-
Die vorliegende Erfindung betrifft einen
Mittelspannungsschalter, bei dem die elektrische Isolierung durch ein
Gas mit guten dielektrischen Eigenschaften, wie etwa
Schwefelhexafluorid (SF&sub6;) bewirkt wird.
-
Es sind Mittelspannungsschalter bekannt mit einem
Wärmeexpansionsvolumen (abgekürzt: thermisches Volumen),
dessen Gas sich nach der Erwärmung durch den Lichtbogen, der sich
bei der Trennung der Lichtbogenkontakte entwickelt, beim
Nulldurchgang des Stroms ausdehnt und den Lichtbogen auslöscht.
-
Man kennt die Schwierigkeiten, die sich bei einem
solchen Gerät ergeben:
-
- Beim Trennen schwacher Ströme (beispielsweise mit
Werten bis zur Nennstromstärke in der Leitung oder in der
Anlage, in die der Schalter eingefügt ist) kann der
Druckanstieg unzureichend oder zu groß sein, je nach den Abmessungen
des thermischen Volumens. Bei großem thermischem Volumen ist
der Druckanstieg gering und die Blaswirkung kann unzureichend
sein. Wenn das thermische Volumen klein ist, ist der
Druckanstieg groß, aber die Blasdauer kann für eine gute
Wirksamkeit unzureichend sein.
-
- Beim Trennen starker Ströme (beispielsweise
Kurzschlußströme) dürfen der Druckanstieg und die Erwärmung des
Gases nicht zu groß sein, was einen Fehlschlag bei der
Trennung zur Folge haben könnte.
-
Um dieses Problem zu lösen, ist bereits vorgeschlagen
worden, insbesondere durch die Druckschrift EP-A-0 315 505,
eine Trennkammer vorzusehen, die als thermisches Volumen mit
veränderlichem Rauminhalt dient, je nach der Stärke des zu
unterbrechenden Stromes.
-
Dies wird durch Ersetzen des festen
Lichtbogenkontakts, den man üblicherweise bei den Schaltern findet, durch
einen halbbeweglichen Kontakt erreicht, der mit einem Kolben
verbunden ist, welcher dem Druck einer Feder unterliegt.
-
Je nach der Stärke des zu unterbrechenden Stroms ist
die Verschiebung des Kolbens mehr oder weniger groß, derart,
daß auch das thermische Volumen mehr oder weniger groß ist.
-
Ein solches Gerät weist einen Nachteil auf.
-
Bei der Unterbrechung starker Ströme erzeugt die
vollständige und rasche Rückkehr des halbbeweglichen Kontakts, den
die Feder nicht begrenzen kann, eine übertriebene Verlängerung
des Lichtbogens, mit der Wirkung, eine zu starke Erwärmung des
Gases zu verursachen, verbunden mit dem Risiko des Versagens
der Stromunterbrechung und der erheblichen Verunreinigung des
Isoliergases, was auch das Versagen bei späteren
Unterbrechungen nach sich ziehen kann.
-
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht in der
Schaffung eines Mittelspannungsschalters, der diesen Nachteil
nicht aufweist.
-
Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, einen
Schalter anzugeben, bei dem zur Unterbrechung starker Ströme
eine doppelte Beblasung durchgeführt wird, d.h. ein Blasen auf
beide Wurzeln des Lichtbogens.
-
Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, einen
Schalter anzugeben, bei dem die thermische Ausdehnung des
Gases begrenzt wird, derart, daß die Risiken von
Trennfehlschlägen verringert werden.
