DE69106986T2 - Hochspannungsschalter mit Selbstbeblasung. - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft einen selbstblasenden Hochspannungs- Leistungsschalter gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.
• Die Erfindung ist in erster Linie für Leistungsschalter mit einer Nennspannung in der Größenordnung von 100 bis 300 kv bestimmt; sie kann aber prinzipiell auch bei Leistungsschalter für Spannungen verwendet werden, welche sowohl über als auch unter diesem Bereich liegen, zum Beispiel für Mittelspannungsleistungsschalter.
• Leistungsschalter der oben genannten Art sind bereits bekannt, beispielsweise aus der US-A-4 658 108. In einem solchen gepufferten selbstblasenden Leistungsschalter besteht das Reservoir für Gas zum Löschen des Lichtbogens aus zwei Teilen, nämlich einer Druckspeicherkammer, die im weiteren auch als Druckspeichervolumen bezeichnet wird, und einer Druckerzeugungskammer, die weiter unten auch als Puffervolumen bezeichnet wird. Die beiden Volumina sind voneinander durch ein Rückschlagventil getrennt, welches geschlossen ist, wenn der Druck im Druckspeichervolumen größer als im Puffervolumen ist.
• Bei dieser Art von Leistungsschaltern können Probleme auftreten, wenn der Schalter nach einem Kurzschlußabschaltvorgang eine normale schnelle Wiedereinschaltung durchführt und der Kurzschluß fortbesteht, so daß der Schalter augenblicklich eine neue Kurzschlußabschaltung ausführen muß. Während des kurzen Intervalls zwischen den Abschaltungen (etwa 300 ms) kann es schwierig sein, genügend Zeit zu haben, das Druckspeichervolumen genügend zu ventilieren, so daß die Gefahr besteht, daß dieses Volumen noch heißes Gas geringer Dichte enthält, wenn die zweite Kurzschlußabschaltung durchgeführt wird. Dies kann dazu führen, daß die Entionisierung des Lichtbogens unzureichend ist, so daß der erneute Abschaltversuch scheitert.
• In der DE-C-3 843 405 wird vorgeschlagen, das obige Problem dadurch zu lösen, daß während des Schließens des Leistungsschalters Gas aus einem Bereich, welcher die Lichtbogenkontakte umgibt, in die Druckspeicherkammer mit Hilfe eines speziellen Ventils angesaugt wird, welches zwischen dem Druckspeichervolumen und dem Puffervolumen angeordnet ist. Dies ist jedoch eine weniger zufriedenstellende Lösung, da das Gas in der genannten Gegend zu der vorgesehenen Zeit noch relativ heiß ist.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen selbstblasenden Hochspannungs-Leistungsschalter der eingangs genannten Art zu entwickeln, der eine verbesserte Abschaltleistung für den zweiten Öffnungsvorgang bei einer Betriebs folge Öffnen-Schließen-Öffnen hat.
• Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein selbstblasender Hochspannungs-Leistungsschalter gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 vorgeschlagen, welcher erfindungsgemäß die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 genannten Merkmale hat.
• Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen genannt.
• Bei einem Leistungsschalter gemäß der Erfindung ruht der Blaskolben des Puffervolumens auf einer oder mehreren Federn, die zusammengedrückt werden, wenn sich ein Überdruck in der Druckerzeugungskammer aufbaut. Diese Federn können hinsichtlich ihrer Stärke und Vorspannung so bemessen werden, daß bei einem bestimmten Überdruck in der Druckerzeugungskammer der Blaskolben sich zu bewegen beginnt und die Federn weiter komprimiert. Der Hub, über den sich der Blaskolben frei bewegen kann, kann auf einen vorbestimmten Wert begrenzt werden. Am Ende des Öffnungsvorganges, wenn das Rückschlagventil zwischen dem Puffervolumen und dem Druckspeichervolumen öffnet und der Überdruck in dem Puffervolumen sinkt, macht der Kolben eine Rückwärtsbewegung, wodurch ein Gasstoß in das Druckspeichervolumen gepreßt wird. Dieser zusätzliche Gasstoß, der also mit Hilfe des beweglichen Kolbens erreicht wird, ist eine wichtige Ergänzung der Gasmenge in dem Druckspeichervolumen, in welchem die Temperatur stark reduziert ist, so daß die Abschaltleistung für den zweiten Öffnungsvorgang bei einem Vorgang Öffnen-Schließen-Öffnen stark erhöht wird.
