EP0556478B1 - Trennschalter für eine metallgekapselte gasisolierte Hochspannungsanlage - Google Patents

Trennschalter für eine metallgekapselte gasisolierte Hochspannungsanlage Download PDF

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EP0556478B1
EP0556478B1 EP92121436A EP92121436A EP0556478B1 EP 0556478 B1 EP0556478 B1 EP 0556478B1 EP 92121436 A EP92121436 A EP 92121436A EP 92121436 A EP92121436 A EP 92121436A EP 0556478 B1 EP0556478 B1 EP 0556478B1
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electrode
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ABB AB
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ABB Asea Brown Boveri Ltd
Asea Brown Boveri AB
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    • H01H33/02—Details
    • H01H33/04—Means for extinguishing or preventing arc between current-carrying parts
    • H01H33/045—Means for extinguishing or preventing arc between current-carrying parts for arcs formed during closing

Definitions

  • the invention is based on a disconnector for a metal-encapsulated gas-insulated high-voltage system with two switching pieces that are movable relative to one another on an axis and each provided with a shielding electrode, each of which has a pre-ignition electrode held on the axis during a switching operation.
  • Disconnectors for metal-encapsulated gas-insulated high-voltage systems should be designed in such a way that pre-ignition during a switching process does not lead to cross-breakdowns and thus to short-circuits with the metal encapsulation.
  • the cause of transverse breakdowns lies in the statistical spatial expansion of a leader discharge during the pre-ignition phase and the subsequent reversal of the originally dominant axial distribution of the electric field into a dominant radial field distribution after the leader discharge originating from one of the two contact pieces has reached the counter contact piece.
  • a disconnector of the type mentioned is known from DE 33 44 179 A1.
  • the known disconnector has large-area shielding electrodes which are very extensive in the radial direction. This suppresses intensive penetration of the radial component of the prevailing electrical field into the region in which a leader initiated during a switching process expands.
  • the known isolating switch since the voltages required in the high-voltage system have to be maintained between the shielding electrodes and the grounded metal encapsulation, the known isolating switch inevitably also results in large and therefore uneconomical dimensions of the metal encapsulation.
  • the invention solves the problem of creating a disconnector of the type mentioned, in which, despite the small dimensions in the radial direction, undesirable transverse breakdowns are very likely to be avoided.
  • the disconnector according to the invention has a disconnector geometry in which the spatial expansion of the leader discharge is reduced and the leader is concentrated on areas close to the axis. Therefore, there is only a comparatively low residual risk that a leader branching extending in the radial direction and initiating a transverse breakdown can develop. Accordingly, shielding electrodes that protrude at a comparable residual risk are superfluous and thus smaller dimensions of the metal encapsulation can also be realized.
  • the single figure shows an embodiment of the disconnector according to the invention, in which the disconnector is shown in the left half in the on state and in the right half during switching off.
  • the disconnector shown in the single figure has a tubular and with an insulating gas, such as SF6 of up to a few bar pressure, filled and at ground potential metal enclosure 1 with a tube axis 2.
  • an insulating gas such as SF6 of up to a few bar pressure
  • metal enclosure 1 with a tube axis 2.
  • the contact piece 3 is arranged in a fixed manner and, in addition to the shielding electrode 5, contains a pin-shaped pre-ignition electrode 7 which extends along the axis 2.
  • the pre-ignition electrode 7 has a contact part 8 which is advantageously made of a material suitable for electrical resistances consists.
  • the shielding electrode 5 surrounds the pre-ignition electrode 7 concentrically to form a hollow cylindrical intermediate space 9 and extends in the axial direction approximately as much as the pre-ignition electrode 7.
  • Contact elements 10 are fastened on the inner surface of the shielding electrode 5 which delimits the intermediate space 9 radially outwards.
  • the switching piece 4 has predominantly movably arranged parts. It contains a tubular contact carrier 11 which can be displaced in the axial direction by a drive (not shown) and to whose end facing the contact piece 3 a pre-ignition electrode 12 is fastened.
  • the contact carrier 11 is guided through the fixed and concentrically arranged shielding electrode 6.
  • the shielding electrode 6 On the inner surface facing the contact carrier 11, the shielding electrode 6 carries contact elements 13 which rest on the contact carrier 11 in a sliding manner.
  • the pre-ignition electrode 12 has a hollow cylindrical contact part 14 and a bead 16 concentrically surrounding this contact part and serving to hold an insulating sleeve 15.
