TECHNISCHES GEBIET
Bei der Erfindung wird ausgegangen von einem elektrischen
Leistungsschalter gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
STAND DER TECHNIK
Es sind elektrische Leistungsschalter bekannt, die eine
Leistungsstrombahn aufweisen mit zwei relativ zueinander
beweglichen Schaltstücken. Bei Ausschaltungen tritt in der
Schaltstrecke zwischen den beiden Schaltstücken ein
Lichtbogen auf, der zum Teil in einer Isolierdüse brennt.
Durch die thermischen Auswirkungen des Lichtbogens wird die
Oberfläche der Isolierdüse beaufschlagt und das Düsenengnis,
welches für die Strömungsverhältnisse in der Isolierdüse
massgebend ist, brennt aus, sodass sich der Querschnitt des
Düsenengnisses vergrössert. Wenn diese Querschnittsvergrösserung
gewisse Grenzwerte überschreitet, beeinflusst
sie das Ausschaltvermögen des Leistungsschalters negativ. Um
diese unerwünschte Querschnittsvergrösserung vergleichsweise
klein zu halten, werden abbrandbeständige Fluorcarbonpolymere,
beispielsweise Polytetrafluoräthylen (PTFE), für
die Herstellung der Isolierdüse verwendet. Diese Fluorcarbonpolymere
weisen einerseits einen vergleichsweise geringen
Formabbrand auf, jedoch andererseits einen vergleichsweise
starken örtlichen, bis in die tieferen Bereiche unter der
Oberfläche der Isolierdüse reichenden Tiefenabbrand auf.
Insbesondere durch den Tiefenabbrand wird Kohlenstoff
freigesetzt, welcher eine unerwünschte Verrussung der unter
der Oberfläche liegenden Ausbrandkanäle der Isolierdüse
verursacht. Diese verrussten und infolgedessen elektrisch
leitenden Oberflächen der Ausbrandkanäle können, nach dem
Erlöschen des Lichtbogens, Wiederzündungen zwischen den
beiden, dann auf unterschiedlichem Potential liegenden
Schaltstücken des Leistungsschalters einleiten, die zu einem
Versagen desselben führen können.
Um das schädliche Verrussen zu vermeiden, kann dem
jeweiligen Fluorcarbonpolymer ein entsprechender Füllstoff
oder ein Pigment beigemischt werden. Derartige Beimischungen
verhindern insbesondere den Tiefenabbrand und damit das
Verrussen weitgehend, sie haben jedoch in der Regel eine
grössere Abbrandrate und damit auch einen grösseren
Formabbrand zur Folge, sodass die Lebensdauer der
Isolierdüse stark reduziert wird. Dies bedeutet, dass die
Isolierdüse vergleichsweise häufig im Rahmen von
zeitraubenden Revisionen des Leistungsschalters ersetzt
werden muss.
KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Der Erfindung, wie sie im Patentanspruch 1 definiert ist,
liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektrischen
Leistungsschalter anzugeben, welcher eine Isolierdüse
aufweist, die beim Ausschalten Gase abgibt, welche die
Blasdruckerzeugung in der Lichtbogenzone besonders wirksam
unterstützen.
Dieser Leistungsschalter weist eine mit abbrandfesten
Schaltstücken ausgerüstete Kontaktanordnung auf, welche ein
feststehendes Schaltstück und ein entlang einer zentralen
Achse bewegliches Schaltstück und eine zylindrisch
ausgebildete, die Schaltstücke konzentrisch umgebende
Isolierdüse mit einem Engnis aufweist. Die Isolierdüse ist
aus einem abbrandbeständigen Kunststoff gefertigt.
Als abbrandbeständige Kunststoffe können PTFE oder FEP oder
PFA oder ETFE oder ähnliche aliphatische Polymere oder ein
Gemisch von mindestens zweien dieser Kunststoffe vorgesehen
werden. Als abbrandbeständige Kunststoffe können ferner PA
oder PI oder PSU oder PPS oder ein ähnliches aromatisches
Polymer oder ein Gemisch von mindestens zweien dieser
Kunststoffe eingesetzt werden.
