DE69209463T2

DE69209463T2 - Hochspannungsschalter

Info

Publication number: DE69209463T2
Application number: DE69209463T
Authority: DE
Inventors: Everett G Brandt; George G Van Codina; Thomas J Richards
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 1991-11-14
Filing date: 1992-11-12
Publication date: 1996-08-14
Anticipated expiration: 2012-11-13
Also published as: DE69209463D1; JPH05242949A; EP0546692B1; US5225743A; EP0546692A1; ATE136166T1

Description

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Hochspannungsschalter. Zündspaltschalter oder auch Zündkerzenschalter haben viele Hochleistungsanwendungen mit kurzen Schaltzeitintervallen oder kurzen Impulsdauern. Der Zünd- oder Funkenspaltschalter weist grundsätzlich ein Gehäuse und ein Paar von Elektroden auf. Wenn eine Hochspannung an die Elektroden angelegt wird, so wird ein Bogen oder Funken zwischen den Elektroden erzeugt, und Strom kann durch den Schalter fließen.
Typischerweise sind die Hauptelektroden eines Zünd-oder Funkenspaltschalters im Prinzip Stifte oder Stäbe, wobei die Enden aufeinander zuweisen. Wenn sich daher ein Bogen zwischen den Elektroden bildet, so läuft der gesamte Strom in dem Gebiet zwischen dem Enden der Elektroden. Dies erzeugt eine hohe Stromdichte und ferner einen Hochinduktanzschalter oder einen Schalter mit hoher Induktivität.
Einige Anwendungsfälle machen jedoch Schalter mit kürzeren Ein/Aus-Zeitintervallen erforderlich und besitzen höhere Leistungserfordernisse als dies für konventionelle Schalter typisch ist. Ferner sind Zuverlässigkeit und eine größere Lebensdauer erwünscht. Eine andere wichtige Hauptfrage ist die der Sicherheit, d. h. die Verhinderung von zufälligen Zündungen des Schalters.
Die Hauptfaktoren zur Erreichung dieser Erfordernisse bestehen in einer Absenkung der Induktanz oder Induktivität des Schalters und in einer Verringerung der elektrischen Verluste. Die Sauberkeit der Oberflächen des Schalters beeinflußt ebenfalls die Sicherheit, die Zuverlässigkeit und die brauchbare Lebensdauer des Schalters.
Die DE-A-35 23 299 offenbart einen Schalter, der folgendes aufweist: ein einen Hohlraum bildendes Gehäuse; eine erste Elektrode, die sich entlang des Hohlraums erstreckt und einen hohlen rohrförmigen Teil mit einer Innenoberfläche besitzt, und zwar mit im ganzen kreisförmigem Querschnitt senkrecht zur Achse des Rohrteils; und eine zweite Elektrode mit ersten und zweiten Enden, von denen das erste Ende mit dem Gehäuse verbunden ist und das zweite Ende einen im ganzen kreisförmigen Querschnitt besitzt und zwar im Wesentlichen senkrecht zur Achse und sich im Hohlraum entlang der Achse mindestens teilweise im hohlen Rohrteil der ersten Elektrode erstreckend. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein derartiger Schalter gekennzeichnet durch eine dritte Elektrode, die elektrisch mit der ersten Elektrode verbunden ist, wobei die zweite Elektrode eine zweiten hohlen Rohrteil bildet und die dritte Elektrode sich in den zweiten hohlen Rohrteil erstreckt.
In der Zeichnung zeigt:
Fig. 1 eine stilisierte Darstellung eines Zündspalt oder Zündkerzenschalters mit ersten, zweiten und dritten Elektroden gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 1A eine stilisierte Darstellung eines Funkenspaltschalters mit ersten und zweiten Elektroden, wobei diese Darstellung keinen Teil der vorliegenden Erfindung bildet, da eine dritte Elektrode fehlt;
Fig. 1B eine stilisierte Darstellung der zweiten Elektrode der Fig. 1 und 2 und eine Äuslöse- oder Triggerelektrode gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 2 eine stilisierte Darstellung eines anderen Ausführungsbeispiels der zweiten Elektrode der Fig. 1 und 2; und
Fig. 3 ein Blockdiagramm, welches den Betrieb oder die Arbeitsweise des Funken- oder Zündspaltschalters der Fig. 1 darstellt.
