EP0080690A2 - Method of extinguishing the arc in high-voltage high-power circuit breakers - Google Patents

Method of extinguishing the arc in high-voltage high-power circuit breakers Download PDF

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EP0080690A2
EP0080690A2 EP82110829A EP82110829A EP0080690A2 EP 0080690 A2 EP0080690 A2 EP 0080690A2 EP 82110829 A EP82110829 A EP 82110829A EP 82110829 A EP82110829 A EP 82110829A EP 0080690 A2 EP0080690 A2 EP 0080690A2
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    • H01H33/70—Switches with separate means for directing, obtaining, or increasing flow of arc-extinguishing fluid
    • H01H33/88—Switches with separate means for directing, obtaining, or increasing flow of arc-extinguishing fluid the flow of arc-extinguishing fluid being produced or increased by movement of pistons or other pressure-producing parts
    • H01H33/90—Switches with separate means for directing, obtaining, or increasing flow of arc-extinguishing fluid the flow of arc-extinguishing fluid being produced or increased by movement of pistons or other pressure-producing parts this movement being effected by or in conjunction with the contact-operating mechanism
    • H01H33/91—Switches with separate means for directing, obtaining, or increasing flow of arc-extinguishing fluid the flow of arc-extinguishing fluid being produced or increased by movement of pistons or other pressure-producing parts this movement being effected by or in conjunction with the contact-operating mechanism the arc-extinguishing fluid being air or gas
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    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H39/00—Switching devices actuated by an explosion produced within the device and initiated by an electric current

Definitions

  • the invention relates to a method for extinguishing the arc in high-voltage high-performance switches, in which higher pressures are used at least at the time when the switching contacts are disconnected in the switching chamber of the high-voltage high-performance switch.
  • the required pressurized gas is either taken from a container filled with compressed gas or the gas flow is connected to a movable switch contact of the switching section Piston within high voltage performance switch itself generated.
  • the flowing Höschgas absorbs energy from the arc and dissipates it.
  • only a fraction of the total energy dissipated remains in the switching chamber at the time of the voltage recovery. Nevertheless, at higher voltages, the switching path re-ignites due to insufficient solidification of the medium, which limits the switching voltage.
  • this high-voltage circuit breaker is also not suitable for cut off the current within a half cycle, working there in this high-voltage circuit breaker with high pressures to increase the dielectric strength in the switching chamber and is to be used to expand a sealable opening only for the rapid removal of the ionized partial 'chen.
  • the voltage that can be switched off per switching chamber is too low.
  • the invention seeks to remedy this.
  • the invention as characterized in the claims solves the Task to create a method for extinguishing the arc in high-voltage high-performance switches in which, using higher pressures in the switching chamber, the switching arc plasma is cooled more effectively and the dielectric path solidifies more quickly, and the current is switched off within a half-wave without re-ignition, characterized in that a short-term, electrically well-conducting high-pressure plasma, which is preferably a compression plasma or a shock wave plasma, takes over the current in the switching chamber when the switch contacts are opened, and that the switching-arc plasma is then effectively extinguished by relaxation of the electrically well-conducting high-pressure plasma.
  • the current when the switching contacts are opened is taken over by a lower current density than in the case of the self-discharging, electrically highly conductive high-pressure plasma.
  • the compression plasma is generated as an electrically highly conductive high-pressure plasma by a piston flying freely in a compression tube, the free-flying piston reversing after reaching the maximum compression, whereby the electrically highly conductive high-pressure plasma relaxes in the switching chamber and cools down in the process .
  • an effective extinguishing of the arc can be achieved without re-ignition in a high-voltage high-performance switch with a movable and a fixed switching contact, namely when synchronously switching off alternating currents, in that the piston is axially or radially at the time of zero current crossing by igniting a cartridge in the compression tube shot in, the connection between the switch contacts at this time interrupted and then the switching arc plasma is displaced from the discharge space of the switching chamber via a controllable valve.
  • the still existing plasma is strongly compressed by the piston, so that the piston reverses after its energy has been released.
  • the piston returns, cold insulating gas is sucked into the switching path via the controllable valve and the piston is pushed back into its starting position, with explosion gases being discharged from the compression tube at the same time.
  • An increase in the cooling rate of the high-pressure plasma can be achieved if, when a certain pressure is exceeded or as a function of a control signal in the switching chamber, a membrane or a valve is opened, which enables expansion into an expansion chamber which is at approximately normal pressure.
