DE4041702C1 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Druckgasschalter nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Es ist aus der DE-OS 20 39 240 ein Druckgasschalter bekannt, bei dem in einem mit Löschgas gefüllten Gehäuse ein feststehendes Schaltstück in der Mittelachse einer rohrförmigen, vom Gehäuse beabstandeten Hülse angeordnet ist und bei dem eine Blasdüse fest mit einem beweglichen Schaltstück, dem Gegenkontaktstück, mit dem es eine Schaltstelle bildet, verbunden ist. Die Blasdüse umgibt in der Einschaltstellung beide Schaltstücke. In der rohrförmigen Hülse befinden sich im von der Schaltstelle abgewandten Teil Öffnungen, durch die vom Lichtbogen erhitztes und ionisiertes Löschgas entweichen kann. Es gelangt in eine Zone zwischen der Innenwand des Gehäuses und der Hülse, die von den Schaltstücken weit entfernt ist. Die während eines Ausschaltvorgangs innerhalb der Hülse entstehenden Druckwellen im Löschgas begünstigen das Entstehen von Rückzündungen des Lichtbogens.

Der Erfindung gemäß Anspruch 1 liegt die Aufgabe zugrunde, einen Druckgasschalter zu schaffen, der möglichst geringe Außenabmessungen aufweist, möglichst kostengünstig herstellbar ist und bei dem Rückzündungen weitgehend ausgeschlossen sind.

Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Druckgasschalter nach Anspruch 1.

Das Prinzip der Erfindung besteht darin, die Ausbreitung von Druckwellen im Innern der Hülse möglichst zu unterbinden. Eine solche Hülse kann sich beispielsweise in einem Freiluftschalter innerhalb eines Gehäuses aus Porzellan befinden.

Eine erfindungsgemäße Hülse könnte auch in einer metallgekapselten, gasisolierten Hochspannungsschaltanlage (Vollisolierte Schaltanlage) eingesetzt werden, wo ebenfalls beim Ausschalten Druckwellen entstehen können. Dort ist die Hülse von einem elektrisch leitenden, geerdeten Gehäuse umgeben.

Ein mit der Erfindung gemäß Anspruch 1 erzielbarer Vorteil besteht darin, daß während der Lichtbogendauer durch die radialen Öffnungen im der Schaltstelle zugewandten Teil der Hülse Löschgas aus dem Bereich zwischen der Hülse und dem Gehäuse ins Innere der Hülse eindringt; dadurch wird dort die Entstehung von Unterdruck vermieden, der Druckwellen und Rückzündungen hervorrufen könnte. Die Hülse braucht nicht unbedingt senkrecht angeordnet sein.

Bei der Entstehung des Lichtbogens während des Ausschaltvorgangs tritt mit großer Geschwindigkeit ein Strahl heißen Löschgases aus der Blasdüse hervor und erzeugt in ihrem sich verbreiternden Bereich eine Überdruckzone. Falls die Hülse unten keine radialen Öffnungen aufweist und deshalb in diesem Bereich kein Löschgas in die Hülse radial einströmen kann, ruft die mit hoher Geschwindigkeit aus der Blasdüse hervortretende Löschgasströmung in diesem Bereich der Hülse eine achsensymmetrische Unterdruckzone hervor. Wenn der Lichtbogen gelöscht ist und eine Überdruck- und eine Unterdruckzone entstanden sind, beginnt der Abbau der Druckunterschiede, indem sich Druckwellen ausbreiten. Diese werden am der Schaltstelle abgewandten Ende der Hülse reflektiert. Auf diese Weise gelangt - mit zeitlicher Verzögerung - eine Unterdruckzone zwischen die Schaltstücke. Dieser Unterdruck begünstigt Rückzündungen, die 20 bis 50 ms nach dem Erlöschen des Lichtbogens - im Anschluß an die erste Reflexion der durch den Lichtbogen hervorgerufenen Unterdruckzone - entstehen. Es hat sich gezeigt, daß ein Druckgefälle im Innern der Hülse vermieden wird, wenn in ihrem unteren Teil genügend große Öffnungen vorhanden sind; durch die Öffnungen gelangt Schutzgas aus dem Raum zwischen Hülse und Innenwand des Gehäuses ins Innere der Hülse, sobald dort der Druck abzusinken beginnt. Die Öffnungen sorgen also für einen Druckausgleich und verhindern die Entstehung von Unterdruck. Infolgedessen entsteht auch keine Druckwelle, die eine Rückzündung hervorrufen könnte.

