DE69508680T2

DE69508680T2 - High voltage switch

Info

Publication number: DE69508680T2
Application number: DE1995608680
Authority: DE
Inventors: Ulf Akesson; Tomas Otterberg; Peter Stengard
Original assignee: Asea Brown Boveri AB
Current assignee: ABB AB
Priority date: 1994-09-05
Filing date: 1995-09-02
Publication date: 1999-11-11
Anticipated expiration: 2015-09-03
Also published as: SE9402970L; SE9402970D0; EP0700062A1; DE69508680D1; EP0700062B1

Description

Technical area

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Hochspannungsschalter gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.The present invention relates to a high-voltage switch according to the preamble of claim 1.

Die Erfindung ist in erster Linie für Leistungsschalter für Nennbetriebsspannungen in der Größenordnung von 100 bis 300 kV bestimmt; sie kann aber mit Vorteil auch bei Leistungsschaltern für Spannungen eingesetzt werden, die sowohl über als auch unter diesem Bereich liegen, zum Beispiel bei Mittelspannungs-Leistungsschaltern.The invention is primarily intended for circuit breakers for nominal operating voltages in the order of 100 to 300 kV; but it can also be used with advantage in circuit breakers for voltages both above and below this range, for example in medium-voltage circuit breakers.

State of the art

Leistungsschalter der oben genannten Art sind beispielsweise aus der EP-A-O 475 270 bekannt. Solche Leistungsschalter müssen imstande sein, sehr hohe Betriebsströme, beispielsweise 4000 A, zu führen, und es ist daher wichtig, daß der Übergangswiderstand jedes Schalterpoles so klein wie möglich ist.Circuit breakers of the above-mentioned type are known, for example, from EP-A-0 475 270. Such circuit breakers must be able to carry very high operating currents, for example 4000 A, and it is therefore important that the contact resistance of each switch pole is as small as possible.

Bei Leistungsschaltern dieser Art ist der stationäre Hauptkontakt des Leistungsschalters gewöhnlich am freien Endabschnitt eines hohlzylindrischen Strompfadabschnitts angeordnet, welcher im Leistungsschaltergehäuse befestigt ist und beispielsweise aus einem Kupferrohr bestehen kann. Eine bekannte Ausführung eines solchen Hauptkontaktes besteht aus einer Vielzahl separater Kontaktstücke, die zusammen mit zugehörigen Kontaktfedern beweglich um den Endabschnitt des Strompfadabschnittes angeordnet sind. Bei einer solchen Ausführung sind zwei in Reihe geschaltete Stromübergangspunkte an jedem Kontaktstück vorhanden, was zu einem relativ hohen Gesamtwiderstand des Kontaktes führt. Ein anderer Nachteil dieser Ausführung besteht darin, daß die Montage der Vielzahl von Kontaktstücken zeitraubend und daher kostspielig ist.In circuit breakers of this type, the stationary main contact of the circuit breaker is usually arranged at the free end section of a hollow cylindrical current path section, which is fastened in the circuit breaker housing and can consist of a copper tube, for example. A known design of such a main contact consists of a large number of separate contact pieces, which are arranged together with associated contact springs so as to be movable around the end section of the current path section. In such a design, two current transfer points connected in series are present on each contact piece, which leads to a relatively high total resistance of the contact. Another disadvantage of this design is that the assembly of the large number of contact pieces is time-consuming and therefore expensive.