Die abbrandbeständige Isolierdüse wird dabei so
strukturiert, dass die elektrisch leitend verrussten
Ausbrandkanäle unter der Oberfläche der Isolierdüse
senkrecht zur Richtung der elektrischen Feldbelastung
verlaufen, sodass durch sie kein Wiederzünden des
Leistungsschalters bewirkt werden kann.
Die aus der Isolierdüse austretenden Gase unterstützen bei
diesem Leistungsschalter den Druckaufbau in der
Lichtbogenzone, sodass eine besonders wirksame Beblasung des
Lichtbogens möglich wird.
Weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung und die damit
erzielbaren Vorteile werden nachfolgend anhand der
Zeichnung, welche lediglich einen möglichen Ausführungsweg
darstellt, näher erläutert.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
Fig.1 einen stark vereinfachten Teilschnitt durch einen
erfindungsgemässen Leistungsschalter, Fig.2 einen stark vereinfachten Teilschnitt durch eine
Isolierdüse aus einem ersten Isoliermaterial, Fig.3 einen stark vereinfachten Teilschnitt durch eine
Isolierdüse aus einem zweiten Isoliermaterial, Fig.4 einen stark vereinfachten Teilschnitt durch eine
Isolierdüse aus einem dritten Isoliermaterial, und Fig.5 einen stark vereinfachten Teilschnitt durch einen
Leistungsschalter mit einer Isolierdüse aus einem vierten
Isoliermaterial.
Bei allen Figuren sind gleich wirkende Elemente mit gleichen
Bezugszeichen versehen. Alle für das unmittelbare
Verständnis der Erfindung nicht erforderlichen Elemente sind
nicht dargestellt.
WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
Die Fig.1 zeigt einen schematisch dargestellten Teilschnitt
durch die Löschkammer 1 eines Leistungsschalters, das
Löschkammergehäuse ist nicht dargestellt, ebenso nicht die
in der Regel vorhandene Nennstrombahn. Die Löschkammer 1 ist
mit einem Isoliergas gefüllt, in der Regel ist dies SF6-Gas,
welches mit einem Überdruck im Bereich von 5 bis 6 bar
beaufschlagt ist. Die Löschkammer 1 ist zylindrisch
ausgebildet und erstreckt sich entlang einer zentralen Achse
2. Die Löschkammer 1 weist beispielsweise ein feststehendes
Schaltstück 3 und ein bewegliches Schaltstück 4 auf, die
relativ zu einander entlang der zentralen Achse 2 beweglich
sind. Das federnd ausgebildete feststehende Schaltstück 3
umschliesst im eingeschalteten Zustand der Löschkammer 1 das
bewegliche Schaltstück 4. Das bewegliche Schaltstück 4,
welches hier als zylindrischer Schaltstift ausgebildet ist,
bewegt sich in Richtung eines Pfeils 5, wenn eine
Ausschaltung erfolgt. Eine mit dem feststehenden Schaltstück
3 fest verbundene Isolierdüse 6 umgibt die beiden
Schaltstücke 3 und 4 konzentrisch. Im eingeschalteten
Zustand der Löschkammer 1 verschliesst das bewegliche
Schaltstück 4 das Engnis 7 der Isolierdüse 6. Nach der
Kontakttrennung der beiden Schaltstücke 3 und 4 brennt ein
Lichtbogen im Bereich des Engnisses 7 und bei
fortschreitender Ausschaltbewegung des beweglichen
Schaltstücks 4 auch im Bereich der konisch ausgeformten
Öffnung des Querschnitts der Isolierdüse 6 in Richtung des
nachgeordneten Auspuffraumes 8 der Löschkammer 1. Die
Oberfläche 9 im Engnis 7 und im konisch sich erweiternden
Bereich der Isolierdüse 6 wird durch den Lichtbogen
thermisch beaufschlagt. Die Begrenzungen des Auspuffraumes 8
sind nicht dargestellt.
