A1
Application number: DE19893943447
Authority: DE
Inventors: Thomas Bischoping; Roland Dipl Ing Muench; Klaus Prof Dr Ing Moeller
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1989-06-02
Filing date: 1989-06-02
Publication date: 1990-12-06

Description

Die Erfindung betrifft einen Schutz für Komponenten gasisolierter Schaltanlagen bei inneren Lichtbogenfehlern gegen Durchbrennen, wobei die Komponenten im wesentlichen aus einer mindestens an der Innenseite leitfähigen Hülle als Außenleiter und einen durch Stützer gehaltenen Innenleiter bestehen und wobei zur Erzeugung einer Rotation des Lichtbogens im Abstand voneinander längliche Leiterbahnen vorgesehen sind, die gegen die Mittelachse des Innen- und/oder Außenleiters mit einem Winkel geneigt sind, der so bemessen ist, daß beim Auftreten eines Lichtbogens, durch die dem Lichtbogen als Stromzuführung dienenden Leiterbahnen ein Magnetfeld entsteht, welches in Wechselwirkung mit dem Magnetfeld des Lichtbogens eine azimutale Kraft erzeugt, die stärker ist als die azimutalen Kräfte, die durch mögliche, zufällig auftretende Schräglagen des Lichtbogens entstehen können.

Obwohl die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten eines Störlichtbogens als Folge eines Isolationsversagens in einer metallgekapselten, SF₆-isolierten Hochspannungsanlage sehr gering ist, müssen auch für diesen Fall umfassende Schutzkonzepte angestrebt werden. Entsteht in einer SF₆-isolierten Anlage ein Störlichtbogen, so wandert dieser in axialer Richtung von der Stromeinspeisung weg, bis er von einem Stützer festgehalten wird, Ursache dieser Lichtbogenwanderung ist die Wechselwirkung der Magnetfelder des Innen- und des Außenleiters mit dem Magnetfeld des Lichtbogens. An einem solchen Stützer kommt es in der Mehrzahl der Fälle zu einer Stabilisierung des Bogenfußpunktes auf einem Punkt der Außenhülle und es besteht die Gefahr, daß diese im Fußpunktbereich durchgeschweißt wird.

Aus der Patentschrift CH 5 96 686 ist eine metallgekapselte Hochspannungsanlage bekannt, in der ein Einsatz, bestehend aus einem mit Einschnitten versehenen Blechmantel zur Erzeugung eines Magnetfeldes, welches mit dem von dem Lichtbogen erzeugten Magnetfeld wechselwirkt, den Lichtbogen zur Rotation zwingt. Hierdurch ist eine punktmäßige Hitzebelastung der Metallkapselung der Hochspannungsanlage ausgeschlossen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Rotation des Lichtbogens besonders einfach zu erzeugen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Leiterbahnen im Innen- und/oder Außenleiter vorgesehen sind.

Die erfindungsgemäße Lösung hat den Vorteil, daß Komponenten gasisolierter Schaltanlagen äußerst einfach und wirtschaftlich gegen ein Durchbrennen aufgrund innerer Lichtbogenfehler geschützt werden können. Es sind weder zusätzliche Einsätze wie Spulen oder Blechmäntel noch ein zusätzlicher Materialaufwand erforderlich. Dadurch, daß der Lichtbogen auf eine Rotationsbahn gebracht wird, rotiert er vor dem Stützer ohne diesen zu beschädigen oder die Wandung vor dem Stützer durchzubrennen. Diese Rotation des Lichtbogens ist ohne Beschädigung der betroffenen Komponente während einer für solche Schäden verhältnismäßig langen Zeitspanne möglich. Während dieser Zeitspanne kann die Anlage ohne Probleme vom Schutz abgeschaltet werden.

Eine solche Rotation des Lichtbogens wird nach der erfindungsgemäßen Lösung besonders einfach dadurch bewirkt, daß die gegen die gemeinsame Achse des Innen- und/oder Außenleiters geneigten Leiterbahnen direkt in den Innen- und/oder Außenleiter ein- oder aufgebracht werden.

Weiterbildungen und zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Ausschnitt aus einer Komponente, links quer und rechts längs geschnitten, mit einem der Erläuterung dienenden Zylinderkoordinatensystem,

Fig. 2 eine erfindungsgemäß ausgebildete Komponente im Schnitt,

Fig. 3 eine Leiterbahn mit Zerlegung des Stromes in seine Komponenten und

Fig. 4 eine vergrößerte Darstellung des Innenleiters nach Fig. 2.