Gemäß Fig. 1 ist ein Schalter 100 mit einem Gehäuse 102 vorgesehen. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel weist das Gehäuse 102 einen Körper 120 sowie erste und zweite Endteile oder Endkappen 106, 110 auf. Das Gehäuse besitzt einen im ganzen kreisförmigen Querschnitt zentriert um eine Achse 112. Der Körper 120 sowie erste und zweite Endkappen 106, 110 bilden einen unter Druck stehenden Hohlraum 104. Die ersten und zweiten Endkappen 106 und 110 bestehen aus einem elektrisch leitenden Material, vorzugsweise Kupfer oder einer Kupferlegierung.
Der Körper 120 besteht aus einem Isoliermaterial. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel besteht der Körper 120 aus Polycarbonat. Der Körper 120 besitzt eine Außenoberfläche oder eine Wand 122, die vorzugsweise genutet ist. Der Körper 120 besitzt einen Innenoberfläche oder Wand 124, die ebenfalls vorzugsweise genutet ist.
In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel bildet die erste Endkappe 106 eine erste Elektrode. Die erste Endkappe und die Elektrode können jedoch auch gesondert sein.
Die erste Elektrode 106 besitzt eine Innenoberfläche 108. Die Innenoberfläche 108 besitzt einen im ganzen kreisförmigen Querschnitt senkrecht zur Achse 112. Die Innenoberfläche 108 erstreckt sich entlang des Hohlraums 104 in einer ersten Richtung entlang der Achse 112 unter Bildung eines hohlen Rohres.
Eine zweite Elektrode 114 besitzt erste und zweite Enden 116, 118 und ist in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel mit der zweiten Endkappe 110 and dem ersten Ende 116 verbunden. Das zweite Ende 118 der zweiten Elektrode 114 besitzt einen im ganzen kreisförmigen Querschnitt senkrecht zur Achse 112. Das zweite Ende 118 der zweiten Elektrode 114 erstreckt sich in den Hohlraum 104 in einer zweiten Richtung entlang der Achse 112. Vorzugsweise liegen die ersten und zweiten Richtungen entgegengesetzt zueinander. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel erstreckt sich das zweite Ende 118 der zweiten Elektrode 114 mindestens teilweise in das hohle Rohr gebildet durch die erste Elektrode 102.
In einem Ausführungsbeispiel bestehen die ersten und zweiten Elektroden aus einer Kupferlegierung. In einem anderen Ausführungsbeispiel weist die zweite Elektrode 114 einen auswechselbaren Spitzenteil auf. Der Spitzenteil besteht aus Wolfram oder einer Wolframlegierung. Eine geeignete Legierung ist Elkonite (eingetragenes Warenzeichen), was aus Wolfram und Kupfer besteht.
In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die zweite Elektrode 114 verjüngt. Das heißt, die Dicke des zweiten Endteils 118 der zweiten Elektrode 114 nimmt zum Ende hin ab, wodurch sich der Abstand zwischen den ersten und zweiten Elektroden 106, 114 vergrößert. Die Verjüngung der zweiten Elektrode 114 minimiert die Zündung oder die Bogenbildung des Schalters 100 zu dem Ende der zweiten Elektrode 114 hin und vermindert den Abrieb.
Die Betriebscharakteristika des Schalters 100 können dadurch modifiziert werden, daß man den Abstand zwischen den ersten und zweiten Elektroden 106, 114 verändert. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird dies dadurch erreicht, daß man den Außendurchmesser der zweiten Elektrode 114 ändert. In der Fig. 2 ist eine alternative zweite Elektrode 202 für den Schalter 100 der Fig. 1 gezeigt. Wie dargestellt, ist für eine einen kleinen Durchmesser besitzende Elektrode der erste Endteil geflanscht, um die mechanische Stabilität zu erhöhen.
In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist der Schalter 100 eine dritte Elektrode 130 auf. Die dritte Elektrode 130 ist elektrisch mit der ersten Elektrode 106 verbunden. Die dritte Elektrode 130 besitzt einen im ganzen kreisförmigen Querschnitt senkrecht zur Achse 112 und erstreckt sich entlang der Achse 112 zur zweiten Elektrode 114 hin.
In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel bildet die zweite Elektrode 114 ein zweites hohles Rohr. Die dritte Elektrode 130 erstreckt sich in das zweite hohle Rohr. Der Abstand zwischen den zweiten und dritten Elektroden 114, 130 (D1) ist vorzugsweise größer als der Abstand zwischen den ersten und zweiten Elektroden 106, 114 (D2).