-
Alle diese Ziele werden durch einen
Mittelspannungsschalter gemäß der Erfindung erreicht, der eine dichte,
isolierende Hülle, die mit einem Gas guter dielektrischer
Eigenschaften gefüllt ist, einen halbbeweglichen Lichtbogenkontakt,
der elektrisch an einen ersten Stromanschluß angeschlossen
ist, und einen beweglichen Kontakt aufweist, der mit einem
Betätigungsmechanismus verbunden und elektrisch an einen
zweiten Stromanschluß angeschlossen ist, wobei der halbbewegliche
Lichtbogenkontakt mit einem Kolben verbunden ist, der sich in
einem Blasvolumen verschieben kann, das durch die Innenwand
eines isolierenden Zylinders innerhalb der Hülle und durch den
Kolben begrenzt ist, wobei der Kolben dem Druck einer Feder
unterliegt, die zusammengepreßt bleibt, wenn sich der Schalter
in der eingeschalteten Position befindet, dadurch
gekennzeichnet, daß das Blasvolumen weiter durch eine erste Fläche einer
Blasdüse begrenzt ist, wobei der Schalter ein
Wärmeexpansionsvolumen enthält, das durch die Innenwand des Zylinders, eine
zweite Fläche der Düse und eine quer verlaufende Trennwand
begrenzt ist, durch die der bewegliche Kontakt gleitet, wobei
Mittel vorgesehen sind, damit sich der Kolben bei der
Unterbrechung eines starken Stromes nicht in Gegenrichtung bewegen
kann, nachdem er seinen Hub in Richtung der Kompression des
Blasvolumens ausgeführt hat.
-
Bei einer besonderen Ausführungsform können sich die
Mittel, die bewirken, daß sich der Kolben nicht in
Gegenrichtung verschieben kann, aus einem Durchlaßquerschnitt zwischen
dem Hals der Düse und dem Blasvolumen bestehen, der kleiner
als der Gesamtquerschnitt der anderen Durchlässe ist, die dem
aus dem Wärmeexpansionsvolumen entweichenden Gas zur Verfügung
stehen.
-
Bei einer ersten Ausführungsform ist der
halbbewegliche Kontakt ein rohrförmiger Kontakt, der das Blasvolumen und
das hinter dem Kolben befindliche Volumen miteinander in
Verbindung bringt.
-
Als Variante ist der halbbewegliche Kontakt eine
massive Stange.
-
Bei einer besonderen Ausführungsform ist der
bewegliche Kontakt ein rohrförmiger Kontakt.
-
Vorzugsweise besitzt der bewegliche Kontakt mindestens
eine Bohrung, die so angeordnet ist, daß sie bei einer
Abschaltbewegung des Schalters die Verbindung zwischen dem Ende
des Kontakts auf Seiten der Düse und dem Inneren des
Wärmeexpansionsvolumens während eines Teils des Hubs des Kontaktes
ermöglicht.
-
Der isolierende Zylinder weist Löcher auf, die eine
Verbindung zwischen dem Volumen an der Rückseite des Kolbens
und dem Volumen zwischen dem Zylinder und der Hülle zu
ermöglichen.
-
Die Erfindung wird durch die nachfolgende Beschreibung
einer Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf die
beigefügte Zeichnung verdeutlicht.
-
Figur 1 ist eine schematische Teilansicht eines
Schalters gemäß der Erfindung, dargestellt in der eingeschalteten
Position und im Axialschnitt.
-
Figur 2 ist eine schematische Teilansicht des gleichen
Schalters, dargestellt in der ausgeschalteten Position und im
Axialschnitt.
-
Figur 3 veranschaulicht eine Ausführungsvariante des
halbbeweglichen Kontakts.
-
Die Figuren 4 und 5 stellen den Schalter, bei dem der
bewegliche Kontakt mit Löchern versehen ist, teilweise im
Axialschnitt und am Anfang der Trennung der Kontakte bzw. zu
einem späteren Zeitpunkt dar.
-
In den Figuren bezeichnet das Bezugszeichen 1 eine
dichte Hülle aus isolierendem Material, die mit einem Gas
guter dielektrischer Eigenschaften wie etwa
Schwefelhexafluorid unter einem Druck von einem bis mehreren Bar (absolut)
gefüllt ist.
-
Die Hülle ist an ihrem oberen Abschnitt durch eine
metallische Platte 2 verschlossen, die zur Bildung eines
ersten Stromanschlusses des Schalters verlängert ist.
-
Dieser Anschluß ist elektrisch über ein nachgiebiges
metallisches Geflecht 18 mit einem Metallkolben 4 verbunden,
der einen metallischen rohrförmigen Kontakt 3 trägt, dessen
Ende 3A aus einer Legierung hergestellt ist, die den Wirkungen
des elektrischen Lichtbogens widersteht, beispielsweise einer
Legierung auf Wolframbasis. Der Kontakt 3 wird in der
nachfolgenden Beschreibung als halbbeweglicher Kontakt bezeichnet.