Durch die zusätzlichen Öffnungen im der Schaltstelle zugewandten Bereich der Hülse ist es möglich, den Durchmesser des Druckgasschalters klein zu halten, wobei trotzdem die Wahrscheinlichkeit von Rückzündungen nach jedem Ausschaltvorgang gering ist.

Auf diese Weise wird bei einem Freiluftschalter gemäß Anspruch 2 Material für das aus Porzellan bestehende Gehäuse eingespart. Da das Porzellan bei derartigen Druckgasschaltern einen beträchtlichen Kostenpunkt darstellt, ist der erfindungsgemäße Druckgasschalter besonders wirtschaftlich herstellbar.

Eine Einsparung an Porzellan ist bei vorgegebener Spannungsfestigkeit des Druckgasschalters nur durch eine Verringerung des Schalterdurchmessers möglich, weil die Länge des Porzellanisolators praktisch die Isolationsfestigkeit festlegt, die durch die Nennspannung des Druckgasschalters vorbestimmt ist.

Eine einfach herzustellende Form des querschnittsvermindernden Elementes ist in Anspruch 4 angegeben.

Vorzugsweise sind die Öffnungen im der Schaltstelle zugewandten Bereich der Hülse gleichmäßig über den Umfang verteilt gemäß Anspruch 5; es hat sich gezeigt, daß es für die Vermeidung von Rückzündungen günstiger ist, mehrere kleinere Öffnungen auf dem Umfang verteilt anzuordnen als wenige Öffnungen vorzusehen, die - bei gleicher Gesamtfläche der Öffnungen - jeweils entsprechend größer sind.

Günstig wirkt sich eine gleichmäßige Verteilung der Öffnungen am der Schaltstelle abgewandten Ende der Hülse gemäß Anspruch 6 aus, weil durch diese Maßnahme besonders gut nach der Entstehung des Lichtbogens heißes Löschgas aus dem Innern der Hülse entweichen kann; auch hier hat es sich herausgestellt, daß eine gleichmäßige Verteilung mehrerer kleinerer Öffnungen über den Umfang der Hülse günstiger ist als die gleichmäßige Anordnung weniger entsprechend größerer Öffnungen.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist im Anspruch 7 angegeben. Die Nennstromkontaktstücke führen die Betriebsströme, wenn der Druckgasschalter geschlossen ist; sie sind nicht dem Kontaktabbrand durch den Lichtbogen ausgesetzt, da der Lichtbogen an den Schaltstücken entsteht, die erst nach dem Öffnen der Nennstromkontaktstücke auseinandergefahren werden.

Vorzugsweise ist die Gesamtfläche der Öffnungen, die benachbart der Druckwellensperre angeordnet sind, mindestens so groß wie die Querschnittsfläche, die senkrecht zur Längsachse der Hülse angeordnet ist und sich zwischen dem Schaltstück und der Innenwand der Hülse erstreckt.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den weiteren Unteransprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand von drei Figuren näher beschrieben.