Der Schalter 100 kann einen isolierenden rohrförmigen Einsatz 132 aufweisen, und zwar angeordnet in dem hohlen Rohr gebildet durch die zweite Elektrode 114. Das Isolierrohr 132 vermindert das Gewicht, erhöht die mechanische Stabilität und vermindert das Gasvolumen für ein schnelleres zyklisches Ein/Aus-Ansprechen. Vorzugsweise besteht das Isolierrohr 132 ebenfalls aus einem Polycarbonat und bildet einen Teil eines Gasauslaßanschlusses 126.
Ein Quarzfenster 136 gestattet die Einführung eines kurzen Ültraviolett-Strahlungsimpulses zur Aüslösung des Schalters 100. Die Verwendung eines Quarzfensters 136 zur Auslösung des Schalters 132 wird als ein alternatives Trigger- oder Auslöseverfahren verwendet oder dient zur Unterstützung bei höheren Wiederholraten zur Zündung des Schalters mit geeigneter Synchronisierung.
Eine faseroptische Sonde 134 fühlt die optischen Spektra ab, wenn der Schalter gezündet ist. Die Probe 134 dringt, wie gezeigt, annähernd halbwegs in den Körper 120 ein, da Polycarbonate den Durchtritt sichtbaren Lichts gestatten.
Das Gehäuse 102 wird durch eine Vielzahl von Schrauben zusammengehalten. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel bestehen die Schrauben aus Nylon. Dichtungen oder Dichtringe oder O-Ringe dichten die Verbindung zwischen den Endkappen 106, 110 und dem Körper 120 ab.
Der Schalter 100 weist, wie in Fig. 1A gezeigt, in einem alternativen Ausführungsbeispiel mindestens einen Gaseinlaßanschluß 128', 128" im Körper 120 des Gehäuses 102 (zwei sind gezeigt) auf.
Der Schalter 100 kann durch drei Verfahren individuell und im Kombination ausgelöst werden: Ultraviolett-Strahlung (oben beschrieben), Druck (unten beschrieben) und durch eine Trigger- oder Auslöseelektrode 138, wie in Fig. 1B gezeigt. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel weist die Triggerelektrode 138 ein Kupferrohr 140 und eine Messingkugel 142 auf. Das Kupferrohr 140 läuft durch die Mitte des Isolators 132 und die zweite Elektrode 114. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel wird an die Triggerelektrode 138 ein Triggerimpulssignal durch eine Anordnung aus Schraube 146 und Unterlegscheibe 144, wie gezeigt, angelegt. Das Triggerimpulssignal erzeugt einen Bogen zwischen der Triggerelektrode 138 und der zweiten Elektrode 114 durch örtliches Entziehen des elektrischen Feldes. Der Bogen ionisiert das Gas im Hohlraum 104, was einen Bogen zwischen den ersten und zweiten Elektroden 106 und 114 auslöst. Ein Isolator 148 isoliert die Schraube 146 von der zweiten Elektrode 114.
Mittel 300 - vergleiche Fig. 3 - bilden einen Kurzschluß zwischen den ersten und zweiten Elektroden 106, 114. Die Mittel 300 erhöhen und verringern in steuerbarer Weise den Gasdruck innerhalb des Hohlraums 104 zwischen einem offenen Wert und einem geschlossenen Wert. Das Gas wirkt als ein Isolator zwischen den ersten und zweiten Elektroden 106, 114 und zwar unter dem offenen Wert und als ein Kurzschluß zwischen den ersten und zweiten Elektroden 106, 114 unter oder bei dem geschlossenen Wert.
Der Schalter 100 wird geöffnet und geschlossen, um elektrische Leistung an eine Last 302 zu liefern. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Last 302 mit der ersten Elektrode 106 verbunden. Die zweite Elektrode 114 ist elektrisch mit einer Hochspannungsleistungsversorgung 308 verbunden.
Eine Hochdruckgasversorgung 304 ist zur Unterdrucksetzung des Hohlraums 104 vorgesehen. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird der Hohlraum 104 mit Schwefelhexafluoridgas SF&sub6; unter Druck gesetzt.
Ein Druckfreigabeventil 306 gibt den Druck vom Hohlraum 104 frei.
Im bevorzugten Ausführungsbeispiel wird der Hohlraum 104 unter Druck gesetzt und entlastet, und zwar durch Betätigung der Hochdruckgasversorgung und des Druckfreigabeventils 304, 306 durch den Gaseinlaßanschluß 128 bzw. den Gasauslaßanschluß 126 und zwar durch Steuermittel 310.