Der Kolben kann in einem zylindrischen Volumen gleiten, das
durch einen im Inneren der Hülle koaxial zu dieser liegenden
isolierenden Zylinder 8 begrenzt ist, der eine Wand der
Trennkammer bildet. Der Kolben wird unter der Wirkung einer starken
Feder 9 verschoben, die sich auf der Platte 2 abstützt. Der
Kolben ist mit einem Rückschlagventil 5 versehen, das das Gas
nur in der vom Volumen V3 auf Seiten der Feder zum Blasvolumen
V1, das weiter unten definiert wird, passieren läßt. Das
Ventil öffnet sich beim erneuten Schließen des Schalters und
ermöglicht es, die Kompression des Gases des Volumens V3 zu
vermeiden.
-
Das Blasvolumen V1 wird durch den Kolben 4, die
Innenwand des Zylinders 8 und eine Fläche 7A einer isolierende Düse
7 begrenzt, die einen Hals 7C besitzt.
-
Der bewegliche Kontakt des Schalters besteht aus einem
metallischen Rohr 10, das an einem ersten Ende in einem Ansatz
aus einem Material endet, das gegen die Wirkungen des
Lichtbogens beständig und mit einem zweiten Ende an ein
Betätigungsgestänge 13 aus isolierendem Material angeschlossen ist.
-
Dieses Gestänge ist in herkömmlicher Weise mit einem
Betätigungsmechanismus verbunden.
-
Der rohrförmige Kontakt 10 durchquert mit Gleitreibung
den Hals der Düse, wenn sich der Schalter in der
eingeschalteten Position befindet, wie dies Figur 1 zeigt.
-
Ein Wärmeexpansionsvolumen V2 wird durch die Innenwand
des Zylinders 8, die zweite Fläche 7B der Düse 7 und eine
metallische, quer verlaufende Zwischenwand 11 gebildet, die
zur Außenseite der Hülle 1 hin verlängert ist, um den zweiten
Stromanschluß des Schalters zu bilden. Ein gleitender
elektrischer Kontakt 12 ermöglicht die elektrische Verbindung
zwischen dem Rohr 10 und dem Anschluß 11.
-
Das Rohr 10 wird vorzugsweise durch eine metallische
oder isolierende, quer verlaufende Zwischenwand 15 geführt,
die mit großen Öffnungen 16 für den Durchtritt des Gases
versehen ist. Ein isolierendes Teil 7D ermöglicht eine bessere
Führung der Gasstromfäden. Das Teil kann aufgesetzt und an der
Zwischenwand 16 befestigt oder integrierender Bestandteil der
Düse sein.
-
Die Wirkungsweise des Schalters ist folgende:
-
- In der eingeschalteten Stellung (Figur 1) ist die
Feder 9 zusammengedrückt; die Rohre 3 und 10 stehen in Kontakt
miteinander, das Volumen V1 ist am größten und der Strom
fließt durch den Anschluß 2, das Geflecht 18, den Kolben 4,
die Rohre 3 und 10, die Kontakte 12 und den Anschluß 11.
-
- Beim Ausschalten wird das Schaltgestänge 13 durch
den Betätigungsmechanismus in der Figur nach unten bewegt. Die
Feder 9 drückt auf den Kolben 4, der das Gas des Volumens V1
verdichtet, wobei das Volumen geschlossen ist, denn das Rohr
10 sperrt den Hals der Düse. Wenn die Feder ihre Entspannung
beendet hat (oder, als nicht dargestellte Variante, wenn der
Kolben 4 einen Anschlag erreicht), trennen sich die Kontakte 3
und 10, wobei der Kontakt 3 mit dem Kolben 4 zum Stillstand
kommt und der Kontakt 10 seinen Lauf fortsetzt. Zwischen den
Ansatzstücken 3A und 10A springt dann ein Lichtbogen 25 über.
Man muß dann nach der Stärke des zu unterbrechenden Stromes
unterscheiden.