  • the insulating sleeve 15 consists essentially of a material with a high dielectric constant and projects slightly in the axial direction over the free end of the pre-ignition electrode 12 compared to the distance between the pre-ignition electrodes 7, 12 when the switch is open, but at least by a few millimeters.
  • the dielectric constant of the insulating sleeve 15 is generally greater than 10, advantageously greater than 30.
  • the pre-ignition electrode 12 can also be formed from a material intended for electrical resistances.
  • the resistance material is advantageously an electrically conductive plastic.
  • this plastic can be a filled polymer. If the material of the pre-ignition electrode 12 and the insulating sleeve 15 contains the same polymer, a particularly strong mechanical connection is achieved between the bead 16 of the pre-ignition electrode 12 and the insulating sleeve 15 and also becomes a when large mechanical forces occur undesirable dielectric relevant damage to the interface of the bead 16 and the insulating sleeve 15 is avoided with certainty.
  • Particularly suitable as a polymer for the material of the pre-ignition electrode 7 and / or the pre-ignition electrode 12 and the insulating sleeve 15 are duromers, such as in particular epoxies and polyester, and also certain elastomers and thermoplastics. Titanate such as barium titanate and / or titanium dioxide are particularly recommended as filler material for the insulating sleeve material.
  • the filler of the pre-ignition electrodes 7 and / or 12 can be formed from electrically conductive particles, such as in particular graphite, metal powder, and / or from conductive powders, ceramic powders. The proportion of filler in electrically conductive material should expediently be so large that the specific resistance of the material is at most 10 1 ⁇ m.
  • a particularly suitable material contains fine-grained ceramic powder based on, for example, quartz or aluminum oxide with particle sizes of typically a few ⁇ m as filler.
  • the powder particles are provided with a conductive layer made of, for example, carbon and / or nickel, for example by pyrolyzing.
  • Sufficient materials that have a specific resistance of 1010 - 101 ⁇ m after curing. This can be achieved with, for example, a 5-10% proportion of conductive coated aluminum oxide on the remaining part of the filler material of the material, which also has aluminum oxide, for example.
  • the disconnector according to the invention works as follows: When switching on, the disconnector should be brought into the position shown in the figure on the left half.
  • the contact carrier 11 is in this position and thus also the pre-ignition electrode 12 is moved into the intermediate space 9 formed by the shielding electrode 5 and the pre-ignition electrode 7. In this position, current flows from the shielding electrode 5, via the contact elements 10, the contact carrier 11 and the contact elements 13 to the shielding electrode 6.
  • the movable contact piece 4 is guided upwards by the drive (not shown) from the switch-off position of the disconnector to the position shown in the right half in the figure. In this position, the two contact pieces 3, 4 are already so close together that a leader 17 can form on the contact part 14 of the pre-ignition electrode 12. Due to the hollow cylindrical design of the contact part 14 and the suitable arrangement and dimensioning of the insulating sleeve 15, the electric field strength E is not only the greatest at the location of the leader approach, but also has a radially inwardly directed component. This largely avoids an expansion of the leader 17 and the leader 17 is essentially oriented to axis 2.
  • the size of the dielectric constant of the material of the insulating sleeve 15 is of decisive influence here.
  • the electric field on the tube axis 2 is noticeably oriented towards the inside.
  • the leader 17 can already be narrowed to such an extent that the subsequent leader discharge is captured with great certainty on the radially shielded pre-ignition electrode 7.
  • the electrical field in front of the pre-ignition electrode 7 is influenced by its pin-shaped design in such a way that the leader discharge ends there with a high statistical probability. Random Impacts on the shielding electrode 5 are thus suppressed quite significantly.
  • the spatial expansion of the leader is additionally limited and surface damage to the shielding electrodes 5, 6 is avoided.
  • the risk of the leader 17 breaking out due to the radial transverse breakdown is thus considerably reduced and the long-term stability of the dielectric isolator behavior is increased.
  • the leader discharge which is ignited between the pre-ignition electrodes 7 and 12, leads, under normal operating conditions, to the high-voltage system containing the disconnector to undesired traveling waves in terms of insulation. Such traveling waves are largely suppressed in that at least one of the two contact parts 8, 14 is formed from a material suitable for electrical resistances. It is particularly advantageous here if the entire pre-ignition electrode 12 consists of an electrically conductive plastic, in particular based on a filled polymer, since the insulating sleeve 15 can then be attached to the pre-ignition electrode 12 in a particularly advantageous manner.