Industrielle Anwendbarkeit.

Im Betrieb ist der Schalter außerordentlich zuverlässig, dauerhaft, kompakt, verursacht geringe Kosten und kann leicht gewartet werden.
Wie beschrieben wird der Schalter 100 im allgemeinen durch das steuerbare Erhöhen und Vermindern des Drucks innerhalb des Schalters 100 betätigt. Dies hat zwei Vorteile. Erstens wird automatisch Gas innerhalb des Hohlraums 104 zyklisch verarbeitet oder betätigt, wodurch die Temperatur abgesenkt wird. Dies unterstützt bei dem Kalthalten der Elektroden. Zum Zweiten werden durch Wechseln des Gases innerhalb des Schalters 100 zwischen den Zündungen Verunreinigungen aus dem Hohlraum 104 entfernt. Wenn ferner das Gas freigegeben wird, so wird der Druckgradient hervorgerufen zwischen den ersten und zweiten Elektroden 106, 114 die Bildung einer Bogenentladung vom Ende der zweiten Elektrode 114 weg begünstigen. Dies erzeugt eine geringere und gleichförmigere Stromdichte.
Die Steuermittel 310 schließen den Schalter 100 durch Öffnen des Druckfreigabeventils 306 und Freigabe des SF&sub6; Gases. Typischerweise ist der Schalter 100 auf annähernd 6 Atmosphären unter Druck gesetzt. Es können jedoch auch Drücke bis 12 Atmosphären verwendet werden.
Wenn der Druck einen bestimmten Wert (abhängig von den Schaltereigenschaften) erreicht, so zündet der Schalter 100. Wenn der Schalter 100 zündet, so wird ein Bogen zwischen den ersten und zweiten Elektroden 106, 114 gebildet. Die Elektroden 106, 114 sind derart konstruiert und ausgelegt, daß sie ein größeres Oberflächengebiet für den Stromfluß zwischen den ersten und zweiten Elektroden vorsehen. Dies vermindert in effektiver Weise die Stromdichte, den Ohmschen Widerstand und die Induktivität bzw. Induktsanz des Schalters 100.
Die dritte Elektrode 130 vermindert weiter den Widerstandswert und die Induktanz bzw. Induktivität des Schalters 100. Im Betrieb wird sich innerhalb von Nanosekunden des Zündens des Schalters ein Bogen zwischen den zweiten und dritten Elektroden 114, 130 bilden. Dieser zweite Bogen tritt auf nach dem ersten Bogen, da der Spalt zwischen den zweiten und dritten Elektroden 114, 130 (D1) etwas größer ist als der Spalt zwischen den ersten und zweiten Elektroden 106, 114 (D2). Ferner erzeugt der erste Bogen ionisierende Ultraviolett-Strahlung, welche das Auslösen des zweiten Bogens beschleunigt oder fördert.
Die Nuten in den inneren und äußeren Oberflächen 122, 124 des Körpers 120 unterstützen bei der Erhöhung der Spannungsisolierung zwischen den Endkappen und Elektroden 106, 110, 114, 130. Die Verjüngung am Ende der zweiten Elektrode 114 hilft bei der Verminderung des Abriebs an der Spitze, des Schaltens mit Geschwindigkeit, wobei ferner die Induktivität oder Induktanz verringert wird und die Lebensdauer der Elektrode 114 erhöht wird.
Die robuste Konstruktion und die Leichtigkeit des Auseinanderbaus sowie des Zusammenbaus bewirken, daß der Schalter im Feld leicht zu warten ist.
Der Schalter wurde zwischen 15 bis 300 kV (in einer externen Luftumgebung) getestet. Durch maßstabmäßiges Herauftransformieren der Konstruktion sollte der Schalter in der Lage sein, Spannungen bis in den Megavolt-Bereich zu verarbeiten. Die Betriebscharakteristik des Schalters 100 kann modifiziert werden durch Veränderung der Durchmesser der ersten und/oder zweiten Elektrode 106, 114 oder durch maßstabsmäßige Veränderung der Dimensionen des gesamten Schalters 100.