  • a cold gas of high dielectric strength is advantageously let into the switching chamber after falling below a predetermined pressure in the expansion phase.
  • the essence of the invention is to be seen in the fact that the energy dissipation from the switching arc plasma is not carried out by a more or less uniformly flowing quenching gas, but by the relaxation of a high-pressure plasma that is electrically conductive at the start of switching and that the switching path is solidified by a very effective cold blowing agent - And test gas is caused, which flows into the switching chamber when the pressure in the switching chamber has dropped below the pressure in an extinguishing gas container due to the expansion of the electrically highly conductive high pressure plasma.
  • Another feature of the method according to the invention is to be seen in this context in that the dielectric strength can be made much cheaper with a switching contact freely movable in the compression tube compared to a switching contact movably arranged in the compression tube in a conventional design, since even with a small tube diameter the now freely moving switching contact can be extended practically any distance, which in the other case would only be achievable with a larger pipe diameter.
  • the shock wave plasma is used in the method according to the invention as an electrically highly conductive high pressure plasma, this is preferably caused by the blasting of a membrane in front of the propellant gas tank of a switching chamber designed as a membrane shock tube, after its passage past the switching contacts with the arrival of the rear contact surface of the shock wave plasma the temperature of the shock wave plasma and thus its conductivity suddenly drops. The temperature drops below room temperature. For electrical conductivity, this means a decrease of at least eight orders of magnitude. The arc burning between the opening switching contacts can be extinguished very effectively in this way.
  • An increase in the cooling rate is achieved if, for example, when a certain pressure in the switching chamber 1 is exceeded, a membrane 5 is opened which allows expansion into an expansion chamber 6 which is at normal pressure If the dielectric strength of the switching path is increased, will a cold gas of high dielectric strength pass through the pipeline after falling below a predetermined pressure in the expansion phase? let into the switching chamber 1.
  • the drive for the free-flying piston 2 can be effected by a high-pressure gas shock from a propellant gas tank 8 or by ignition of a cartridge, not shown, filled with powder.
  • a shock wave plasma 9 runs through the switching chamber 1 a few ms after receiving a control signal, which plasma plasma 9 was caused by the explosion of the membrane 10 in front of the propellant gas tank 8 of the switching chamber 1.
  • the switching chamber 1 is designed as a membrane shock tube, so that the shock wave plasma 9 is not destroyed.
  • an electrically highly conductive high-pressure plasma is guided past the switching contacts 4 for a specific time, until the rear contact surface 11 of the shock wave plasma 9 arrives. With the arrival of the rear contact surface 11, the temperature of the highly conductive high-pressure plasma, as can be seen from the temperature distribution, and thus also its conductivity, jumps, in such a way that the temperature falls below room temperature.
  • a reflected shock wave is prevented from returning to the switching chamber 1.
  • the duration of the high conductivity phase can be determined by the choice of pressures and types of gas for the propellant gas and the test gas and by the choice of the distance of the switching chamber 1 from the membrane 10.
  • the high pressure required for the propellant gas tank 8 must either be maintained continuously or it can be generated by strong, brief electrical discharge.
  • a piston 2 made of insulating material is injected axially to the arrangement of the switching contacts 4 by ignition of a cartridge 14 - process stage a - in such a way that it reaches the discharge path at the time of zero current - process stage b -.
  • the switching arc plasma 15 is displaced from the discharge space via a controllable inlet and outlet valve 16 - process stage c -.
  • the gap between the piston 2 and the tube wall of the compression tube 3 must be sufficiently small and the length of the piston 2 must be dimensioned so that the dielectric load can be borne.
  • the compression tube 3 consists of electrically non-conductive material.
  • the plasma remaining in a certain residual volume is strongly compressed - process stage d - so that the piston 2 reverses after its energy has been completely released. He sucks in cold gas via the controllable inlet and outlet valve 16 and thus leaves a sufficiently well insulating medium in the switching path. The cold gas brings the piston 2 back to its starting position and locks it there, at the same time exploding gases from the compression tube 3 a controllable outlet valve 17 removed - process stage e -.
  • the magazine containing the cartridges 14 for the piston drive is also advanced.
  • the side of the piston 2 facing the switching arc plasma 15 must have a protective layer against thermal and radiation influences.
  • the piston movement can be used to shift the movable switching contact of the switching contacts 4 or support the shift.