Fig. 1 zeigt einen Ausschnitt aus einer Komponente einer gasisolierten Schaltanlage, wobei diese links quer zu ihrer Achse geschnitten ist und rechts in Richtung der Längsachse. Ein Innenleiter 1 wird von einem Außenleiter 2, der gleichzeitig als Hülle dient, umgeben. Zwischen dem Innenleiter 1 und dem Außenleiter 2 befindet sich das SF₆ als Isoliergas. Zur Erläuterung der nachstehend dargestellten Erfindung dient das Zylinderkoordinatensystem e _z, e _r und e _ϕ, welches in die Fig. 1 eingetragen ist. Ein Lichtbogen 6 wandert in einer solchen Komponente in Pfeilrichtung, wenn die Stromeinspeisung an dem Innenleiter von der linken Seite erfolgt. Der Rückfluß des Stromes im Außenleiter findet dann in umgekehrter Richtung statt.

Der Lichtbogen läuft in einer solchen Komponente so lange in axialer Richtung, bis er auf einen Stützer trifft.

Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung im Schnitt. Der Innenleiter 1 wird von dem Außenleiter 2 umgeben und durch einen Stützer 3 so festgehalten, daß die Ache des Innenleiters mit der Achse des Außenleiters zusammenfällt. Der Innenleiter 1 kann massiv oder als Rohr ausgestaltet sein, der Stützer 3 besteht aus einem Isoliermaterial, beispielsweise Gießharz, und der Außenleiter 2 kann als metallische Hülle oder als Hülle aus nichtleitendem Material mit einer leitenden Schicht auf der Innenseite ausgestaltet sein. Der Innenleiter 1 besteht in seinem an den Stützer 3 angrenzenden Bereich 4 aus einer Vielzahl parallel verlaufender Leiterbahnen 5, welche gleichmäßig über den Umfang verteilt sind. Diese Leiterbahnen 5 sind durch isolierende Streifen unterbrochen und weisen einen vorgegebenen Winkel α zur Achsrichtung auf.

In derselben Weise können Leiterbahnen auch auf der Innenseite der Hülle angeordnet sein, so daß der Außenleiter 2 in seinem an den Stützer 7 angrenzenden Bereich 4′ aus am Innenumfang gleichmäßig verteilten Leiterbahnen 5′ besteht, welche ebenfalls ein vorgegebenen Winkel α′ zur Achsrichtung aufweisen. (Es sind nur zwei Leiterbahnen 5′ ausgezeichnet.) Es ist auch möglich, solche Leiterbahnen 5, 5′ sowohl auf dem Innenleiter 1 wie auf dem Außenleiter 2 anzuordnen. Bei einer solchen Ausbildung müssen die Leiterbahnen 5 des Innenleiters 1 einen Winkel α zur Achsrichtung aufweisen, der dieselbe Richtung wie der Winkel α′ der Leiterbahnen 5′ des Außenleiters hat, wobei die Winkel α und α′ gleich groß oder unterschiedlich sein können.

Die Funktion dieses Ausführungsbeispiels wird anhand der Fig. 2 bis 4 erläutert:

Fig. 3 zeigt einen Abschnitt einer Leiterbahn 5, die einen Winkel α zur Achsrichtung aufweist und in die die Aufteilung des Stromes I in seine Komponenten in z und in ϕ-Richtung eingezeichnet ist. Diese Leiterbahnen 5 sind zum Beispiel auf dem Innenleiter 1 im Bereich 4 angeordnet, wie dies in Fig. 4 dargestellt ist. Wie in der Fig. 2 angedeutet, können an der Innenseite der Hülle ebenfalls solche Leiterbahnen 5′ angeordnet werden, wobei die Lage dieser Leiterbahnen 5′ für den Fall keine Rolle spielt, daß nur der Außenleiter 2 mit solchen Leiterbahnen 5′ ausgestattet ist. Wird jedoch der Innenleiter 1 mit Leiterbahnen 5 und der Außenleiter 2 mit Leiterbahnen 5′ ausgestattet, so müssen die Winkel α, α′ der Leiterbahnen 5 im Verhältnis zu den Leiterbahnen 5′ eine Schräglage in gleicher Drehrichtung aufweisen. Der Grund besteht darin, daß die durch diese Anordnung erzeugten Kräfte den Lichtbogen in dieselbe Drehrichtung treiben müssen.

Diese Kräfte entstehen durch die in Fig. 3 dargestellte Stromkomponente wie I ϕ, welche das in Fig. 2 dargestellte Magnetfeld H _z erzeugt, das in Wechselwirkung mit dem durch den Lichtbogenstrom erzeugten Magnetfeld eine azimutale, auf den Lichtbogen 6 wirkende Antriebskraft hervorbringt.