Aus der DE-B-19 13 969 ist bereits ein Leistungsschalter der oben genannten Art bekannt, bei welchem der stationäre Hauptkontakt aus einer Vielzahl von Kontaktfingern besteht, die durch Schlitzung eines Endabschnittes eines hohlzylindrischen Metallkörpers hergestellt sind. An jedem dieser Kontaktfinger erhält man nur einen Stromübergangspunkt zwischen dem festen und dem beweglichen Strompfadabschnitt. Es ist jedoch aus den beschriebenen Ausführungen nicht ersichtlich, wie man den notwendigen Kontaktdruck erhält oder wie man lokale Feldkonzentrationen an den freien Endflächen des Metallkörpers vermeidet. Außerdem kann angesichts des Aufbaus des Metallkörpers und der Dicke seines Materials dieses nicht in einfacher Weise durch Pressen (Aufbauchen) geformt werden, sondern er muß durch spanabhebende Werkzeuge hergestellt werden, was teuer ist.A circuit breaker of the above-mentioned type is already known from DE-B-19 13 969, in which the stationary main contact consists of a large number of contact fingers that are produced by slitting an end section of a hollow cylindrical metal body. At each of these contact fingers, only one current transition point is obtained between the fixed and the movable current path section. However, it is not clear from the described embodiments how the necessary contact pressure is obtained or how local field concentrations are avoided at the free end surfaces of the metal body. In addition, given the structure of the metal body and the thickness of its material, it cannot be formed in a simple manner by pressing (bulging), but must be produced using cutting tools, which is expensive.

Auch die US-A-3 839 613 zeigt einen Leistungsschalter der oben genannten Art, der mit einem rohrförmigen stationären Hauptkontakt mit Kontaktfingern, die durch Schlitzung hergestellt sind, versehen ist. Auch im Falle dieses Kontaktes ist es angesichts seines Aufbaus und seiner Materialdicke nicht möglich, daß er in einfacher Weise durch Pressen (Aufbauchen) geformt wird. Außerdem ist er am freien Endabschnitt des Kontaktes mit einem feldausgleichenden Schirm versehen, der in radialer Richtung vorsteht und dadurch eine bedeutende Vergrößerung des Durchmessers der stationären Kontaktanordnung bewirkt. Schließlich besteht bei dieser Konstruktion die Gefahr, daß ein oder mehrere der Kontaktfinger durch mechanische oder elektromagneti sche Einflüsse zu weit nach innen gebogen werden und dadurch betriebliche Störungen verursachen.US-A-3 839 613 also shows a circuit breaker of the above-mentioned type, which is provided with a tubular stationary main contact with contact fingers made by slitting. In the case of this contact too, due to its structure and material thickness, it is not possible for it to be formed in a simple manner by pressing (bulging). In addition, it is provided with a field-compensating screen at the free end section of the contact, which projects in the radial direction and thereby causes a significant increase in the diameter of the stationary contact arrangement. Finally, with this construction there is a risk that one or more of the contact fingers may be damaged by mechanical or electromagnetic forces. chemical influences, causing the structure to be bent too far inwards and thus causing operational disruptions.

Summary of the invention

Das Hauptziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Leistungsschalter der oben genannten Art zu schaffen, der nicht unter den oben genannten Nachteilen bekannter vergleichbarer Schalter leidet.The main aim of the present invention is to provide a circuit breaker of the above-mentioned type which does not suffer from the above-mentioned disadvantages of known comparable switches.

Um dieses Ziel zu erreichen, schlägt die Erfindung einen Hochspannungs-Leistungsschalter gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 vor, der gekennzeichnet ist durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruches 1 oder des Anspruches 2.To achieve this aim, the invention proposes a high-voltage circuit breaker according to the preamble of claim 1, which is characterized by the features of the characterizing part of claim 1 or of claim 2.

Weiterentwicklungen der Erfindung sind durch die Merkmale der zusätzlichen Ansprüche gekennzeichnet.Further developments of the invention are characterized by the features of the additional claims.

Durch Druckformung (Aufbauchung, Aufweitung) und Schlitzung des Endabschnittes des Metallrohres erhält man einen Hauptkontakt gemäß der Erfindung, der aus einer großen Anzahl von Kontaktfingern besteht, die mit dem Rohr ein integrales einheitliches Teil bilden. Bei dieser Ausführung erhält man eine größere Anzahl paralleler Übergangspunkte als bei der bekannten Kontaktanordnung mit den oben beschriebenen getrennt montierten Kontaktstücken, da ein Rohr von gegebenem Umfang eine größere Anzahl solcher Kontaktfingern aufnehmen kann, die mit dem Rohr ein einheitliches Teil bilden, denn diese Kontaktfinger benötigen in seitlicher Richtung weniger Raum als getrennte Kontaktfinger. Dies trägt zu einer Reduzierung des Kontaktwiderstandes bei.By pressure forming (bulging, expanding) and slitting the end section of the metal tube, a main contact according to the invention is obtained, which consists of a large number of contact fingers which form an integral unitary part with the tube. In this embodiment, a larger number of parallel transition points are obtained than in the known contact arrangement with the separately mounted contact pieces described above, since a tube of a given circumference can accommodate a larger number of such contact fingers which form a unitary part with the tube, since these contact fingers require less space in the lateral direction than separate contact fingers. This contributes to a reduction in the contact resistance.