• Bei einem gepufferten Leistungsschalter, der nicht mit einem Druckspeichervolumen versehen ist, ist es für sich bekannt, den Blaskolben axial beweglich gegen die Wirkung einer Feder anzuordnen (siehe beispielsweise SE-A-2 363 171 und US-A-4 322 591). Der elastisch gelagerte Kolben in der bekannten Konstruktion hat jedoch eine ganz andere Funktion als bei der vorliegenden Erfindung. Bei der bekannten Konstruktion dient der elastisch gelagerte Kolben einerseits zur Erzielung eines schnelleren Druckanstieges in dem Pufferzylinder und andererseits zur Verkleinerung des maximalen Druckes in dem Zylinder und zur Erzielung einer gleichmäßigeren Druckverteilung über ein längeres Zeitintervall.
• Anhand eines Beispiels soll die Erfindung jetzt mit Hilfe der Zeichnung näher beschrieben werden, deren einzige Figur in einem axialen Schnitt den zentralen Teil eines Hochspannungsleistungsschalters gemäß der Erfindung zeigt. Der Teil der Figur links von der Mittellinie zeigt den Leistungsschalter in geschlossener Stellung, und der Teil der Figur rechts von der Mittellinie zeigt den Leistungsschalter in offener Stellung.
• Der in der Zeichnung gezeigte Leistungsschalter hat ein gasdichtes Gehäuse 1, das zumindest teilweise aus Isoliermaterial besteht, einen festen steckerförmigen Lichtbogenkontakt 2 und einen axial beweglichen hülsenförinigen Lichtbogenkontakt 3a. Der Lichtbagenkontakt 3a bildet einen Teil einer beweglichen Kontakteinheit 3, zu der ein rohrförmiger Kontaktstab 4 und ein nicht dargestellter Betätigungsstab gehören. Die bewegliche Kontakteinheit 3 ist an eine Betätigungsvorrichtung angeschlossen, zum Beispiel von der in der SE-A-9001116-4 beschriebenen Art. Mit Hilfe der Betätigungsvorrichtung kann die bewegliche Kontakteinheit zwischen der im linken Teil der Figur gezeigten geschlossenen Stellung der im rechten Teil der Figur gezeigten offenen Stellung bewegt werden.
• Die bewegliche Kontakteinheit 3 trägt einen hohlen Metallzylinder 5, welcher zur Bildung einer Druckspeicherkammer 6, deren Volumen konstant ist, und einer Druckerzeugungskammer 7 beiträgt. Die bewegliche Kontakteinheit 3 trägt ferner eine elektrisch isolierte Blasdüse 8 mit einem ringförmigen Kanal 9, welcher die Druckspeicherkammer 6 mit dem Bereich verbindet, in welchem der Lichtbogen während des Öffnungsvorganges brennt. Der hohle Zylinder 5 bildet den beweglichen Betriebsstromkontakt des Leistungsschalters, der mit einem festen Betriebsstromkontakt 10 zusammenwirkt.
• Die Druckspeicherkammer 6 und die Druckerzeugungskammer 7 sind koaxial um den beweglichen Kontaktstab 4 angeordnet und sind durch eine Wand 11 getrennt, die mit Öffnungen 12 versehen ist. Diese Öffnungen arbeiten als Rückschlagventil mit Hilfe einer benachbarten kreisförmigen Platte 13, die axial verschiebbar ist zwischen der Wand 11 und einem am beweglichen Kontaktstab 4 befestigten Endanschlag 14. Das Rückschlagventil 12 bis 14 erlaubt nur eine Strömung in Richtung von der Druckerzeugungskammer 7 zur Druckspeicherkammer 6.
• Die Druckerzeugungskammer 7 wird abgegrenzt durch einen Pufferzylinder 15, einen Blaskolben 16, den beweglichen Kontaktstab 4 und die Wand 11, welche den Boden der Druckspeicherkammer bildet. Der Pufferzylinder 15 seinerseits wird von dem hohlen Zylinder 5 gebildet.
• Der Blaskolben 16 besteht aus einer kreisförmigen Platte, die auf einer Anzahl von Federn 17 ruht, welche sich auf einem Gegenlager 18 abstützen.
