DE4111932A1

DE4111932A1 - Isolierstoffduese und verwendung der isolierduese in einem druckgasschalter

Info

Publication number: DE4111932A1
Application number: DE19914111932
Authority: DE
Inventors: Lutz Dr Niemeyer
Original assignee: Asea Brown Boveri AG Switzerland; Asea Brown Boveri AB
Current assignee: ABB Hochspannungstechnik AG
Priority date: 1991-04-12
Filing date: 1991-04-12
Publication date: 1992-10-15

Description

Technisches Gebiet

Bei der Erfindung wird ausgegangen von einer Isolierstoffdüse aus fluoriertem Polymer und Bornitrid mit axialsymmetrischer Kontur, deren Engstelle vorübergehend der Einwirkung eines elektrischen Schaltlichtbogens ausgesetzt ist. Die Erfindung betrifft auch einen Druckgasschalter, in dem eine solche Isolierstoffdüse verwendet wird.

Stand der Technik

Die Erfindung nimmt dabei Bezug auf einen Stand der Technik, wie er beispielsweise in EP-A1-2 68 156 angegeben ist. In diesem Stand der Technik ist eine Isolierstoffdüse für einen Druckgasschalter beschrieben, welche aus einem Fluoroplast besteht, dem eine vergleichsweise geringe Menge von lediglich bis zu 1 Volumenprozent an pulverförmigem Bornitrid zugesetzt ist. Der Zusatz von Bornitrid in hoher Konzentration bewirkt zwar eine Verbesserung des Abbrandverhaltens der Isolierstoffdüse, jedoch wird hierdurch deren mechanische Festigkeit herabgesetzt. Zugleich werden durch den Abbrand des Druckgasschalters Bornitridteilchen gebildet. Diese Teilchen sind gegebenenfalls in Ketten angeordnet und erzeugen aufgrund der vergleichsweise hohen Leitfähigkeit von Bornitrid leitfähige Strecken. Dies setzt die Abschaltleistung des Druckgasschalters herab.

Kurze Darstellung der Erfindung

Der Erfindung, wie sie in den Patentansprüchen 1 und 9 definiert ist, liegt die Aufgabe zugrunde, eine Isolierstoffdüse der eingangs genannten Art zu schaffen, welche sich auch bei intensiver Lichtbogenbelastung durch geringen Abbrand und hohe mechanische Festigkeit auszeichnet, und zugleich einen Druckgasschalter der eingangs genannten Art anzugeben, welcher auch nach vergleichsweise zahlreichen Abschaltungen großer Ströme immer noch eine gute Abschaltleistung und ein gutes Isolationsvermögen aufweist.

Die Isolierstoffdüse nach der Erfindung läßt sich in einfacher und preisgünstiger Weise herstellen und weist auch bei Belastung mit äußerst intensiven Lichtbögen nur einen vergleichsweise geringen Abbrand auf. Zugleich kann sie die mit intensiven Lichtbögen verbundenen, großen radialen Druckkräfte problemlos aufnehmen. Der mit dieser Isolierstoffdüse versehene Druckgasschalter nach der Erfindung zeichnet sich durch ein hohes Maß an Betriebssicherheit aus. Dies ist vor allem dadurch bedingt, daß die Isolierstoffdüse aufgrund ihres strukturierten Aufbaus in Richtung der dielektrischen Beanspruchung nicht nur ein hohes Isolationsvermögen besitzt, sondern zugleich auch die bei einem Schaltvorgang quer dazu in radialer Richtung wirkenden mechanischen Kräfte aufnehmen kann.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Zeichnungen näher beschrieben. Hierbei zeigen die beiden Fig. 1 und 2 jeweils eine Aufsicht auf einen Schnitt durch eine Kontaktanordnung einer ersten bzw. einer zweiten Ausführungsform eines Druckgasschalters mit einer Isolierstoffdüse nach der Erfindung.

Wege zur Ausführung der Erfindung

Die in den beiden Fig. 1 und 2 dargestellten Kontaktanordnungen sind jeweils im wesentlichen rotationssymmetrisch ausgebildet und weisen jeweils ein feststehendes 1 und ein bewegliches Schaltstück 2 auf. Das feststehende Schaltstück 1 ist mit einem hohlzylindrisch ausgebildeten Nennstromkontakt 3 und einen vollzylindrisch ausgebildeten Lichtbogenkontakt 4 versehen. Das bewegliche Schaltstück 2 enthält hingegen einen in der nicht dargestellten Einschaltposition des Schalters auf seiner äußeren Mantelfläche vom Kontakt 3 beaufschlagten zylindrisch ausgebildeten Nennstromkontakt 5 und einen hohlzylindrisch ausgebildeten Lichtbogenkontakt 6, in welchen in der Einschaltposition der Kontakt 4 eingreift.