Short description of the drawings

Anhand der in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigenThe invention will be explained in more detail using the embodiments shown in the figures. They show

Fig. 1 in einem achsialen Schnitt den zentralen Teil eines bekannten Hochspannungs-Leistungsschalters, bei welchem die Erfindung angewendet werden kann,Fig. 1 shows in an axial section the central part of a known high-voltage circuit breaker, to which the invention can be applied,

Fig. 2 im achsialen Schnitt ein erstes Ausführungsbeispiel eines Strompfadabschnitts, der gemäß der Erfindung ausgebildet ist, wobei der stationäre Hauptkontakt des Leistungsschalters beispielsweise von der in Fig. 1 gezeigten Art ist,Fig. 2 shows in axial section a first embodiment of a current path section which is designed according to the invention, wherein the stationary main contact of the circuit breaker is, for example, of the type shown in Fig. 1,

Fig. 3a und 3b getrennt den zentralen Teil des Strompfadabschnittes im achsialen Schnitt beziehungsweise in Endansicht,Fig. 3a and 3b show the central part of the current path section in axial section and in end view, respectively.

Fig. 4a und 4b in Draufsicht beziehungsweise Seitenansicht ein erstes Ausführungsbeispiel einer Hilfsfeder, die für den Hauptkontakt gemäß Fig. 2 bestimmt ist,Fig. 4a and 4b in top view and side view respectively a first embodiment of an auxiliary spring intended for the main contact according to Fig. 2,

Fig. 5 in perspektivischer Ansicht ein zweites Ausführungsbeispiel einer Hilfsfeder, die für den Hauptkontakt gemäß Fig. 2 bestimmt ist,Fig. 5 shows a perspective view of a second embodiment of an auxiliary spring intended for the main contact according to Fig. 2,

Fig. 6 im achsialen Schnitt ein zweites Ausführungsbeispiel eines Strompfadabschnittes, wobei der stationäre Hauptkontakt für einen Leistungsschalter gemäß der Erfindung ausgebildet ist.Fig. 6 shows an axial section of a second embodiment of a current path section, wherein the stationary main contact for a circuit breaker is designed according to the invention.

Description of the preferred embodiments

Der in Fig. 1 gezeigte Leistungsschalter wird in der oben genannten Patentschrift EP-A-O 475 270 beschrieben und stellt nur ein Beispiel für die Art von Leistungsschaltern dar, bei denen die vorliegende Erfindung mit Vorteil verwendet werden kann. Der Leistungsschalter hat ein gas dichtes Gehäuse 1, in welchem ein stationärer stiftförmiger Lichtbogenkontakt 2 und ein achsial beweglicher hülsenförmiger Lichtbogenkontakt 3 untergebracht sind. Der bewegliche Kontakt 3 ist über eine rohrförmige Kontaktstange 4 und eine isolierende Betätigungsstange (letztere ist nicht gezeigt) mit einer Betätigungsvorrichtung verbunden. Mit Hilfe der Betätigungsvorrichtung kann der bewegliche Kontakt zwischen der auf der linken Seite der Figur gezeigten geschlossenen Position und der auf der rechten Seite der Figur gezeigten offenen Position verschoben werden.The circuit breaker shown in Fig. 1 is described in the above-mentioned patent specification EP-AO 475 270 and represents only one example of the type of circuit breakers in which the present invention can be used with advantage. The circuit breaker has a gas sealed housing 1 in which a stationary pin-shaped arcing contact 2 and an axially movable sleeve-shaped arcing contact 3 are accommodated. The movable contact 3 is connected to an actuating device via a tubular contact rod 4 and an insulating actuating rod (the latter is not shown). By means of the actuating device, the movable contact can be moved between the closed position shown on the left side of the figure and the open position shown on the right side of the figure.