Landscapes

  • Arc-Extinguishing Devices That Are Switches (AREA)

Description

  • Bei der Erfindung wird ausgegangen von einem Trennschalter für eine metallgekapselte gasisolierte Hochspannungsanlage mit zwei auf einer Achse relativ zueinander beweglichen und jeweils mit einer Abschirmelektrode versehenen Schaltstücken, welche jeweils eine bei einem Schaltvorgang auf der Achse gehaltene Vorzündelektrode aufweisen.
    • STAND DER TECHNIK
  • Trennschalter für metallgekapselte gasisolierte Hochspannungsanlagen sollten derart ausgebildet sein, dass Vorzündungen während eines Schaltvorganges nicht zu Querdurchschlägen und damit zu Kurzschlüssen mit der Metallkapselung führen. Die Ursache für Querdurchschläge liegt in der statistisch bedingten räumlichen Aufweitung einer Leaderentladung während der Vorzündphase und dem anschliessenden Umschlagen der ursprünglich dominant axialen Verteilung des elektrischen Feldes in eine dominant radiale Feldverteilung, nachdem die von einem der beiden Schaltstücke ausgehende Leaderentladung das Gegenschaltstück erreicht hat.
  • Ein Trennschalter der eingangs genannten Art ist aus DE 33 44 179 A1 bekannt. Der bekannte Trennschalter weist grossflächige und in radialer Richtung sehr ausgedehnte Abschirmelektroden auf. Hierdurch wird ein intensiver Durchgriff der radialen Komponente des herrschenden elektrischen Feldes in den Bereich unterdrückt, in dem sich ein bei einem Schaltvorgang eingeleiteter Leader aufweitet. Da jedoch die in der Hochspannunganlage geforderten Spannungen zwischen den Abschirmelektroden und der geerdeten Metallkapselung gehalten werden müssen, bedingt der bekannte Trennschalter zwangsläufig auch grosse und daher unwirtschaftliche Abmessungen der Metallkapselung.
    • DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
  • Die Erfindung, wie sie im Patentanspruch 1 definiert ist, löst die Aufgabe, einen Trennschalter der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem trotz geringer Abmessungen in radialer Richtung unerwünschte Querdurchschlägen mit sehr grosser Wahrscheinlichkeit vermieden werden.
  • Der Trennschalter nach der Erfindung weist eine Trennergeometrie auf, in der die räumliche Aufweitung der Leaderentladung reduziert und der Leader auf achsnahe Bereiche konzentriert wird. Daher besteht nur noch ein vergleichsweise geringes Restrisiko, dass sich eine in radialer Richtung erstreckte und einen Querdurchschlag einleitende Leaderverzweigung ausbilden kann. Entsprechend sind bei vergleichbarem Restrisiko ausladende Abschirmelektroden überflüssig und damit auch kleinere Abmessungen der Metallkapselung realisierbar.
    • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigt die einzige Figur eine Ausführungsform des Trennschalters nach der Erfindung, bei der in der linken Hälfte der Trennschalter im Einschaltzustand und in der rechten Hälfte während des Ausschaltens dargestellt ist.
    • WEG ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
  • Der in der einzigen Figur dargestellte Trennschalter weist eine rohrförmige und mit einem Isoliergas, wie beispielsweise SF₆ von bis zu einigen Bar Druck, gefüllte und auf Erdpotential befindliche Metallkapselung 1 mit einer Rohrachse 2 auf. In der Metallkapselung 1 sind zwei im wesentlichen zylindersymmetrisch ausgebildete und längs der Achse 2 relativ zueinander bewegliche Schaltstücke 3, 4 vorgesehen. Beide Schaltstücke 3, 4 sind an nicht dargestellten Isolatoren gehalten und weisen jeweils eine Abschirmelektrode 5, 6 auf.