Fig. 1 zeigt im Längsschnitt die wesentlichen Elemente eines erfindungsgemäßen Druckgasschalters (Fig. 1a); ein Querschnitt durch den Druckgasschalter ist in Fig. 1b dargestellt;

Fig. 2 zeigt im Schnitt die Bereiche mit Überdruck und Unterdruck während der Dauer des Lichtbogens innerhalb eines Druckgasschalters nach dem Stand der Technik, der keine Druckwellensperre und keine Öffnungen am unteren Ende des feststehenden Kontaktträgers aufweist;

Fig. 3 deutet die Ausbreitung der Druckwellen in einem Druckgasschalter gemäß Fig. 2 nach dem ersten Erlöschen des Lichtbogens an.

In allen drei Figuren sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.

In Fig. 1a ist im Längsschnitt ein erfindungsgemäßer Druckgasschalter in Freiluftausführung dargestellt. In einem länglichen, senkrecht stehenden, abgedichteten Gehäuse (1) aus Porzellan, das mit dem Löschgas SF₆ gefüllt ist, befindet sich eine feststehende, rohrförmige, leitende Hülse (2), die mit ihrem der Schaltstelle abgewandten Ende elektrisch leitend an einem nach außen führenden Anschlußkontaktstück (3) befestigt ist. Im Innern der Hülse (2) ist im der Schaltstelle zugewandten Bereich eine radiale Metallstütze (4) befestigt, an der, zur Schaltstelle weisend, ein stiftförmiges, feststehendes Schaltstück (5) angebracht ist.

Das Schaltstück (5) liegt in der Längsachse der Hülse (2) und endet annähernd an der Unterkante der Hülse (2). Wenn der Druckgasschalter geschlossen ist, wird das Schaltstück (5) von einem beweglichen Schaltstück (6), das als Tulpenkontaktstück ausgebildet ist, umgriffen. Das bewegliche Schaltstück (6) ist in einem rohrförmigen, in Richtung der Längsachse des Gehäuses (1) angeordneten, verschiebbaren Kontaktträger (7) befestigt. Dieser Kontaktträger (7) ist elektrisch leitend und weist an seinem der Schaltstelle zugewandten Ende an der Außenkante ein Nennstromkontaktstück (8) auf, das in der Einschaltstellung von einem Nennstromkontaktstück (9) am der Schaltstelle zugewandten Ende der feststehenden Hülse (2) umgriffen wird. Beim Öffnen des Druckgasschalters wird zunächst der Stromfluß über die Nennstromkontaktstücke (8, 9) unterbrochen.

Erst im Verlaufe der weiteren Ausschaltbewegung ist der Kontakt zwischen dem feststehenden Schaltstück (5) und dem beweglichen Schaltstück (6) unterbrochen, und es entsteht dort ein Lichtbogen. Der Lichtbogen entwickelt sich innerhalb einer Blasdüse (10), die an dem verschiebbaren Kontaktträger (7) befestigt ist. Die feststehende Hülse (2) und der bewegliche Kontaktträger (7) sind in einem kleinen Abstand zur Innenwand des Gehäuses (1) aus Porzellan angeordnet. Für die Bemaßung dieses Abstandes sind zwei grundlegende Gesichtspunkte miteinander in Einklang zu bringen: Einerseits ist zur Einsparung des teuren Werkstoffes Porzellan ein möglichst geringer Durchmesser des Gehäuses (1) vorteilhaft; andererseits bildet sich beim Ausschalten ein elektrisches Feld zwischen dem Nennstromkontaktstück (9) der feststehenden Hülse (2) und dem Nennstromkontaktstück (8) des beweglichen Kontaktträgers (7), das bei zu kleinem Durchmesser des Gehäuses (1) einen Spannungsdurchbruch im Luftraum außerhalb des Gehäuses (1) hervorrufen kann. Ein Teil der Feldlinien verläuft nämlich durch das Gehäuse (1) und durch die es umgebende Außenluft. Weil die Durchschlagfestigkeit von Luft geringer ist als die des Löschgases SF₆, kann es bei zu geringem Abstand zwischen den Nennstromkontaktstücken und der Innenwand des Gehäuses (1) zu einem Spannungsdurchbruch in der Luft außerhalb des Gehäuses (1) kommen.