Die beiden Lichtbogenkontakte 4, 6 und eine hohlzylindrisch ausgebildete Isolierstoffdüse 7 mit axialsymmetrischer Kontur sind mit gemeinsamer Achse angeordnet. Längs der Achse sind beide Lichtbogenkontakte 4, 6 bei einem Schaltvorgang relativ zueinander bewegbar. Die Isolierstoffdüse 7 ist derart am beweglichen Schaltstück 2 befestigt, daß sie unterhalb ihrer Engstelle 8 gemeinsam mit dem Lichtbogenkontakt 6 einen ringförmigen Blaskanal 9 begrenzt. Durch den Blaskanal strömt beim Ausschalten - wie durch Pfeile angedeutet ist - aus einem Kompressionsraum 10 Druckgas in die zwischen den sich trennenden Lichtbogenkontakten 4, 6 befindliche und einen Schaltlichtbogen 11 aufnehmende Schaltstrecke. Dieses Druckgas expandiert nach Beblasung des Schaltlichtbogens 11 hinter der Engstelle 8 und hinter der engsten Stelle des als Düse ausgebildeten hohlzylindrischen Lichtbogenkontaktes 6 in einen nicht bezeichneten Expansionsraum. Hierbei erfolgt neben der Beblasung des Schaltlichtbogens 11 auch eine intensive Durchmischung des in der Schaltstrecke befindlichen, vom Lichtbogen aufgeheizten Gases mit aus der Isolierdüse unter Lichtbogeneinwirkung verdampftem Material und kühlem Druckgas. Der Kompressionsraum 10 kann lediglich ein Volumen sein, in dem vom Schaltlichtbogen 11 in der Hochstromphase aufgeheiztes Gas als Druckgas, welches mit Vorteil Schwefelhexafluorid ist, gespeichert wird, kann aber auch - wie in den beiden Figuren dargestellt ist - einer Kolben-Zylinder-Kompressionsvorrichtung zugehören, deren beim Ausschalten gegen einen feststehenden Kolben 12 bewegter Zylinder das Druckgas erzeugt.

Bei beiden Ausführungsformen besteht die Isolierstoffdüse 7 zumindest im Bereich ihrer Engstelle 8 aus einem Kompositwerkstoff, welcher von wechselweise aufeinanderfolgenden und quer zur Achse erstreckten Schichten 13, 14 aus dotierstofffreiem oder niedrig dotiertem, fluoriertem Polymer (13) und hoch mit Bornitrid gefülltem, fluoriertem Polymer (14) gebildet ist. Der Kompositwerkstoff ist in eine Halterung 15 eingebettet, die aus undotiertem oder nur niedrig dotiertem, fluoriertem Polymer besteht.

Durch die senkrecht zur Achse erfolgende Strukturierung der Isolierstoffdüse wird erreicht, daß beim Leitfähigwerden des Bornitrides infolge der Einwirkung des Schaltlichtbogens 11 keine leitfähige Verbindung in Richtung des axial wirkenden elektrischen Feldes gebildet wird. Die dotierstofffreien oder höchstens sehr gering dotierten Schichten 13 aus fluoriertem Polymer verhindern hierbei die Ausbildung einer leitenden Verbindung zwischen zwei oder mehreren der hoch mit Bornitrid gefüllten Schichten 14, so daß die Isolierstoffdüse 7 mit großer Sicherheit auch nach vielen Abschaltungen noch ein großes Isolationsvermögen in Richtung des elektrischen Feldes aufweist.

Die äußere mechanische Halterung 15 stellt sicher, daß die beim Ausschalten in der Hochstromphase stromaufwärts der Engstelle 8 der Isolierstoffdüse 7 auftretenden und radial nach außen wirkenden hohen Druckkräfte stabilisiert werden und eine unzulässig hohe Belastung des Kompositwerkstoffes vermieden wird.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1 wird dies dadurch erreicht, daß der Kompositwerkstoff in die Halterung 15 eingesetzt wird. Der Kompositwerkstoff kann in diesem Fall mit Vorteil durch ein Kompaktierungsverfahren hergestellt werden. Bei einem solchen Kompaktierungsverfahren kann der Einsatz aus einem Grünkörper druckgesintert werden, der aus Pulvern von fluoriertem Polymer als Matrixmaterial und Bornitrid als Füllstoff gebildet ist und bereits Schichtstruktur mit Schichtdicken zwischen ca. 0,1 und 1 Millimeter aufweist. Der Einsatz kann etwa durch mechanisches Anpassen, einen thermischen oder chemischen Prozeß oder durch Verklebung mit der dotierstofffreien oder lediglich niedrig mit Bornitrid oder einem anderen wärmebeständigen, pulverförmigen Material dotierten Isolierstoffhalterung 15 verbunden werden.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 2 werden unzulässige mechanische Belastungen des Kompositwerkstoffes dadurch vermieden, daß die dotierstofffreien oder niedrig dotierten Schichten 13 aus fluoriertem Polymer miteinander in der Isolierstoffhalterung 15 verbunden sind und nicht mehr wie im Bereich der Engstelle 8 der Isolierstoffdüse 7 voneinander durch überwiegend Bornitrid enthaltende Schichten 14 getrennt sind. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung kann die gesamte Isolierstoffdüse 7 mit Vorteil durch ein Kompaktierungsverfahren hergestellt werden. Bei diesem Verfahren wird ein aus Pulvern von fluoriertem Polymer als Matrixmaterial und Bornitrid als Füllstoff gebildeter und bereits die Schichtstruktur des Kompositwerkstoffes und die Lage und Form der Isolierstoffhalterung 15 aufweisender Grünkörper druckgesintert. Zusätzliche Verfahrensschritte, wie Anpassen oder Verkleben eines aus dem Kompositwerkstoff bestehenden Einsatzes, entfallen bei dieser Ausführungsform der Erfindung.