Abstract

1. A method of extinguishing the arc in high voltage high power circuit breakers comprising the following steps : (A) momentarily generating an electrically highly conductive high pressure plasma by means of a free-floating piston (2) in a compression tube (3), (B) opening the switch contacts and taking up the current by the high pressure plasma, and (C) extinguishing the switching arc in relieving the high pressure plasma by reversal of the direction of movement of the freely floating piston (2) (Figs. 1, 3).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Löschen des Lichtbogens in Hochspannungs-Hochleistungsschaltern, bei dem zumindest zum Zeitpunkt der Trennung der Schaltkontakte in der Schaltkammer des Hochspannungs-Hochleistungsschalters mit höheren Drücken gearbeitet wird.The invention relates to a method for extinguishing the arc in high-voltage high-performance switches, in which higher pressures are used at least at the time when the switching contacts are disconnected in the switching chamber of the high-voltage high-performance switch.

Zum Löschen des beim Ausschalten hoher Ströme entstehenden Lichtbogens sind Verfahren bekannt, die simultan zum Trennvorgang der Schaltkontakte eine mit einer Strömung verbundene Druckerhöhung in der Schaltkammer des Hochspannungsleistungsschalters bewirken, die zu einer effektiven Abkühlung des Lichtbogenplasmas, zum Verlöschen des Lichtbogens beim Nulldurchgang des Stromes sowie zu einer dielektrischen Verfestigung der Schaltstrecke führen soll. Dabei wird der Lichtbogen durch ein Gas oder durch Gasgemische, wie z. B. Luft oder Schwefelhexafluorid, beströmt bzw. beblasen. Unabhängig davon, ob nun bei den bekannten Hochspännungsleistungsschaltern die Beblasung der Schaltstrecke vor oder nach der Trennung der Schaltkontakte einsetzt, wird das dazu erforderliche unter Druck stehende höschgas entweder einem mit Druckgas gefüllten Behälter entnommen oder die höschgasströmung wird durch die mit einem beweglichen Schaltkontakt der Schaltstrecke verbundenen Kolben innerhalb des Hochspannungsleistungsschalters selbst erzeugt. Dabei nimmt das strömende höschgas Energie aus dem Lichtbogen auf und führt sie ab. Infolge der Strömung ist zum Zeitpunkt der Spannungswiederkehr nur noch ein Bruchteil der insgesamt abgeführten Energie in der Schaltkammer vorhanden. Dennoch kommt es bei höheren Spannungen zum Wiederzünden der Schaltstrecke aufgrund einer ungenügenden Verfestigung des Mediums, wodurch die Schaltspannung begrenzt ist. Nun sind zwar auch Hochspannungsleistungsschalter bekannt, bei denen die Löschmittelströmung mittels des Energieinhaltes des Lichtbogens selbst erzeugt wird, indem die Zersetzung von flüssigen oder festen Stoffen vorgesehen ist, aber es hat sich gezeigt, daß auch bei diesen sowie bei allen anderen bekannten Hochspannungsleistungsschaltern es bisher nicht gelungen ist, den Strom innerhalb einer Halbwelle abzuschalten. Weiterhin sind auch diese bekannten Hochspannungsleistungsschalter mit dem Nachteil behaftet, daB die pro Schaltkammer abschaltbare Spannung zu gering ist.Methods for extinguishing the arc that arises when switching off high currents are known which, simultaneously with the disconnection process of the switching contacts, bring about a pressure increase in the switching chamber of the high-voltage circuit breaker which is associated with a flow and which effectively cool the arc plasma, extinguish the arc when the current passes zero, and also a dielectric solidification of the switching path. The arc is by a gas or by gas mixtures, such as. B. air or sulfur hexafluoride, or blown. Regardless of whether the known high-voltage circuit breakers are blown before or after the switching contacts have been disconnected, the required pressurized gas is either taken from a container filled with compressed gas or the gas flow is connected to a movable switch contact of the switching section Piston within high voltage performance switch itself generated. The flowing Höschgas absorbs energy from the arc and dissipates it. As a result of the flow, only a fraction of the total energy dissipated remains in the switching chamber at the time of the voltage recovery. Nevertheless, at higher voltages, the switching path re-ignites due to insufficient solidification of the medium, which limits the switching voltage. Now high-voltage circuit breakers are also known, in which the extinguishing agent flow is generated by means of the energy content of the arc itself, by the decomposition of liquid or solid substances, but it has been shown that this has not been the case with these and with all other known high-voltage circuit breakers succeeded in switching off the current within a half wave. Furthermore, these known high-voltage circuit breakers also have the disadvantage that the voltage that can be switched off per switching chamber is too low.

Obwohl es nach der DD-PS 79 061, H 01 H, 33/64, auch schon bekannt ist, bei Hochspannungsleistungsschaltern mit höheren statischen Drücken in der Schaltkammer zu arbeiten, wobei Expansionseffekte ebenfalls berücksichtigt werden, ist auch dieser Hochspannungsleistungsschalter nicht dazu geeignet, um den Strom innerhalb einer Halbwelle abzuschalten, da bei diesem Hochspannungsleistungsschalter nur mit hohen Drücken zur Erhöhung der Durchschlagfestigkeit in der Schaltkammer gearbeitet wird und eine Expansion über eine verschließbare Öffnung lediglich zum schnellen Abtransport der ionisierten Teil-' chen genutzt werden soll. Auch hier ist die pro Schaltkammer abschaltbare Spannung zu gering.Although it is also known according to DD-PS 79 061, H 01 H, 33/64, to work with high-voltage circuit breakers with higher static pressures in the switching chamber, whereby expansion effects are also taken into account, this high-voltage circuit breaker is also not suitable for cut off the current within a half cycle, working there in this high-voltage circuit breaker with high pressures to increase the dielectric strength in the switching chamber and is to be used to expand a sealable opening only for the rapid removal of the ionized partial 'chen. Here too, the voltage that can be switched off per switching chamber is too low.

Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Die Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, löst die Aufgabe, ein Verfahren zum Löschen des.Lichtbogens in Hochspannungs-Hochleistungsschaltern zu schaffen, bei dem unter Anwendung höherer Drücke in der Schaltkammer eine effektivere Abkühlung des Schalt lichtbogenplasmas und eine schnellere dielektrische Verfestigung der Schaltstrecke erreicht und der Strom innerhalb einer Halbwelle ohne Wiederzündung abgeschaltet wird, dadurch, daß ein zum Schaltzeitpunkt kurzzeitig erzeugtes, elektrisch gut leitendes Hochdruckplasma, das vorzugsweise ein Kompressionsplasma oder ein StoBwellenplasma ist, in der Schaltkammer den Strom beim öffnen der Schaltkontakte übernimmt, und daB danach durch Entspannung des elektrisch gut leitenden Hochdruckplasmas das Schaltlichtbogenplasma wirksam gelöscht wird. Dabei wird zwecks Schonung der Schaltkontakte der Strom beim Öffnen der Schaltkontakte von einem eine geringere Stromdichte als im Falle der selbständigen Entladung besitzenden elektrisch gut leitenden Hochdruckplasma übernommen.The invention seeks to remedy this. The invention as characterized in the claims solves the Task to create a method for extinguishing the arc in high-voltage high-performance switches in which, using higher pressures in the switching chamber, the switching arc plasma is cooled more effectively and the dielectric path solidifies more quickly, and the current is switched off within a half-wave without re-ignition, characterized in that a short-term, electrically well-conducting high-pressure plasma, which is preferably a compression plasma or a shock wave plasma, takes over the current in the switching chamber when the switch contacts are opened, and that the switching-arc plasma is then effectively extinguished by relaxation of the electrically well-conducting high-pressure plasma. In order to protect the switching contacts, the current when the switching contacts are opened is taken over by a lower current density than in the case of the self-discharging, electrically highly conductive high-pressure plasma.

In weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Kompressionsplasma als elektrisch gut leitendes Hochdruckplasma durch einen in einem Kompressionsrohr frei fliegenden Kolben erzeugt, wobei nach Erreichen der maximalen Kompression der frei fliegende Kolben umkehrt, wodurch das elektrisch gut leitende Hochdruckplasma sich in der Schaltkammer entspannt und dabei abkühlt.In a further embodiment of the method according to the invention, the compression plasma is generated as an electrically highly conductive high-pressure plasma by a piston flying freely in a compression tube, the free-flying piston reversing after reaching the maximum compression, whereby the electrically highly conductive high-pressure plasma relaxes in the switching chamber and cools down in the process .

Vorteilhaft läßt sich ein wirksames Löschen des Lichtbogens ohne Wiederzünden in einem Hochspannungs-Hochleistungsschalter mit einem beweglichen und einem feststehenden Schaltkontakt, und zwar beim synchronen Abschalten von Wechselströmen dadurch erreichen, daß der Kolben zum Zeitpunkt des Stromnulldurchganges axial oder radial durch Zünden einer Kartusche in das Kompressionsrohr eingeschossen, die Verbindung zwischen den Schaltkontakten zu diesem Zeitpunkt unterbrochen und anschließend das Schaltlichtbogenplasma aus dem Entladungsraum der Schaltkammer über ein steuerbares Ventil verdrängt wird. Das noch vorhandene Plasma wird dabei durch den Kolben stark komprimiert, so daß der Kolben nach Abgabe seiner Energie umkehrt. Beim Rücklauf des Kolbens wird über das steuerbare Ventil kaltes Isoliergas in die Schaltstrecke gesaugt und der Kolben in seine Ausgangsposition zurückgeschoben, wobei gleichzeitig Explosionsgase aus dem Kompressionsrohr abgeführt werden.Advantageously, an effective extinguishing of the arc can be achieved without re-ignition in a high-voltage high-performance switch with a movable and a fixed switching contact, namely when synchronously switching off alternating currents, in that the piston is axially or radially at the time of zero current crossing by igniting a cartridge in the compression tube shot in, the connection between the switch contacts at this time interrupted and then the switching arc plasma is displaced from the discharge space of the switching chamber via a controllable valve. The still existing plasma is strongly compressed by the piston, so that the piston reverses after its energy has been released. When the piston returns, cold insulating gas is sucked into the switching path via the controllable valve and the piston is pushed back into its starting position, with explosion gases being discharged from the compression tube at the same time.

Eine Steigerung der Abkühlrate des Hochdruckplasmas kann erreicht werden, wenn bei Überschreiten eines bestimmten Druckes oder in Abhängigkeit von einem Steuersignal in der Schaltkammer eine Membran oder ein Ventil geöffnet wird, durch die bzw. das eine Expansion in eine etwa auf Normaldruck befindliche Expansionskammer ermöglicht wird. Um die Durchschlagfestigkeit der Schaltstrecke zu erhöhen, wird vorteilhaft nach Unterschreiten eines vorgegebenen Druckes in der Expansionsphase ein kaltes Gas hoher dielektrischer Festigkeit in die Schaltkammer eingelassen.An increase in the cooling rate of the high-pressure plasma can be achieved if, when a certain pressure is exceeded or as a function of a control signal in the switching chamber, a membrane or a valve is opened, which enables expansion into an expansion chamber which is at approximately normal pressure. In order to increase the dielectric strength of the switching path, a cold gas of high dielectric strength is advantageously let into the switching chamber after falling below a predetermined pressure in the expansion phase.

Somit ist das Wesen der Erfindung darin zu sehen, daß die Energieabfuhr aus dem Schaltlichtbogenplasma nicht durch ein mehr oder weniger gleichmäßig strömendes Löschgas erfolgt, sondern durch die Entspannung eines zum Schaltbeginn elektrisch gut leitenden Hochdruckplasmas und daß die Verfestigung der Schaltstrecke durch ein sehr effektives kaltes Treib- und Testgas bewirkt wird, das in die Schaltkammer einströmt, wenn der Druck in der Schaltkammer infolge der Entspannung des elektrisch gut leitenden Hochdruckplasmas unter den Druck in einem Löschgasbehälter gesunken ist.Thus, the essence of the invention is to be seen in the fact that the energy dissipation from the switching arc plasma is not carried out by a more or less uniformly flowing quenching gas, but by the relaxation of a high-pressure plasma that is electrically conductive at the start of switching and that the switching path is solidified by a very effective cold blowing agent - And test gas is caused, which flows into the switching chamber when the pressure in the switching chamber has dropped below the pressure in an extinguishing gas container due to the expansion of the electrically highly conductive high pressure plasma.