Nahe dem der Schaltstelle zugewandten Ende, z. B. in kurzem Abstand vom Rand der feststehenden Hülse (2) ist in ihrem Innern ein querschnittsverminderndes Element (11) in Form einer zur Längsachse der Hülse (2) vorstehenden Kante angeordnet, welche Bestandteil einer Druckwellensperre ist. Allerdings ist die Druckwellensperre nicht etwa so gestaltet, daß sie vollständig dichtend die Hülse (2) verschließt; vielmehr beschränkt sie als Hindernis die Ausbreitung von Druckwellen. Das querschnittsvermindernde Element (11) befindet sich im der Schaltstelle zugewandten Viertel der Hülse (2). Die vorstehende Kante umgibt in der Einschaltstellung mit geringem Abstand die Blasdüse (10). Das feststehende stiftförmige Schaltstück (5) endet auf der Höhe des querschnittsvermindernden Elementes (11).

In der Wand der feststehenden Hülse (2) sind mehrere Öffnungen vorhanden, und zwar Öffnungen (12) am der Schaltstelle abgewandten Ende der Hülse (2) nahe unter dem Anschlußkontaktstück (3) und Öffnungen (13) am der Schaltstelle zugewandten Ende der Hülse (2), geringfügig oberhalb des querschnittsvermindernden Elementes (11). Diese Öffnungen (13) befinden sich im der Schaltstelle zugewandten Viertel der Hülse (2).

Das querschnittsvermindernde Element (11) schließt in Richtung auf die Schaltstelle hin nicht genau mit dem zur Schaltstelle weisenden Rand der Hülse (2) ab, sondern es liegt geringfügig oberhalb dieses Randes und dabei in Richtung der Schaltstelle nach den Öffnungen (13).

Über eine Schaltstange (14) wird die Bewegung von einem nicht dargestellten Antrieb auf den verschiebbaren Kontaktträger (7) übertragen. Zwischen dem beweglichen Schaltstück (6) und der Schaltstange (14) befindet sich ein Raum, der eine nicht dargestellte Druckkammer und eine Kompressionseinrichtung für die Beblasung des Lichtbogens bei kleinen Strömen enthält.

Fig. 1b zeigt einen senkrecht zur Längsachse der Hülse (2) liegenden Querschnitt durch den Druckgasschalter, und zwar zwischen dem Metallstützer (4) und den dem querschnittsverminderndem Element (11) benachbart angeordneten Öffnungen (13).

Die Querschnittsfläche (15) zwischen dem Schaltstück (5) und der Innenwand der Hülse (2) ist etwa so groß wie die Gesamtfläche aller Öffnungen (13). Durch diese Bemaßung ist weitgehend sichergestellt, daß bei der Entstehung eines Lichtbogens genügend Löschgas durch die Öffnungen (13) nachströmen kann, um die Entstehung eines Unterdrucks im Innern der Hülse (2) zu vermeiden.

Fig. 2 zeigt die Bereiche mit Überdruck (16) und mit Unterdruck (17) innerhalb eines Druckgasschalters nach dem Stand der Technik, der bis auf die fehlenden Öffnungen (13) (nach Fig. 1a) im der Schaltstelle zugewandten Bereich der Hülse (2′) und das fehlende querschnittsvermindernde Element (11) (nach Fig. 1a) baugleich ist mit einem erfindungsgemäßen Druckgasschalter nach Fig. 1a und 1b. Der Normaldruck stellt sich im Innern des Druckgasschalters nach dem Abklingen aller durch das Ausschalten verursachter Ausgleichsvorgänge ein. In einem solchen Druckgasschalter entstehen beim Zünden eines Lichtbogens Druckunterschiede, die nach seinem Erlöschen Druckwellen hervorrufen: Direkt nach der Entstehung des Lichtbogens tritt ein Strahl heißen Löschgases mit hoher Geschwindigkeit aus der Blasdüse (10) hervor und erzeugt einen Unterdruck im "Windschatten" der Gasströmung (ähnliche Druckverhältnisse treten bei Explosionen und beim Flug von Geschossen auf). Das Löschgas steht wegen der Hitzeentwicklung unter hohem Druck und erzeugt im Innern der Hülse (2) einen sich von der Schaltstelle weg verbreiternden achsensymmetrischen Überdruckbereich.