Als fluoriertes Polymer können vorzugsweise Polytetrafluoräthylen, Polyvinylidenfluorid, Polyvinylfluorid und/oder Äthylentetrafluoräthylen Verwendung finden. Um eine gute Temperaturbeständigkeit zu erreichen, sollten die hoch mit Bornitrid gefüllten Schichten 14 mindestens einige, beispielsweise 5 Volumenprozent Bornitrid enthalten. Eine mit großer Sicherheit ausreichende Abbrandbeständigkeit der Isolierstoffdüse 7 bei noch ausreichend guten dielektrischen Eigenschaften wird dann erreicht, wenn die Schichten 14 höchstens 60 Volumenprozent Bornitrid enthalten.

Bezugszeichenliste

1, 2 Schaltstücke
3, 5 Nennstromkontakte
4, 6 Lichtbogenkontakte
7 Isolierstoffdüse
8 Engstelle
9 Blaskanal
10 Kompressionsraum
11 Schaltlichtbogen
12 Kolben
13, 14 Schichten
15 Isolierstoffhalterung

Claims

1. Isolierstoffdüse (7) aus fluoriertem Polymer und Bornitrid mit axialsymmetrischer Kontur, deren Engstelle (8) vorübergehend der Einwirkung eines elektrischen Schaltlichtbogens (11) ausgesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierstoffdüse (7) zumindest im Bereich ihrer Engstelle (8) aus einem Kompositwerkstoff besteht, welcher von wechselweise aufeinanderfolgenden und quer zur Achse erstreckten Schichten (13, 14) aus dotierstofffreiem oder niedrig dotiertem, fluoriertem Polymer und hoch mit Bornitrid gefülltem, fluoriertem Polymer gebildet ist.

2. Isolierstoffdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompositwerkstoff in eine Isolierstoffhalterung (15) eingebettet ist.

3. Isolierstoffdüse nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompositwerkstoff in die Isolierstoffhalterung (15) eingesetzt ist.

4. Isolierstoffdüse nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierstoffhalterung (15) aus dotierstofffreiem oder niedrig dotiertem fluoriertem Polymer besteht.

5. Isolierstoffdüse nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die dotierstofffreien oder niedrig dotierten Schichten (13) aus fluoriertem Polymer miteinander in der Isolierstoffhalterung (15) verbunden sind.

6. Isolierstoffdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das fluorierte Polymer Polytetrafluoräthylen, Polyvinylidenfluorid, Polyvinylfluorid und/oder Äthylentetrafluoräthylen enthält.

7. Isolierstoffdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die hoch mit Bornitrid gefüllten Schichten (14) aus fluoriertem Polymer bis zu 60 Volumenprozent Bornitrid enthalten.

8. Isolierstoffdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompositwerkstoff durch Drucksintern eines aus Pulvern von fluoriertem Polymer als Matrixmaterial und Bornitrid als Füllstoff gebildeten Grünkörpers mit Schichtstruktur hergestellt ist.

9. Verwendung der Isolierstoffdüse (7) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 in einem Druckgasschalter mit zwei im wesentlichen rotationssymmetrischen Lichtbogenkontakten (4, 6), bei dem die Lichtbogenkontakte (4, 6) und die Isolierstoffdüse (7) mit gemeinsamer Achse angeordnet und beide Lichtbogenkontakte (4, 6) längs der Achse relativ zueinander beweglich sind, und bei dem einer beider Lichtbogenkontakte (4, 6) im Einschaltzustand des Schalters die Isolierstoffdüse (7) an deren Engstelle (8) durchdringt und diese Engstelle (8) beim Ausschalten freigibt, so daß zur Löschung eines hierbei zwischen den sich trennenden Lichtbogenkontakten (4, 6) gebildeten Schaltlichtbogens (11) verwendetes Druckgas von einem Kompressionsraum (10) durch diese Engstelle (8) in einen Expansionsraum strömt und hierbei den Lichtbogen (11) bebläst.