Der bewegliche Kontakt 3 trägt einen hohlen Metallzylinder 5, der einen Drucksammelraum 6 umschließt, dessen Volumen konstant ist, einen Kompressionsraum 7 und eine elektrisch isolierende Blasdüse 8 mit einem ringförmigen Kanal 9, welcher den Drucksammelraum 6 mit dem Bereich verbindet, in welchem der Lichtbogen während des Öffnungsvorganges brennt. Der hohle Zylinder 5 bildet den beweglichen Hauptkontakt des Leistungsschalters, welcher Kontakt mit dem stationären Hauptkontakt 10 zusammen arbeitet. Die stationären Kontakte 2 und 10 des Leistungsschalters sind elektrisch und mechanisch fest miteinander verbunden, was auch für die beweglichen Kontakte 3 und 4 gilt.The movable contact 3 carries a hollow metal cylinder 5 which encloses a pressure collecting chamber 6, the volume of which is constant, a compression chamber 7 and an electrically insulating blowing nozzle 8 with an annular channel 9, which connects the pressure collecting chamber 6 with the area in which the arc burns during the opening process. The hollow cylinder 5 forms the movable main contact of the circuit breaker, which contact works together with the stationary main contact 10. The stationary contacts 2 and 10 of the circuit breaker are electrically and mechanically firmly connected to one another, which also applies to the movable contacts 3 and 4.

Während eines Öffnungsvorganges wird die Kontaktstange 4 mit Hilfe der Betätigungsvorrichtung nach unten gezogen, wobei die Hauptkontakte 5 und 10 zuerst getrennt werden. Dadurch kommutiert der Strom auf die Lichtbogenkontakte 2, 3, die bei ihrer Trennung einen Lichtbogen zwischen sich bilden. Der Lichtbogen heizt das Gas im Lichtbogenbereich auf, wodurch der Gasdruck steigt, so daß ein Gasstrom durch den Kanal 9 in den Drucksammelraum 6 zu fließen beginnt. Als Folge dieses Gasstromes steigt der Druck im Drucksammelraum 6. Der Lichtbogenstrom folgt der Sinus kurve der Speisefrequenz, und wenn der Strom sich dem Nulldurchgang nähert, beginnt der Druck in der Lichtbogengegend zu sinken. Die Kontaktbewegung ist nun soweit fortgeschritten, daß der Stiftkontakt 2 den Düsenausgang freigelegt hat, wo der Druck jetzt geringer als in dem Drucksammelraum 6 ist. Dies hat einen Gasstrom aus dem Drucksammelraum 6 durch den Kanal 9 und die Düse 8 zu dem umgebenden Expansionsraum 11 zur Folge. Der Lichtbogen wird durch diesen Strom gekühlt und verlischt beim Nulldurchgangs des Stromes.During an opening process, the contact rod 4 is pulled downwards using the actuating device, whereby the main contacts 5 and 10 are separated first. This causes the current to commute to the arcing contacts 2, 3, which form an arc between themselves when they are separated. The arc heats the gas in the arcing area, which increases the gas pressure so that a gas flow begins to flow through the channel 9 into the pressure collection chamber 6. As a result of this gas flow, the pressure in the pressure collection chamber 6 increases. The arc current follows the sinusoidal curve of the supply frequency, and as the current approaches zero, the pressure in the arc region begins to drop. The contact movement has now progressed so far that the pin contact 2 has exposed the nozzle outlet, where the pressure is now lower than in the pressure collection chamber 6. This results in a gas flow from the pressure collection chamber 6 through the channel 9 and the nozzle 8 to the surrounding expansion chamber 11. The arc is cooled by this current and extinguishes when the current passes zero.