Das Unterbrechen der Verbindung bei Stromnulldurchgang durch den im Kompressionsrohr frei fliegenden Kolben, der zweckmäßigerweise mit isolierendem Material gegen thermisehe und Strahlungsbelastung versehen sein sollte, setzt zum Löschen des Schaltlichtbogenplasmas nicht zwingend die Erzeugung eines elektrisch gut leitenden Hochdruckplasmas gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren voraus. Damit entfällt auch ein großer Energiespeicher, um den Kolben über ein hochgespanntes Treibgas zu beschleunigen. Ein weiteres Merkmal des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in diesem Zusammenhang darin zu sehen, daß die Spannungsfestigkeit sich mit einem im Kompressionsrohr frei beweglichen Schaltkontakt gegenüber einem im Kompressionsrohr beweglich angeordneten Schaltkontakt in herkömmlicher Ausführung wesentlich günstiger gestalten läßt, da selbst bei kleinem Rohrdurchmesser der nunmehr frei bewegliche Schaltkontakt praktisch beliebig weit ausgefahren werden kann, was im anderen Falle nur durch größeren Rohrdurchmesser zu erreichen wäre.Interrupting the connection at zero current through the piston flying freely in the compression tube, which expediently with insulating material against thermi see and should be provided with radiation exposure, does not necessarily require the generation of an electrically highly conductive high-pressure plasma according to the inventive method to extinguish the switching arc p lasmas. This also eliminates the need for a large energy storage device to accelerate the piston using a high-pressure propellant. Another feature of the method according to the invention is to be seen in this context in that the dielectric strength can be made much cheaper with a switching contact freely movable in the compression tube compared to a switching contact movably arranged in the compression tube in a conventional design, since even with a small tube diameter the now freely moving switching contact can be extended practically any distance, which in the other case would only be achievable with a larger pipe diameter.

Wird dagegen bei dem erfindungsgemäßen Verfahren als elektrisch gut leitendes Hochdruckplasma das StoBwellenplasma zur Anwendung gebracht, so wird dieses vorzugsweise durch das Sprengen einer Membran vor dem Treibgastank einer als MembranstoBrohr ausgebildeten Schaltkammer verursacht, nach dessen Vorbeiführung an den Schaltkontakten mit dem Eintreffen der hinteren Kontaktfläche des Stoßwellenplasmas die Temperatur des Stoßwellenplasmas und damit auch seine Leitfähigkeit sprunghaft abnimmt. Dabei fällt die Temperatur unter Raumtemperatur. Das bedeutet für die elektrische Leitfähigkeit eine Abnahme um mindestens acht Größenordnungen. Der zwischen den sich öffnenden Schaltkontakten brennende Lichtbogen kann auf diese Weise sehr wirkungsvoll gelöscht werden.If, on the other hand, the shock wave plasma is used in the method according to the invention as an electrically highly conductive high pressure plasma, this is preferably caused by the blasting of a membrane in front of the propellant gas tank of a switching chamber designed as a membrane shock tube, after its passage past the switching contacts with the arrival of the rear contact surface of the shock wave plasma the temperature of the shock wave plasma and thus its conductivity suddenly drops. The temperature drops below room temperature. For electrical conductivity, this means a decrease of at least eight orders of magnitude. The arc burning between the opening switching contacts can be extinguished very effectively in this way.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von drei Ausführungsbeispiele darstellenden Zeichnungen näher erläutert.In the following, the invention is explained in more detail with reference to drawings showing three exemplary embodiments.

Es zeigen

  • Figur 1 in schematischer Darstellung einen Hochspannungs-Hochleistungsschalter, bei dem das elektrisch gut leitende Hochdruckplasma durch einen frei fliegenden Kolben erzeugt wird,
  • Figur 2 ebenfalls in schematischer Darstellung einen Hochspannungs-Hochleistungsschalter, bei dem das Stoßwellenplasma als elektrisch gut leitendes Hochdruckplasma durch das Sprengen einer Membran vor dem Treibgastank verursacht wird, wobei gleichzeitig die Temperaturverteilung zur Zeit t1 dargestellt wird und
  • Figur 3 eine weitere schematische Darstellung eines Hochspannungs-Hochleistungsschalters im Schnitt, bei dem die Verfahrensstufen a - e den Verfahrensablauf zur Löschung des Lichtbogenplasmas durch einen frei fliegenden Kolben im Kompressionsrohr bei einer beweglichen Anordnung eines der Schaltkontakte charakterisieren.
Show it
  • 1 shows a schematic illustration of a high-voltage high-power switch in which the electrically highly conductive high-pressure plasma is generated by a free-flying piston,
  • Figure 2 is also a schematic representation of a high-voltage high-power switch, in which the shock wave plasma as an electrically highly conductive high pressure plasma is caused by the blasting of a membrane in front of the propellant gas tank, the temperature distribution at the time t 1 being shown and
  • FIG. 3 shows a further schematic illustration of a high-voltage high-performance switch in section, in which process stages a - e characterize the process sequence for extinguishing the arc plasma by a free-flying piston in the compression tube with a movable arrangement of one of the switch contacts.