  • Das Schaltstück 3 ist feststehend angeordnet und enthält neben der Abschirmelektrode 5 eine stiftförmig ausgebildete und längs der Achse 2 erstreckte Vorzündelektrode 7. Am freien, dem Schaltstück 4 zugewandten Ende weist die Vorzündelektrode 7 ein Kontaktteil 8 auf, welches vorteilhafterweise aus einem für elektrische Widerstände geeigneten Werkstoff besteht. Die Abschirmelektrode 5 umgibt die Vorzündelektrode 7 unter Bildung eines hohlzylindrischen Zwischenraums 9 konzentrisch und ist in axialer Richtung etwa ebensoweit erstreckt wie die Vorzündelektrode 7. Auf der den Zwischenraum 9 radial nach aussen begrenzenden Innenfläche der Abschirmelektrode 5 sind Kontaktelemente 10 befestigt.
  • Das Schaltstück 4 weist überwiegend beweglich angeordnete Teile auf. So enthält es einen von einem nicht dargestellten Antrieb in axialer Richtung verschieblichen, rohrförmigen Kontaktträger 11, an dessen dem Schaltstück 3 zugewandten Ende eine Vorzündelektrode 12 befestigt ist. Der Kontaktträger 11 ist durch die feststehend und konzentrisch angeordnete Abschirmelektrode 6 geführt. Auf der dem Kontaktträger 11 zugewandten Innenfläche trägt die Abschirmelektrode 6 Kontaktelemente 13, welche in gleitender Weise auf dem Kontaktträger 11 aufliegen. Die Vorzündelektrode 12 weist ein hohlzylindrisch ausgebildetes Kontaktteil 14 auf sowie einen dieses Kontaktteil konzentrisch umgebenden und der Halterung einer Isolierhülse 15 dienenden Wulst 16.
  • Die Isolierhülse 15 besteht im wesentlichen aus einem Werkstoff mit hoher Dielektrizitätskonstanten und überragt in axialer Richtung das freie Ende der Vorzündelektrode 12 verglichen mit dem Abstand zwischen den Vorzündelektroden 7, 12 bei geöffnetem Schalter geringfügig, mindestens aber um einige Millimeter. Die Dielektrizitätskonstante der Isolierhülse 15 ist im allgemeinen grösser 10, vorteilhafterweise grösser 30.
  • Neben der Vorzündelektrode 7 kann auch die Vorzündelektrode 12 aus einem für elektrische Widerstände bestimmten Werkstoff gebildet sein. Der Widerstandswerkstoff ist mit Vorteil ein elektrisch leitender Kunststoff. Dieser Kunststoff kann ebenso wie der Werkstoff für die Isolierhülse ein gefülltes Polymer sein. Enthalten der Werkstoff der Vorzündelektrode 12 und der Isolierhülse 15 das gleiche Polymer, so wird eine besonders feste mechanische Verbindung zwischen dem Wulst 16 der Vorzündelektrode 12 und der Isolierhülse 15 erreicht und wird auch beim Auftreten grosser mechanischer Kräfte eine unerwünschte dielektrisch relevante Beschädigung an der Grenzfläche von Wulst 16 und Isolierhülse 15 mit Sicherheit vermieden.
  • Als Polymer für den Werkstoff der Vorzündelektrode 7 und/oder der Vorzündelektrode 12 und der Isolierhülse 15 geeignet sind vor allem Duromere, wie insbesondere Epoxide und Polyester, sowie auch bestimmte Elastomere und Thermoplaste. Als Füllmaterial für den Werkstoff der Isolierhülse besonders zu empfehlen sind Titanate, wie etwa Bariumtitanat, und/oder Titandioxid. Der Füllstoff der Vorzündelektroden 7 und/oder 12 kann von elektrisch leitenden Partikeln, wie insbesondere Graphit, Metallpulver, und/oder von leitfähig beschichteten, keramischen Pulvern gebildet sein. Der Füllstoffanteil an elektrisch leitfähigem Material sollte hierbei zweckmässigerweise so gross sein, dass der spezifische Widerstand des Werkstoffs höchstens 10¹ Ωm beträgt. Ein besonders geeigneter Werkstoff enthält als Füllstoff feinkörniges Keramikpulver auf der Basis von beispielsweise Quarz oder Aluminiumoxid mit Teilchengrössen von typischerweise einigen µm. Die Pulverteilchen sind mit einer etwa durch Pyrolisieren aufgebrachten leitfähigen Schicht aus beispielsweise Kohlenstoff und/oder Nickel versehen. Ausreichend sind Werkstoffe, die nach dem Aushärten einen spezifischen Widerstand von 10¹⁰ - 10¹ Ωm aufweisen. Dies kann mit einem beispielsweise 5 - 10 %igen Anteil an leitfähigem beschichtetem Aluminiumoxid am verbleibenden - beispielsweise ebenfalls Aluminiumoxid aufweisenden - Teil des Füllmaterials des Werkstoffs erreicht werden.