Nach dem Erlöschen des Lichtbogens im letzten Stromnulldurchgang wird bei Druckgasschaltern ohne Kompressionseinrichtung der Strahl heißen Löschgases abrupt unterbrochen, wohingegen bei Druckgasschaltern mit Kompressionseinrichtung weiterhin noch Restgas aus der Pumpe ausströmt und für eine gewisse Zeit die Bildung von Unterdruck verhindert. Das in Fig. 2 dargestellte Druckfeld beginnt anschließend sich auszugleichen. Ein Teil des Überdrucks wird durch Entweichen des heißen Löschgases über die im der Schaltstelle abgewandten Bereich der Hülse (2′) befindlichen Öffnungen (12) abgebaut. Der wesentliche Ausgleich der Druckunterschiede geht jedoch in Form von Druckwellen vor sich, die sich dadurch bemerkbar machen, daß Rückzündungen nach etwa 20 bis 50 ms nach der Löschung des Lichtbogens auftreten können.

Diese Zeit vergeht zwischen dem Abklingen des heißen Löschgasstrahles direkt nach dem Erlöschen des Lichtbogens und dem Eindringen der Druckwellen in den Bereich zwischen den Schaltstücken nach der ersten oder zweiten Reflexion der Druckwelle. Die Rückzündungen werden hervorgerufen durch das Vordringen einer zur Druckwelle gehörigen Unterdruckzone in den Bereich zwischen den Schaltstücken. Der Unterdruck setzt die Festigkeit des Löschgases herab. Mit Hilfe der Öffnungen (13) (nach Fig. 1) wird dagegen bei einem erfindungsgemäßen Druckgasschalter die Entstehung von Unterdruck vermieden, weil zum Druckausgleich genügend Löschgas aus dem Bereich zwischen der Hülse (2) und der Innenwand des Gehäuses (1) nachströmen kann (bei einer vollisolierten Schaltanlage ist zwischen der Hülse und einem elektrisch leitenden, geerdeten Gehäuse ein entsprechender Bereich vorhanden).

Fig. 3 deutet die Druckverhältnisse nach dem Erlöschen des Lichtbogens im Innern der Hülse (2′) an. In der linken Hälfte der Figur ist über einer Ortskoordinate (18), die parallel zur Längsachse der Hülse (2′) verläuft, vereinfacht die symmetrisch zur Längsachse verlaufende Druckverteilung kurze Zeit nach dem Erlöschen des Lichtbogens dargestellt. Die Ortskoordinate (18) bezeichnet als Nullinie den Normaldruck des Löschgases, wie er nach dem Abklingen aller Ausgleichsvorgänge im Innern des Gehäuses (1) herrscht. In einem mit "+" gekennzeichneten, zur Mittelachse der Hülse (2′) symmetrischen Bereich (19) in der oberen Hälfte der Hülse (2′) herrscht im Vergleich zum Normaldruck Überdruck, in einem mit "-" gekennzeichneten achsensymmetrischen Bereich (20), der unter der Überdruckzone liegt, besteht eine Zone mit Unterdruck.

Ein von der Schaltstelle weg gerichteter Pfeil (21) gibt die Ausbreitungsrichtung der Druckwelle an. In der rechten Bildhälfte ist ebenfalls über einer Ortskoordinate (22), die parallel zur Mittelachse der Hülse (2′) verläuft, die symmetrisch zur Längsachse bestehende Druckverteilung in der Hülse (2′) dargestellt, und zwar nach der Reflexion der Druckwelle am oberen Ende der Hülse (2). Ein Bereich (23), der mit einem "+" gekennzeichnet ist, weist nach der Reflexion Überdruck auf, in einem darunterliegenden, mit "-" gekennzeichneten Bereich (24) herrscht Unterdruck.