Fig. 2 zeigt einen oberen Strompfadabschnitt 12, der gemäß der Erfindung ausgebildet ist, wobei der stationäre Hauptkontakt 10 für den Leistungsschalter beispielsweise in der Fig. 1 gezeigten Weise aufgebaut ist. Der Strompfadabschnitt 12 wird getrennt in den Fig. 3a und 3b gezeigt. Er besteht aus einem Kupferrohr mit einer Dicke von einem oder einigen Millimetern. Der obere Endabschnitt dieses Rohres besteht aus einem Flansch 13, der durch Pressen (Aufbauchen) gebildet wird, um das Rohr am oberen Endflansch (nicht gezeigt) des Leistungsschalters zu befestigen, welcher Endflansch gleichzeitig eine der beiden Anschlußklemmen des Leistungsschalters bildet. Der untere Endabschnitt des Rohres wird durch Pressen (Aufbauchen) gebildet und derart geschlitzt, daß eine große Anzahl von Kontaktfingern 14 entstehen, die mit dem Rohr ein einheitliches Teil bilden. Wie man aus Fig. 2 erkennt, ist der untere Endabschnitt des Rohres von einer rohrförmigen Metallhülse 15 umgeben, die an dem Rohr befestigt ist und die etwa den gleichen Durchmesser hat wie der nicht durch Pressen geformte Teil des Kupferrohres 12. Diese Hülse hat mehrere unterschiedliche Funktionen. Neben ihrer Funktion als feldausgleichender Schirm dient sie sowohl aus Halter als auch als Gegenlager für Federele mente 17, die zwischen der Metallhülse 15 und den Kontaktfingern 14 angeordnet sind. Die Metallhülse 15 verhindert auch, daß die Kontaktfinger zu weit nach innen gebogen werden. Dies wird dadurch erreicht, daß der freie Endabschnitt der Hülse mit einem nach innen gerichteten Flanschabschnitt 16 versehen ist, der eine im wesentlichen kreisförmige Kontur hat und die Endabschnitte der Kontaktfinger umgibt.Fig. 2 shows an upper current path section 12 formed according to the invention, the stationary main contact 10 for the circuit breaker being constructed, for example, in the manner shown in Fig. 1. The current path section 12 is shown separately in Figs. 3a and 3b. It consists of a copper tube with a thickness of one or a few millimeters. The upper end section of this tube consists of a flange 13 formed by pressing (bulging) to attach the tube to the upper end flange (not shown) of the circuit breaker, which end flange simultaneously forms one of the two connection terminals of the circuit breaker. The lower end section of the tube is formed by pressing (bulging) and slotted in such a way that a large number of contact fingers 14 are formed, which form a unitary part with the tube. As can be seen from Fig. 2, the lower end section of the tube is surrounded by a tubular metal sleeve 15 which is attached to the tube and which has approximately the same diameter as the non-pressed part of the copper tube 12. This sleeve has several different functions. In addition to its function as a field-balancing shield, it serves both as a holder and as a counter bearing for spring elements. elements 17 arranged between the metal sleeve 15 and the contact fingers 14. The metal sleeve 15 also prevents the contact fingers from being bent too far inwards. This is achieved by providing the free end portion of the sleeve with an inwardly directed flange portion 16 which has a substantially circular contour and surrounds the end portions of the contact fingers.

Die oben genannten Federelemente 17 können beispielsweise aus einer Vielzahl separater Blattfedern bestehen, die beispielsweise die in den Fig. 4a und 4b gezeigte Form haben. Alternativ können diese Federelemente aus einem Ring 18 bestehen, der um die Kontaktfinger herum angeordnet ist und der beispielsweise in der in Fig. 5 gezeigten Weise ausgebildet sein kann. Dieser Ring ist aus einem elastischen Draht geformt, der in einer großen Anzahl von mäanderförmigen Schleifen derart gebogen ist, daß der Durchmesser des Ringes in achsialer Richtung weg vom Mittelabschnitt des Ringes zu den Enden hin kleiner wird.The above-mentioned spring elements 17 can, for example, consist of a plurality of separate leaf springs, which, for example, have the shape shown in Figs. 4a and 4b. Alternatively, these spring elements can consist of a ring 18 which is arranged around the contact fingers and which can, for example, be designed in the manner shown in Fig. 5. This ring is formed from an elastic wire which is bent in a large number of meander-shaped loops in such a way that the diameter of the ring becomes smaller in the axial direction away from the middle section of the ring towards the ends.