  • Der Trennschalter nach der Erfindung wirkt wie folgt:
    Beim Einschalten soll der Trennschalter in die in der Figur in der linken Hälfte dargestellte Position gebracht werden. In dieser Position ist der Kontaktträger 11 und damit auch die Vorzündelektrode 12 in den von der Abschirmelektrode 5 und der Vorzündelektrode 7 gebildeten Zwischenraum 9 eingefahren. Strom fliesst in dieser Position von der Abschirmelektrode 5, über die Kontaktelemente 10, den Kontaktträger 11 und die Kontaktelemente 13 zur Abschirmelektrode 6.
  • Beim Einschaltvorgang wird das bewegliche Schaltstück 4 vom nicht dargestellten Antrieb aus der Ausschaltposition des Trennschalters nach oben in die in der Figur in der rechten Hälfte dargestellte Position geführt. In dieser Position sind die beiden Schaltstücke 3, 4 bereits so nahe aneinander gerückt, dass sich am Kontaktteil 14 der Vorzündelektrode 12 ein Leader 17 ausbilden kann. Bedingt durch die hohlzylindrische Ausbildung des Kontaktteils 14 sowie durch die geeignete Anordnung und Bemessung der Isolierhülse 15 ist am Ort des Leaderansatzes die elektrische Feldstärke E dort nicht nur am grössten, sondern weist auch eine radial nach innen gerichtete Komponente auf. Hierdurch wird eine Aufweitung des Leaders 17 weitgehend vermieden und der Leader 17 im wesentlichen auf die Achse 2 orientiert.
  • Von entscheidendem Einfluss ist hierbei die Grösse der Dielektrizitätskonstanten des Werkstoffes der Isolierhülse 15. Bereits mit einer Dielektrizitätskonstanten grösser 10 wird eine den Leader 17 spürbar nach innen orientierende Beeinflussung des elektrischen Feldes auf die Rohrachse 2 erreicht. Mit einer Dielektrizitätskonstanten von ca. 30 kann der Leader 17 bereits soweit eingeengt werden, dass die nachfolgende Leaderentladung mit sehr grosser Sicherheit auf der radial abgeschirmten Vorzündelektrode 7 eingefangen wird. Das elektrische Feld vor der Vorzündelektrode 7 ist durch deren stiftförmige Ausbildung derart beeinflusst, dass die Leaderentladung mit grosser statistischer Wahrscheinlichkeit darauf endet. Zufällige Einschläge auf der Abschirmelektrode 5 werden so ganz wesentlich unterdrückt. Hierdurch wird die räumliche Leaderaufweitung zusätzlich begrenzt und werden Oberflächenbeschädigungen der Abschirmelektroden 5, 6 vermieden. Das Ausbruchsrisiko des Leaders 17 zum radialen Querdurchschlag wird so ganz erheblich reduziert und die Langzeitstabilität des dielektrischen Trennerverhaltens erhöht.
  • Die zwischen den Vorzündelektroden 7 und 12 gezündete Leaderentladung führt unter normalen Betriebsbedingungen der den Trennschalter enthaltenden Hochspannungsanlage zu isolationstechnisch unerwünschten Wanderwellen. Solche Wanderwellen werden dadurch weitgehend unterdrückt, dass mindestens eines beider Kontaktteile 8, 14 aus einem für elektrische Widerstände geeigneten Werkstoff gebildet ist. Von besonderem Vorteil ist es hierbei, wenn die gesamte Vorzündelektrode 12 aus einem elektrisch leitfähigen Kunststoff, insbesondere auf der Basis eines gefüllten Polymers besteht, da dann die Isolierhülse 15 in besonders vorteilhafter Weise an der Vorzündelektrode 12 befestigt werden kann.