Ein zur Schaltstelle gerichteter Pfeil (25) gibt die Ausbreitungsrichtung der Druckwelle an. Nach der Reflexion gelangt bei einem solchen Druckgasschalter die Zone des Unterdrucks zwischen die beiden Schaltstücke und kann dort Rückzündungen hervorrufen.

Bei einem erfindungsgemäßen Druckgasschalter nach Fig. 1a und 1b ist die Wahrscheinlichkeit für Rückzündungen wesentlich geringer, weil mit Hilfe der Öffnungen (13) die Entstehung von einem Druckgefälle im Innern der Hülse (2) und infolgedessen auch die Ausbreitung von Druckwellen verhindert wird.

Claims (8)

1. Druckgasschalter mit einem Gehäuse, in dem zwei eine Schaltstelle bildende, koaxial angeordnete Schaltstücke sich befinden, mit einer rohrförmigen, mit Abstand zum Gehäuse angeordneten elektrisch leitenden Hülse, in deren Längsachse das eine Schaltstück angeordnet ist und die in ihrem der Schaltstelle abgewandten Bereich mehrere radiale Öffnungen aufweist, und mit einer Blasdüse, die bei geschlossenem Druckgasschalter die Enden beider Schaltstücke seitlich umgibt,
dadurch gekennzeichnet,
daß ungefähr am der Schaltstelle zugewandten Ende der Hülse (2) ein als Druckwellensperre dienendes querschnittsverminderndes Element (11) angebracht ist, und daß in Richtung von der Schaltstelle weg in geringem Abstand von diesem Element sich in der Hülse (2) radiale Öffnungen (13) befinden, die so groß sind, daß während der Zeit, in der heiße Löschgase aus der Blasdüse (10) in den oberen Bereich der Hülse (2) eindringen, genügend Löschgas aus dem Bereich zwischen Hülse (2) und Gehäuse (1) in den Innenraum der Hülse (2) nachströmen kann, um die Entstehung einer Unterdruckzone zu verhindern.

2. Druckgasschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß das Gehäuse aus Porzellan besteht.

3. Druckgasschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß das Gehäuse aus elektrisch leitendem Material besteht und geerdet ist.

4. Druckgasschalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß das querschnittsvermindernde Element (11) der Druckwellensperre als eine zur Längsachse der Hülse (2) hineinragende Kante ausgebildet ist.

5. Druckgasschalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß die geringfügig in Richtung von der Schaltstelle weg hinter dem querschnittsvermindernden Element (11) vorhandenen Öffnungen (13) gleichmäßig über den Umfang der Hülse (2) verteilt sind.

6. Druckgasschalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß die von der Schaltstelle abgewandten im Bereich der Hülse (2) vorhandenen Öffnungen (13) gleichmäßig über den Umfang der Hülse (2) verteilt sind.

7. Druckgasschalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß die Hülse (2) bei geschlossenem Druckgasschalter den Betriebsstrom führt, daß dabei der Strom über ein an der Hülse (2) befestigtes Nennstromkontaktstück (9) fließt und über ein mit einem Kontaktträger (7) für das bewegliche Schaltstück (6) verbundenes Nennstromkontaktstück (8) geleitet wird.

8. Druckgasschalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß die Gesamtfläche aller Öffnungen (13), die sich in dem zur Schaltstelle zugewandten Bereich der Hülse (2), benachbart dem querschnittsvermindernden Element (11) befinden, mindestens so groß ist wie die senkrecht zur Längsachse der Hülse (2) sich erstreckende Querschnittsfläche (15) zwischen dem in der Längsachse der Hülse (2) angeordneten Schaltstück (5) und der Innenwand der Hülse (2).