Wenn das Metallrohr 12 mit den integrierten Kontaktfingern 14 aus eigenelastischem Material, wie zum Beispiel Berilliumkupfer, hergestellt ist, können die Metallhülse 15 und die Federelemente 17 weggelassen werden. Fig. 6 zeigt ein Beispiel eines solchen Strompfadabschnitts mit einem integrierten Hauptkontakt aus eigenelastischem Material.If the metal tube 12 with the integrated contact fingers 14 is made of inherently elastic material, such as beryllium copper, the metal sleeve 15 and the spring elements 17 can be omitted. Fig. 6 shows an example of such a current path section with an integrated main contact made of inherently elastic material.

Die Erfindung ist nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt; vielmehr sind verschiedene Modifikationen im Rahmen der folgenden Patentansprüche möglich.The invention is not limited to the embodiments shown; rather, various modifications are possible within the scope of the following patent claims.

Claims

1. High-voltage switch with an elongated housing (1) which is filled with a gaseous arc-quenching medium and which contains two cooperating arc contacts (2, 3), one of which (2) is stationary, while the other (3) is axially displaceable in the housing between a closed and an open position by means of an actuating device, and which housing contains two cooperating main contacts (10, 5) which separate earlier than the arc contacts during an opening process, one of the main contacts (10) consisting of a first end section of a first metal tube (12) which is fastened to the housing and surrounds the stationary arc contact, while the other main contact (5) consists of an end section of a second metal tube which is mounted around the movable arc contact and is fastened to said contact, characterized in that the end section of said first metal tube (12) is formed by pressing, in particular by bulging, and is slotted to form a plurality of contact fingers (14) which form integral parts of the tube (12), that said end section is surrounded by a tubular metal sleeve (15) which serves as a field-equalizing shield, the free end section of which has an inwardly directed flange section (16) which has a substantially circular contour and surrounds the end sections of the contact fingers (14) in such a way that the inward bending of the contact fingers is limited.

2. High-voltage switch with an elongated housing (1) which is filled with a gaseous arc extinguishing medium and which has two cooperating arc con contacts (2, 3), one of which (2) is stationary, while the other (3) is axially displaceable in the housing between a closed and an open position by means of an actuating device, and which housing contains two cooperating main contacts (10, 5) which separate earlier than the arcing contacts during an opening process, one of the main contacts (10) consisting of a first end section of a first metal tube (12) which is fastened to the housing and surrounds the stationary arcing contact, while the other main contact (5) consists of an end section of a second metal tube which is fitted around the movable arcing contact and is fastened to said contact, characterized in that said first metal tube (12) consists of an inherently elastic material and that the end section of the first metal tube (12) is formed by pressing, in particular by bulging, and for the purpose of forming a plurality of contact fingers (14) which are integral parts of the tube (12) form, is slotted, the free end portions of said contact fingers forming an inwardly flanged collar with a substantially U-shaped contour, which serves as a contact and as a field-equalizing shield.

3. Switch according to claim 1, characterized in that spring elements (17) are arranged between the metal sleeve (15) and the contact fingers (14) to increase the contact pressure.

4. Switch according to one of claims 1 or 3, characterized in that the metal sleeve (15) has at least approximately the same diameter as the non-compression-formed part of said first metal tube (12).

5. Switch according to one of claims 3 or 4, characterized in that the said spring elements (17) consist of a plurality of separate leaf springs.

6. Switch according to one of claims 3 or 4, characterized in that the said spring elements (17) consist of a ring (18) arranged around the contact fingers (14), and in that this ring is formed by an elastic wire bent into a large number of meandering loops, in such a way that the diameter of the ring decreases from the central section in the axial direction towards the ends of the ring.

7. Switch according to one of the preceding claims, characterized in that said first metal tube (12) consists of copper or a copper alloy.