Claims

1. Ein Schalter, der folgendes aufweist: Ein Gehäuse (102), welches einen Hohlraum (104) bildet; eine erste Elektrode (106), die sich entlang des Hohlraums erstreckt und einen hohlen, rohrförmigen Teil mit einer Innenoberfläche (108) besitzt, und zwar mit einem im ganzen kreisförmigen Querschnitt senkrecht zur Achse (112) des Rohrteils; und eine zweite Elektrode (114) mit ersten und zweiten Enden (116, 118), von denen das erste Ende mit dem Gehäuse verbunden ist und das zweite Ende einen im ganzen kreisförmigen Querschnitt besitzt und zwar im wesentlichen senkrecht zur Achse (112) und sich im Hohlraum entlang der Achse mindestens teilweise in den hohlen Rohrteil der ersten Elektrode erstreckt; gekennzeichnet durch eine dritte Elektrode (130), die elektrisch mit der ersten Elektrode verbunden ist, wobei die zweite Elektrode (114) einen zweiten hohlen Rohrteil bildet und die dritte Elektrode (130) sich in den zweiten hohlen Rohrteil erstreckt.

2. Schalter nach Anspruch 1, wobei der Rohrteil der ersten Elektrode (106) einen Endteil des Hohlraums (104) definiert.

3. Schalter nach Anspruch 1 oder 2, wobei die erste Elekrode (106) sich von einem Ende des Hohlraums erstreckt und die zweite Elektrode (114) sich entlang der Achse (112) in den hohlen Rohrteil der ersten Elektrode erstreckt und zwar in einer Richtung weg von dem anderen Ende des Hohlraums.

4. Schalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Gehäuse einen Körper (120) aufweist, der aus einem Isoliermaterial aufgebaut ist.

5. Schalter nach Anspruch 4, wobei das Isoliermaterial Polycarbonat ist oder aufweist.

6. Schalter nach Anspruch 4 oder 5, wobei der Körper (120) einen im ganzen kreisförmigen Querschnitt senkrecht zu und zentriert um die Achse (112) besitzt.

7. Schalter nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei der Körper (120) eine Außenwandoberfläche (122) besitzt, die genutet ist.

8. Schalter nach einem der Ansprüche 4 bis 7, wobei der Körper (120) eine Innenwandoberfläche (124) besitzt, die genutet ist.

9. Schalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Hohlraum (104) derart ausgebildet ist, daß er unter Druck gesetzt werden kann.

10. Schalter nach Anspruch 9, wobei der Hohlraum (104) mit Schwefelhexafluoridgas unter Druck gesetzt ist.

11. Schalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit Mitteln (300) zur Bildung eines Kurzschlusses zwischen den ersten und zweiten Elektroden (106, 114).

12. Schalter nach Anspruch 11 bei Abhängigkeit von Anspruch 9 oder 10, wobei die kurzschlußbildenden Mittel (300) Mittel aufweisen, zum steuerbaren Erhöhen und Verringern des Gasdrucks innerhalb des Hohlraums (104) und zwar zwischen einem Öffnungswert und einem Schließwert, wobei das Gas als ein Isolator zwischen den ersten und zweiten Elektroden (106, 114) wirkt, und zwar bei dem Öffnungswert, und als ein Kurzschluß zwischen den ersten und zweiten Elektroden beim Schließwert.

13. Schalter nach einem der Ansprüche 9, 10 oder 12, wobei der Hohlraum einen Gaseinlaßanschluß (128) und einen Gasauslaßanschluß (126) aufweist.

14. Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Hohlraum ein Quartzfenster (136) besitzt, und wobei der Schalter derart ausgelegt ist, daß er durch Ultravioletstrahlung geschaltet oder ausgelöst werden kann.

15. Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 8 mit einer Schalt- oder Triggerelektrode (138), wobei der Schalter derart ausgelegt ist, daß er durch ein Triggerimpulssignal angelegt an die Triggerelektrode ausgelöst oder getriggert werden kann.

16. Schalter nach Anspruch 2 oder 3, wobei die dritte Elektrode (130) einen im ganzen kreisförmigen Querschnitt senkrecht zur Achse (112) besitzt, und sich entlang der Achse (112) in einer Richtung weg von dem einen Ende des Hohlraums erstreckt.

17. Schalter nach Anspruch 16, wobei der Abstand zwischen den zweiten und dritten Elektroden (114, 130) kleiner ist als der Abstand zwischen den ersten und zweiten Elektroden (106, 114).