Bei dem in'Fig. 1 dargestellten Hochspannungs-Hochleistungsschalter wird in einer Schaltkammer 1 wenige.ms nach Erhalt eines Steuersignals durch schnelle Kompression des Schaltkammergases mit Hilfe eines druckgetriebenen, frei fliegenden Kolbens 2 innerhalb eines Kompressionsrohres 3 ein elektrisch gut leitendes Hochdruckplasma erzeugt, das den Strom beim Öffnen der Schaltkontakte 4 übernimmt, und zwar mit einer geringeren Stromdichte als im Falle der selbständigen Entladung. Nach Erreichen der maximalen Kompression kehrt der frei fliegende Kolben 2 um. Das elektrisch gut leitende Hochdruckplasma in der Schaltkammer 1 entspannt sich und kühlt dabei ab. Eine Steigerung der Abkühlrate wird erreicht, wenn beispielsweise bei Überschreiten eines bestimmten Druckes in der Schaltkammer 1 eine Membran 5 geöffnet wird, die die Expansion in eine Expansionskammer 6 erlaubt, die sich auf Normaldruck befindet Soll die Durchschlagfestigkeit der Schaltstrecke erhöht werden, so wird nach Unterschreiten eines vorgegebenen Druckes in der Expansionsphase ein kaltes Gas hoher dielektrischer Festigkeit über die Rohrleitung ? in die Schaltkammer 1 eingelassen. Der Antrieb für den frei fliegenden Kolben 2 kann durch einen HochdruckgasstoB aus einem Treibgastank 8 oder aber durch Zündung einer nicht weiter dargestellten, mit Pulver gefüllten Kartusche bewirkt werden.With the in'Fig. 1 high-voltage high-performance switch shown is a few.ms after receiving a control signal by rapid compression of the switching chamber gas with the help of a pressure-driven, free-flying piston 2 within a compression tube 3, an electrically highly conductive high pressure plasma that generates the current when opening the switching contacts 4th takes over, and with a lower current density than in the case of self-discharge. After the maximum compression has been reached, the free-flying piston 2 reverses. The electrically highly conductive high-pressure plasma in the switching chamber 1 relaxes and cools down in the process. An increase in the cooling rate is achieved if, for example, when a certain pressure in the switching chamber 1 is exceeded, a membrane 5 is opened which allows expansion into an expansion chamber 6 which is at normal pressure If the dielectric strength of the switching path is increased, will a cold gas of high dielectric strength pass through the pipeline after falling below a predetermined pressure in the expansion phase? let into the switching chamber 1. The drive for the free-flying piston 2 can be effected by a high-pressure gas shock from a propellant gas tank 8 or by ignition of a cartridge, not shown, filled with powder.

Gemäß dem Hochspannungs-Hochleistungsschalter nach Fig. 2 läuft wenige ms nach Erhalt eines Steuersignals ein Stoßwellenplasma 9 durch die Schaltkammer 1, das durch das Sprengen der Membran 10 vor dem Treibgastank 8 der Schaltkammer 1 verursacht wurde. Dabei ist die Schaltkammer 1 als Membranstoßrohr ausgebildet, so daB das StoBwellenplasma 9 nicht zunichte gemacht wird. Dadurch wird für eine bestimmte Zeit, und zwar bis zum Eintreffen der hinteren Kontaktfläche 11 des StoBwellenplasmas 9, ein elektrisch gut leitendes Hochdruckplasma an den Schaltkontakten 4 vorbeigeführt. Mit dem Eintreffen der hinteren Kontaktfläche 11 nimmt die Temperatur des elektrisch gut leitenden Hochdruckplasmas, wie der Temperaturverteilung zu entnehmen ist, und damit auch seine Leitfähigkeit sprunghaft ab, und zwar derart, daB die Temperatur unter Raumtemperatur fällt. Indem das eine Ende 12 der als MembranstoBrohr ausgebildeten Schaltkammer 1 mit einem DämpfungsgefäB 13 in Verbindung steht, wird verhindert, daß eine reflektierte Stoßwelle zur Schaltkammer 1 zurückkehrt. Die Dauer der Phase hoher Leitfähigkeit kann durch ,die Wahl der Drücke und der Gasarten für das Treibgas und das Testgas sowie durch die Wahl der Entfernung der Schaltkammer 1 von der Membran 10 bestimmt werden. Der hohe Druck, der für den Treibgastank 8 benötigt wird, muB entweder ständig aufrecht erhalten werden, oder er kann durch starke, kurzzeitige elektrische Entladung erzeugt werden.According to the high-voltage high-performance switch according to FIG. 2, a shock wave plasma 9 runs through the switching chamber 1 a few ms after receiving a control signal, which plasma plasma 9 was caused by the explosion of the membrane 10 in front of the propellant gas tank 8 of the switching chamber 1. The switching chamber 1 is designed as a membrane shock tube, so that the shock wave plasma 9 is not destroyed. As a result, an electrically highly conductive high-pressure plasma is guided past the switching contacts 4 for a specific time, until the rear contact surface 11 of the shock wave plasma 9 arrives. With the arrival of the rear contact surface 11, the temperature of the highly conductive high-pressure plasma, as can be seen from the temperature distribution, and thus also its conductivity, jumps, in such a way that the temperature falls below room temperature. By connecting one end 12 of the switching chamber 1, which is designed as a membrane thrust tube, to a damping vessel 13, a reflected shock wave is prevented from returning to the switching chamber 1. The duration of the high conductivity phase can be determined by the choice of pressures and types of gas for the propellant gas and the test gas and by the choice of the distance of the switching chamber 1 from the membrane 10. The high pressure required for the propellant gas tank 8 must either be maintained continuously or it can be generated by strong, brief electrical discharge.