Als abbrandbeständiger Kunststoff ist für die Herstellung
der Isolierdüse 6 ein Stoff aus der Gruppe der aliphatischen
Polymere wie beispielsweise Polytetrafluoräthylen (PTFE)
oder Fluoräthylenpropylen (FEP) oder Perfluoralkoxy (PFA)
oder Äthylentetrafluoräthylen (ETFE) oder ein ähnliches
aliphatisches Polymer oder ein Gemisch von mindestens zweien
dieser Kunststoffe vorgesehen. Als abbrandbeständiger
Kunststoff kann aber durchaus auch ein Stoff aus der Gruppe
der aromatischen Polymere wie beispielsweise Polyamid (PA)
oder Polyimid (PI) oder Polysulfon (PSU) oder
Polyphenylensulfid (PPS) oder ein ähnliches aromatisches
Polymer oder ein Gemisch von mindestens zweien dieser
Kunststoffe vorgesehen werden. Die thermische Beanspruchung
dieser Polymere während des Ausschaltens stromstarker
Lichtbögen führt zur Erzeugung einer vergleichsweise grossen
Menge von Gas, welches vorteilhaft für die Beblasung des
Lichtbogens eingesetzt werden kann.
Die Fig.2 zeigt einen stark vereinfachten und stark
vergrösserten Teilschnitt durch eine Isolierdüse 6, die hier
aus reinem Polytetrafluoräthylen (PTFE) hergestellt ist. Bei
der Herstellung des Düsenrohlings wurde das
abbrandbeständige Polytetrafluoräthylen (PTFE) durch axiale
Dilatation vorgespannt. Wenn die Oberfläche 9 des Engnisses
7 durch die thermischen Auswirkungen des Lichtbogens
beaufschlagt wird, so bilden sich bei diesem Material,
ausgehend von der Oberfläche 9, vergleichsweise flache
Ausbrandkanäle 10 aus. Die Oberfläche 9 verläuft bei diesem
Ausführungsbeispiel konzentrisch zu der zentralen Achse 2.
Die Ebene der Ausbrandkanäle 10 liegt in diesem Fall
aufgrund der erwähnten Vorspannung senkrecht zur zentralen
Achse 2 und damit parallel zu den elektrischen
Äquipotentialflächen, die sich nach dem Abschalten zwischen
den beiden Schaltstücken 3 und 4 ausbilden. In den
Ausbrandkanälen 10 sich gegebenenfalls ablagernde
Schaltrückstände oder die in ihnen entstandenen Russpartikel
können wegen der Quererstreckung dieser Risse keine
leitenden Brücken bilden, die nach dem Erlöschen des
Lichtbogens dielektrisch bedingte Überschläge zwischen den
beiden Schaltstücken 3 und 4 einleiten könnten.
Die Fig.3 zeigt einen stark vereinfachten Teilschnitt durch
eine Isolierdüse 6, die hier aus einer Polymermischung
hergestellt ist. Für diese Mischung wurde als Basis
Polytetrafluoräthylen (PTFE) verwendet. In das
Polytetrafluoräthylen (PTFE) wurde ein anderes
wasserstoffhaltiges Polymer, welches in der Form von
flachen, länglichen Partikeln 11, die entweder als Schuppen,
wie beispielsweise POM, oder als Fasern, wie beispielsweise
PA Faserstoffe, ausgebildet sind, eingebracht worden ist.