• Bei einem Schaltvorgang wird der Kontaktstab 4 mit Hilfe der Betätigungsvorrichtung nach unten gezogen, wobei die Stromkontakte 5 und 10 zuerst getrennt werden. Der Strom kommutiert dann zu den Lichtbogenkontakten 2, 3a, die voneinander getrennt werden, wobei der Lichtbogen zwischen ihnen entsteht. Der Lichtbogen heizt das Gas im Lichtbogenbereich auf, was zu einer Steigerung des Gasdruckes führt und einen Gasstrom durch den Kanal 9 in die Druckspeicherkammer 6 in Gang setzt. Als Folge dieses Stromes steigt der Druck in der Druckspeicherkammer 6. Der Strom des Lichtbogens folgt der Sinuskurve der Netzfrequenz, und wenn der Strom sich dem Nulldurchgang nähert, beginnt der Druck im Lichtbogenbereich zu sinken. Die Kontaktbewegung ist nun so weit fortgeschritten, daß der Steckkontakt 2 den Düsenausgang freigegeben hat, wo der Druck nun niedriger als in der Druckspeicherkammer 6 ist. Dies verursacht einen Gasstrom von der Druckspeicherkammer 6 durch den Kanal 9 und die Düse 8 zu der umgebenden Expansionskammer 19. Der Lichtbogen wird durch diesen Strom gekühlt und verlischt beim folgenden Nulldurchgang des Stromes.
• Während des Öffnungsvorganges wird das Gas in der Druckerzeugungskammer 7 infolge der dabei auftretenden Verkleinerung des Abstandes zwischen der Wand 11 und dem Blaskolben 16 kompriiniert. Dies verursacht einen Anstieg des Druckes in der Druckerzeugungskammer, wodurch der Blaskolben nach unten gegen den Widerstand der Federn 17 gedrückt wird. Da in dem gezeigten Ausführungsbeispiel die Federn mittels einer Stange 20 vorgespannt sind, die an dem Blaskolben 16 befestigt ist und mit einem Endanschlag 20a gegen das Gegenlager 18 drückt, beginnt die Abwärtsbewegung des Blaskolbens 16 erst, wenn der Überdruck in der Druckerzeugungskammer einen bestimmten Wert überschreitet. Diese Vorspannung der Federn stellt sicher, daß auch im Falle kleiner durch den Leistungsschalter abzuschaltender Betriebsströme ein ausreichender Druckanstieg in der Druckerzeugungskammer stattfindet. Es kann ein zweiter Endanschlag 21 vorgesehen werden, welcher den Hub, über den sich der Blaskolben 16 bewegen kann, begrenzt.
• Gegen Ende des Öffnungsvorganges ist der Druck in der Druckspeicherkammer 6, wie oben beschrieben, abgesunken, so daß das Rückschlagventil 13 öffnet. Dies führt zu einer Druckminderung in der Druckerzeugungskammer 7, was zu einer Umkehrung der Bewegungsrichtung des Blaskolbens 16 führt und einen zusätzlichen Gasstoß in die Druckspeicherkammer 6 verursacht, in der heißes Gas von geringer Dichte auf diese Weise durch kaltes Gas hoher Dicht ersetzt wird. Dieses zusätzliche Gas verursacht eine starke Verminderung der Temperatur in der Druckspeicherkammer 6, wodurch die Unterbrecherleistung eines unmittelbar folgenden Öffnungsvorganges stark vergrößert wird.
• Bei der Unterbrechung relativ kleiner Ströme ist der durch den Lichtbogen verursachte Druckanstieg in der Druckspeicherkammer 6 nicht ausreichend, um einen wirksamen Gasstrom zum Verlöschen des Lichtbogens zu erreichen. In solchen Fällen erfolgt das Löschen des Lichtbogens mit Hilfe der Druckerzeugungskammer 7, in welcher ein Druckaufbau während des Öffnungsvorganges infolge der Abwärtsbewegung der Wand 11 stattfindet. Der Druck in der Druckerzeugungskammer 7 wird dann größer als in der Druckspeicherkammer 6, so daß das Rückschlagventil 13 öffnet und kaltes Löschgas für den Lichtbogens aus der Druckerzeugungskammer 7 über die Druckspeicherkammer 6 und den Kanal 9 zu der Blasdüse 8 strömt, wo der Lichtbogen gekühlt und gelöscht wird.
• Die Erfindung ist nicht auf das gezeigte Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern mehrere Varianten sind im Rahmen der Ansprüche möglich. Beispielsweise kann der Blaskolben 16 mit einem Überdruckventil zum Ablassen von Gas aus der Druckerzeugungskammer 7 in die Ausdehnungskammer 19 versehen sein, wenn der Druck in der Druckerzeugungskammer einen bestimmten Wert überschreiten sollte. Zusätzlich kann der Blaskolben 12 mit einem Rückschlagventil versehen sein zur Auffüllung der Druckerzeugungskammer mit Gas aus der Ausdehnungskammer beim Schließen des Leistungsschalters.
• Ferner ist die Erfindung nicht begrenzt auf die Verwendung bei Leistungsschaltern, in welchen das Gehäuse 1 aus elektrisch isolierendem Material besteht, sondern die Erfindung kann auch verwendet werden bei metallgekapselten, gasisolierten Leistungsschaltern.