Gemäß Fig. 3 wird nach Erhalt eines Steuersignals ein Kolben 2 aus isolierendem Material axial zur Anordnung der Schaltkontakte 4 durch Zündung einer Kartusche 14 eingeschossen - Verfahrensstufe a - derart, daß er zum Zeitpunkt des Stromnulldurchganges die Entladungsstrecke erreicht - Verfahrensstufe b - . Dadurch wird das Schaltlichtbogenplasma 15 aus dem Entladungsraum über ein steuerbares Ein- und Auslaßventil 16 verdrängt - Verfahrensstufe c - . Dazu muß der Spalt zwischen dem Kolben 2 und der Rohrwand des Kompressionsrohres 3 hinreichend klein sein und die Länge des Kolbens 2 muß so bemessen sein, daß die dielektrische Belastung getragen werden kann. Dazu ist es erforderlich, daß das Kompressionsrohr 3 aus elektrisch nicht leitendem Material besteht. Das in einem bestimmten Restvolumen verbleibende Plasma wird stark komprimiert - Verfahrensstufe d - so daß der Kolben 2 nach vollständiger Abgabe seiner Energie umkehrt. Dabei saugt er kaltes Gas über das steuerbare Ein- und Auslaßventil 16 an und hinterläßt so in der Schaltstrecke ein hinreichend gut isolierendes Medium, Durch das Kaltgas wird der Kolben 2 wieder in seine Ausgangslage gebracht und dort arretiert, gleichzeitig werden Explosionsgase aus dem Kompressionsrohr 3 über ein steuerbares Auslaßventil 17 abgeführt - Verfahrensstufe e - . Es wird zugleich das Magazin weitergestellt, das die Kartuschen 14 zum Kolbenantrieb enthält. Die dem Schaltlichtbogenplasma 15 zugewandte Seite des Kolbens 2 muß eine Schutzschicht gegen thermische und Strahlungseinflüsse tragen. In der hier erläuterten Variante mit axialem EinschuB kann die Kolbenbewegung zur Verschiebung des beweglichen Schaltkontaktes der Schaltkontakte 4 ausgenutzt werden bzw. die Verschiebung unterstützen.According to FIG. 3, after receiving a control signal, a piston 2 made of insulating material is injected axially to the arrangement of the switching contacts 4 by ignition of a cartridge 14 - process stage a - in such a way that it reaches the discharge path at the time of zero current - process stage b -. As a result, the switching arc plasma 15 is displaced from the discharge space via a controllable inlet and outlet valve 16 - process stage c -. For this purpose, the gap between the piston 2 and the tube wall of the compression tube 3 must be sufficiently small and the length of the piston 2 must be dimensioned so that the dielectric load can be borne. For this it is necessary that the compression tube 3 consists of electrically non-conductive material. The plasma remaining in a certain residual volume is strongly compressed - process stage d - so that the piston 2 reverses after its energy has been completely released. He sucks in cold gas via the controllable inlet and outlet valve 16 and thus leaves a sufficiently well insulating medium in the switching path. The cold gas brings the piston 2 back to its starting position and locks it there, at the same time exploding gases from the compression tube 3 a controllable outlet valve 17 removed - process stage e -. The magazine containing the cartridges 14 for the piston drive is also advanced. The side of the piston 2 facing the switching arc plasma 15 must have a protective layer against thermal and radiation influences. In the variant with axial insertion explained here, the piston movement can be used to shift the movable switching contact of the switching contacts 4 or support the shift.

Claims (8)