Trennen schwacher Ströme
-
Es handelt sich um Ströme mit einer Stärke, die bis
zur Nennstärke reicht.
-
Die Trennung erfolgt durch selbständiges pneumatisches
Ausblasen des Lichtbogens in der Nähe des halbbeweglichen
Kontaktes 3 durch Entspannen des Gases des Blasvolumens V1.
-
Der Druckanstieg im Volumen V2 ist vernachlässigbar.
Trennen starker Ströme
-
Es handelt sich um Kurzschlußströme.
-
Beim Trennen der Kontakte überträgt der Lichtbogen 25,
dessen Energie sehr groß ist, einen Teil dieser Energie an das
Gas des Wärmeexpansionsvolumens V2. Die Übertragung wird durch
die erhebliche Größe des Zugangsquerschnitts S2 zum Volumen V2
erleichtert. Daraus ergibt sich ein Überdruck im Volumen V2.
Beim Nulldurchgang des Stromes entweicht diese Überdruck durch
die Öffnungen 16 (Querschnitt 52) und durch das Innere der
Rohre 10 (Querschnitt 53) und 3 (Querschnitt 54), wodurch der
Lichtbogen ausgeblasen wird.
-
Da der Querschnitt Se des Durchgangs zwischen dem Ende
des Rohres 3 und der Düse 7 (Zugang zum Volumen V1) wesentlich
kleiner als der Querschnitt S2 ist, ergibt sich der Druck im
Volumen V1 vor allem aus der Kompressionswirkung des Kolbens 4
und zu einem sehr geringen Teil aus der Erwärmung des Gases
durch den Lichtbogen. Daher bleibt die Kraft der Feder 9 stets
größer als die durch den Überdruck verursachte Gegenkraft.
Dementsprechend geht der Kolben 4 während des Ausschaltens
nicht nach oben zurück.
-
Aufgrund der soeben beschriebenen konstruktiven Maß
nahmen erfolgt beim Trennen von starken Strömen ein doppeltes
Blasen, d.h. ein Blasen auf jede der Wurzeln des Lichtbogens.
Dies ist eine Garantie für eine einwandfreie
Lichtbogenlöschung.
-
Während des Ausschaltens wird die Versorgung des sich
hinter dem Kolben befindenden Volumens V3, mit Gas durch die
Öffnungen 20 und auch durch die Tatsache bewirkt, daß der
halbbewegliche Kontakt ein Rohr ist. Man vermeidet so einen
Unterdruck hinter dem Kolben, der einen zusätzlichen
Betätigungsenergieverbrauch zur Folge haben würde.
-
Im Laufe des erneuten Schließens des Schalters strömt
frisches Gas vom Volumen V3 in das Volumen V1, was eine
schnelle Regenerierung der dielektrischen Qualitäten des Gases
des Blasvolumens V1 ermöglicht.
-
Figur 3 zeigt eine Variante, bei der der
halbbewegliche Kontakt eine massive Stange 30 ist. Diese Maßnahme
ermöglicht eine noch einfachere Konstruktion, die jedoch dem
Schalter praktisch die gleichen Trenneigenschaften verleiht.
-
Die Figuren 4 und 5 veranschaulichen eine
Ausführungsvariante, bei der Löcher 40 im beweglichen, rohrförmigen
Kontakt 10 vorgesehen sind.
-
Unmittelbar nach der Trennung der Kontakte (Figur 4)
strömt das vom Lichtbogen erwärmte Gas durch das Rohr und
beginnt beim Durchströmen der Löcher 40 das Gas des
Wärmeexpansionsvolumens V2 vorzuwärmen.
-
Später, und nach einer bestimmten Verschiebung des
Rohres, sind die Löcher durch eine Hülse 41 verschlossen, was
eine spätere Expansion des Gases allein durch die Löcher 16
ermöglicht.
-
Diese Maßnahme erlaubt es, die Wirksamkeit der
Expansion des Gases des Volumens V2 noch weiter zu steigern.
-
Die Erfindung findet Anwendung beim Aufbau von
Mittelspannungsschaltern, beispielsweise solchen bis 45 kV.