Claims (7)

1. Selbstblasender Hochspannungs-Leistungsschalter mit

- einem Gehäuse (1), welches eine Ausdehnungskammer (19) umgibt und mit einem gasförmigen Lichtbogen-Löschmedium gefüllt ist,

- zwei zusammenarbeitenden Kontakten (2, 3a), von denen zumindest einer (3a) Teil einer beweglichen Kontakteinheit (3) ist, die an eine Betätigungsvorrichtung angeschlossen ist und die bei Betätigung durch die Betätigungsvorrichtung in dem Gehäuse zwischen einer geschlossenen und einer offenen Position bewegt werden kann,

- einer Druckspeicherkammer (6) mit konstantem Volumen, welches über einen Kanal (9) mit dem Bereich in Verbindung steht, in welchem der Lichtbogen bei einem Öffnungsvorgang brennt,

- einer Druckerzeugungskammer (7), die abgegrenzt wird von einem Blaskolben (16) und einem Pufferzylinder (15), der mit der beweglichen Kontakteinheit (3) verbunden ist, und

- einem Rückschlagventil (12, 13, 14), welches zwischen der Druckerzeugungskaminer (7) und der Druckspeicherkammer (6) angeordnet ist und welches nur einen Strom in Richtung von der Druckerzeugungskammer (7) zu der Druckspeicherkammer (6) erlaubt,

dadurch gekennzeichnet, daß der Blaskolben (16) gegen die Wirkung einer oder mehrerer Federn (17) axial verschiebbar angeordnet ist.

2. Leistungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Federn (7) durch Blockierung der Beweglichkeit des Blaskolbens (16) in Richtung einer Entspannung der Federn (7) mittels eines oder mehrerer Endanschläge (20, 20a) vorgespannt sind.

3. Leistungsschalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Endanschlag (21) vorhanden ist zur Begrenzung der Bewegung des Blaskolbens (16) in Kompressionsrichtung der Federn (7).

4. Leistungsschalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckspeicherkammer (6) und die Druckerzeugungskammer (7) koaxial um einen Kontaktstab (4) der beweglichen Kontakteinheit (3) angeordnet sind und voneinander durch eine Wand (11) getrennt sind, die den Boden der Druckspeicherkammer (6) bildet und eine Öffnung (12) hat, die als Rückschlagventil (12, 13, 14) ausgebildet ist.

5. Leistungsschalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die bewegliche Kontakteinheit (3) eine Blasdüse (8) trägt, durch welche der genannte Kanal (9) zwischen der Druckspeicherkammer (6) und dem Lichtbogenbereich verläuft.

6. Leistungsschalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Überdruckventil zwischen der Druckerzeugungskammer (7) und der Expansionskammer (19) vorhanden ist.

7. Leistungsschalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Rückschlagventil in dem Blaskolben (16) angeordnet ist zum Nachfüllen von Lichtbogen-Löschgas aus der Ausdehnungskammer (19) in die Druckerzeugungskammer (7).