Eine solche azimutale Antriebskraft kann sowohl durch Leiterbahnen 5 des Innenleiters 1 als auch durch Leiterbahnen 5′ des Außenleiters 2 erzeugt werden. Die Erzeugung dieser azimutalen Kräfte sowohl auf dem Innenleiter 1 wie auf dem Außenleiter 2 erhöht die Wirksamkeit.

Der Winkel α bzw. α′ der Leiterbahnen 5 bzw. 5′ muß so bemessen sein, daß beim Auftreten eines Lichtbogens 6, durch die dem Lichtbogen 6 als Stromzuführung dienenden Leiterbahnen 5 bzw. 5′, ein Magnetfeld entsteht, welches in Wechselwirkung mit dem Magnetfeld des Lichtbogens 6 eine azimutale Kraft erzeugt, die stärker ist als die azimutalen Kräfte, die durch mögliche, zufällig auftretende Schräglagen des Lichtbogens 6 entstehen können. Auf diese Weise kann mit absoluter Sicherheit eine Rotation des Lichtbogens gewährleistet werden.

Die Leiterbahnen 5 können auf einem rohrförmigen Innenleiter 1 als Stege ausgebildet sein, wobei diese Stege zum Beispiel durch Einarbeiten von Schlitzen hergestellt werden können. Die Leiterbahnen 5 können auf dem Innenleiter 1 jedoch auch in Form von Rippen aus besonders leitfähigem Material angeordnet sein. Für die Ausbildung des entsprechenden Magnetfeldes kann es ausreichen, wenn diese Rippen aus besonders leitfähigem Material Zwischenräume aufweisen, an deren Grund sich weniger leitfähiges Material befindet.

In ähnlicher Weise können die Leiterbahnen 5′ des Außenleiters 2 ausgestaltet werden. Beispielsweise können leitfähige Stege an der Innenseite einer sonst nicht leitfähigen aber geschlossenen Hülle ausgebildet sein. Auch bei diesen Leiterbahnen 5′ ist es möglich, sie in Form von Rippen aus besonders leitfähigem Material auf der Innenseite der Hülle anzuordnen. Die Hülle kann dann aus Isoliermaterial oder aus weniger leitfähigem Material bestehen.

Die an den Stützer 3 angrenzende Bereiche 4, 4′ des Innenleiters 1 und/oder des Außenleiters 2 können zur Optimierung des Durchbrennschutzes aus einem Material bestehen, daß gute Laufeigenschaften für den Lichtbogen aufweist, wie zum Beispiel Kupfer. Dadurch wird die Rotation des Lichtbogens begünstigt, der Fußpunkt wandert noch schneller, wodurch auf dem Außenleiter 2 die Erwärmung verringert wird. Auf diese Weise kann die Wirksamkeit der Anordnung weiter erhöht werden.

Claims

1. Schutz für Komponenten gasisolierter Schaltanlagen bei inneren Lichtbogenfehlern gegen Durchbrennen, wobei die Komponenten im wesentlichen aus einer mindestens an der Innenseite leitfähigen Hülle als Außenleiter und einem durch Stützer gehaltenen Innenleiter bestehen, und wobei zur Erzeugung einer Rotation des Lichtbogens im Abstand voneinander längliche Leiterbahnen vorgesehen sind, die gegen die Mittelachse des Innen- und/oder Außenleiters mit einem Winkel geneigt sind, der so bemessen ist, daß beim Auftreten eines Lichtbogens, durch die dem Lichtbogen als Stromzuführung dienenden Leiterbahnen ein Magnetfeld entsteht, welches in Wechselwirkung mit dem Magnetfeld des Lichtbogens eine azimutale Kraft erzeugt, die stärker ist als die azimutalen Kräfte, die durch mögliche, zufällig auftretende Schräglagen des Lichtbogens entstehen können, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterbahnen (5, 5′) im Innen- und/oder Außenleiter vorgesehen sind.

2. Schutz für Komponenten nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterbahnen (5) als Stege eines rohrförmigen Innenleiters (1) ausgebildet sind.

3. Schutz für Komponenten nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stege durch Schlitze getrennt sind.

4. Schutz für Komponenten nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterbahnen (5′) des Außenleiters (2) durch leitfähige Stege an der Innenseite einer sonst nicht leitfähigen Hülle gebildet sind.

5. Schutz für Komponenten nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die an den Stützer (3) angrenzenden Bereiche (4, 4′) des Innen- (1) und/oder des Außenleiters (2) aus Material bestehen, das gute elektrische Leitfähigkeitseigenschaften aufweist.

6. Schutz für Komponenten nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Material Kupfer ist.