1. Verfahren zum Löschen des Lichtbogens in Hochspannungs Hochleistungsschaltern, bei dem zumindest zum Zeitpunkt der Trennung der Schaltkontakte in der Schaltkammer des Hochspannungs-Hochleistungsschalters mit höheren Drücken gearbeitet wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein zum Schaltzeitpunkt kurzzeitig erzeugtes, elektrisch gut leitendes Hochdruckplasma, das vorzugsweise ein Kompressionsplasma oder ein StoBwellenplasma (9) ist, in der Schaltkammer (1) den Strom beim Öffnen der Schaltkontakte (4) übernimmt und daß danach durch Entspannung des elektrisch gut leitenden Hochdruckplasmas das Schaltlichtbogenplasma wirksam gelöscht wird.1. Method for extinguishing the arc in high-voltage high-performance switches, in which work is carried out at higher pressures at least at the point in time at which the switching contacts are separated in the switching chamber of the high-voltage high-performance switch,
characterized,
that a short-term, electrically well-conductive high-pressure plasma, which is preferably a compression plasma or a shock wave plasma (9), takes over the current in the switching chamber (1) when the switch contacts (4) are opened, and that thereafter by relaxing the electrically highly conductive high-pressure plasma the switching arc plasma is effectively extinguished. 2. Verfahren nach Patentanspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Strom beim Öffnen der Schaltkontakte (4) von einem eine geringere Stromdichte als im Falle der selbständigen Entladung besitzenden elektrisch gut leitenden Hochdruckplasma übernommen wird.2. The method according to claim 1,
characterized,
that the current when the switch contacts (4) are opened is taken over by a lower current density than in the case of the self-discharging, electrically highly conductive high-pressure plasma. 3. Verfahren nach Patentanspruch 1 und 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Kompressionsplasma als elektrisch gut leitendes Hochdruckplasma durch einen in einem Kompressionsrohr (3) frei fliegenden Kolben erzeugt wird und daß nach Erreichen der maximalen Kompression der frei fliegende Kolben (2) umkehrt.3. The method according to claim 1 and 2,
characterized,
that the compression plasma is generated as an electrically highly conductive high pressure plasma by a piston flying freely in a compression tube (3) and that after the maximum compression has been reached, the free flying piston (2) reverses. 4. Verfahren nach Patentanspruch 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Kolben (2) unmittelbar beim Stromnulldurchgang axial oder radial durch Zünden einer Kartusche (14) in die Schaltstrecke des Kompressionsrohres (3) eingeschossen wird und zu diesem Zeitpunkt die Verbindung zwischen den Schaltkontakten (4) unterbricht und anschließend das Schaltlichtbogenplasma (15) aus dem Entladungsraum der Schaltkammer (1) verdrängt wird.4. The method according to claim 1 to 3,
characterized,
that the piston (2) is injected axially or radially into the switching path of the compression tube (3) immediately at zero current by igniting a cartridge (14) and at this time interrupts the connection between the switching contacts (4) and then the switching arc plasma (15) the discharge space of the switching chamber (1) is displaced. 5. Verfahren nach Patentanspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß die durch die Umkehr des frei fliegenden Kolbens (2) erreichte Abkühlung des elektrisch gut leitenden Hochdruckplasmas erhöht wird, indem bei Überschreiten eines bestimmten Druckes oder in Abhängigkeit von einem Steuersignal in der Schaltkammer (1) eine Membran (5) oder ein Ventil geöffnet wird, durch die bzw. das eine Expansion in eine etwa auf Normaldruck befindliche Expansionskammer (6) ermöglicht wird.5. The method according to claim 3,
characterized,
that the cooling of the electrically highly conductive high pressure plasma achieved by the reversal of the free-flying piston (2) is increased by opening a membrane (5) or a valve when a certain pressure is exceeded or as a function of a control signal in the switching chamber (1) , by means of which an expansion into an expansion chamber (6) which is approximately at normal pressure is made possible. 6. Verfahren nach Patentanspruch 3 und 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß nach Unterschreiten eines vorgegebenen Druckes in der Expansionsphase ein kaltes Gas hoher dielektrischer Festigkeit in die Schaltkammer (1) eingelassen wird.6. The method according to claim 3 and 5,
characterized,
that after falling below a predetermined pressure in the expansion phase, a cold gas of high dielectric strength is let into the switching chamber (1). 7. Verfahren nach Patentanspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß kaltes Isoliergas beim Rücklauf des Kolbens (2) in die Schaltstrecke der Schaltkammer (1) gesaugt und der Kolben (2) vom Kaltgas in seine Ausgangsposition geschoben und arretiert wird und gleichzeitig Explosionsgase aus dem Kompressionsrohr (3) abgeführt werden.7. The method according to claim 4,
characterized,
that cold insulating gas is sucked into the switching path of the switching chamber (1) when the piston (2) returns and the piston (2) is pushed and locked into its starting position by the cold gas and at the same time explosion gases are discharged from the compression tube (3). B. Verfahren nach Patentanspruch 1 und 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Stoßwellenplasma (9) als elektrisch gut leitendes Hochdruckplasma vorzugsweise durch das Sprengen einer Membran (10) vor dem Treibgastank (8) einer als MembranstoBrohr ausgebildeten Schaltkammer (1) verursacht wird, nach dessen Vorbeiführung an den Schaltkontakten (4) mit dem Eintreffen der hinteren Kontaktfläche (11) des StoBwellenplasmas (9) die Temperatur des StoBwellenplasmas (9) und damit auch seine Leitfähigkeit sprunghaft abnimmt.B. Method according to claim 1 and 2,
characterized,
that the shock wave plasma (9) as an electrically highly conductive high-pressure plasma is preferably caused by the blasting of a membrane (10) in front of the propellant gas tank (8) of a switching chamber (1) designed as a membrane push tube, after its passage past the switching contacts (4) with the arrival of the rear contact surface (11) of the shock wave plasma (9) the temperature of the shock wave plasma (9) and thus its conductivity suddenly decreases.
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