Claims (10)

  1. Trennschalter für eine metallgekapselte gasisolierte Hochspannungsanlage mit zwei auf einer Achse (2) relativ zueinander beweglichen und jeweils mit einer Abschirmelektrode (5, 6) versehenen Schaltstücken (3, 4), welche jeweils eine bei einem Schaltvorgang auf der Achse (2) gehaltene Vorzündelektrode (7, 12) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die an einem ersten (4) beider Schaltstücke (3, 4) vorgesehene Vorzündelektrode (12) ein hohlzylindrisch ausgebildetes Kontaktteil (14) aufweist, und dass dieses Kontaktteil (14) konzentrisch von einer am freien Ende des ersten Schaltstückes (4) befestigten Isolierhülse (15) umgeben ist, welche aus einem Werkstoff mit hoher Dielektrizitätskonstanten besteht und in axialer Richtung die Vorzündelektrode (12) überragt.
  2. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierhülse (15) verglichen mit dem Abstand zwischen den Vorzündelektroden (7, 12) bei geöffnetem Schalter geringfügig das Kontaktteil (14) überragt.
  3. Schalter nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dielektrizitätskonstante des Werkstoffs der Isolierhülse (15) grösser 10 ist.
  4. Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest das Kontaktteil (14) der am ersten Schaltstück (4) vorgesehenen Vorzündelektrode (12) oder ein am freien Ende der Vorzündelektrode (7) eines zweiten (3) der beiden Schaltstücke (3, 4) angeordnetes Kontaktteil (8) aus einem für elektrische Widerstände geeigneten Werkstoff gebildet ist.
  5. Schalter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstandswerkstoff elektrisch leitender Kunststoff ist.
  6. Schalter nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff mindestens einer der beiden Vorzündelektroden (7, 12) und der Isolierhülse (15) ein gefülltes Polymer ist.
  7. Schalter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff der mindestens einen Vorzündelektrode (7, 12) und der Isolierhülse (15) das gleiche Polymer aufweisen.
  8. Schalter nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Vorzündelektrode (7, 12) einen ihr Kontaktteil (8, 14) konzentrisch umgebenden und der Halterung der Isolierhülse (15) dienenden Wulst (16) aufweist.
  9. Schalter nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Füllstoff der Isolierhülse (15) mindestens ein Titanat und/oder Titandioxid enthält.
  10. Schalter nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Füllstoff der mindestens einen Vorzündelektrode (7, 12) elektrisch leitende Partikel und/oder ein leitfähig beschichtetes, keramisches Pulver enthält.
EP92121436A 1992-02-15 1992-12-17 Trennschalter für eine metallgekapselte gasisolierte Hochspannungsanlage Expired - Lifetime EP0556478B2 (de)

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