Bei der Herstellung des Düsenrohlings wurde darauf geachtet,
dass die Partikel 11 senkrecht zur zentralen Achse 2
angeordnet sind. Die Oberfläche 9 des Engnisses 7 verläuft
auch bei diesem Ausführungsbeispiel konzentrisch zu der
zentralen Achse 2. Das andere wasserstoffhaltige Polymer
brennt etwas schneller ab als das Polytetrafluoräthylen
(PTFE), wie die in der Fig.3 angedeuteten Vertiefungen 12 in
der Oberfläche 9 des Engnisses 7 andeuten. Durch dieses
Gemisch von Polymeren wird eine besonders intensive
Gasentwicklung in der Isolierdüse 6 erreicht. Dort, wo bei
dieser Ausführungsvariante keine Partikel 11 bis zur
Oberfläche 9 gelangen, ist es möglich, dass sich die bereits
im Zusammenhang mit der Fig.2 beschriebenen Ausbrandkanäle
10 ausbilden. Diese Isolierdüsenvariante wird vorteilhaft
dort eingesetzt, wo eine Unterstützung der
Blasdruckerzeugung besonders erwünscht ist.
Die Gasentwicklung in der Isolierdüse 6 kann bei dieser
Ausführungsvariante noch deutlich verbessert werden, wenn
die Partikel 11 zusätzlich mit einem Pigment, wie
beispielsweise MoS2, eingefärbt werden, wodurch deren
Abbrandrate und damit auch die erzeugte und für die
Beblasung des Lichtbogens verfügbare Gasmenge vorteil-haft
erhöht wird.
Die Fig.4 zeigt einen stark vereinfachten Teilschnitt durch
eine Isolierdüse 6, die hier aus Polytetrafluoräthylen
(PTFE) hergestellt ist, in welches senkrecht zur zentralen
Achse 2 Quarzfasern 13 eingelagert sind. Diese Isolierdüse 6
brennt bei thermischer Beaufschlagung durch den Lichtbogen
bevorzugt entlang den Quarzfasern 13 aus. Die bei diesem
Abbrennen entstehenden Gase erhöhen den Blasdruck in der
Löschkammer 1 vorteilhaft. Zudem wird die Verrussung der
Ausbrandkanäle wegen der oxidierenden Wirkung der
Quarzfasern 13 vorteilhaft verringert.
Die Fig.5 zeigt einen weiteren schematisch dargestellten
Teilschnitt durch die Löschkammer 1 eines
Leistungsschalters. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die
Isolierdüse 6 aus zusammengesinterten Scheiben 14 und 15
aufgebaut. Die Scheiben 14 und 15 sind senkrecht zur
zentralen Achse 2 angeordnet. Die erste Scheibe 14 ist
jeweils aus reinem Polytetrafluoräthylen (PTFE) hergestellt.
Die zweite Scheibe 15 ist jeweils aus Polytetrafluoräthylen
(PTFE), dem 5 Gewichtsprozent MoS2, welches als
strukturierte Pigmenteinfärbung dient, zugesetzt sind,
hergestellt. Für die Herstellung des Düsenrohlings werden
diese Scheiben 14 und 15 wechselweise aufeinander gelegt und
auf bekannte Weise zu einem monolithischen Block
zusammengesintert. Bei dieser Ausführungsform brennt die
zweite Scheibe 15 stärker ab. Die bei diesem Abbrennen
entstehenden Gase erhöhen den Blasdruck in der Löschkammer 1
vorteilhaft. Die so entstandene Menge druckbeaufschlagten
Gases ist deutlich grösser als dies bei der Verwendung von
reinem Polytetrafluoräthylen (PTFE) der Fall wäre. Für
Ausschaltströme im Bereich um 50 kAeff hat sich eine
Scheibendicke von 1 mm als günstig erwiesen. Wenn eine
grössere Gasmenge erzeugt werden soll, so wird die zweite
Scheibe 15 etwas dicker ausgeführt als die erste Scheibe 14.
Es ist auch vorstellbar, dass über die Länge der Isolierdüse
6 verteilt, unterschiedlich dicke Scheiben 14 und 15
vorgesehen werden, da auf diese Art die für die Beblasung
des Lichtbogens erzeugte Gasmenge den jeweiligen
Betriebsbedingungen optimal angepasst werden kann.
Es ist auch durchaus möglich, den Scheiben 14 und 15
unterschiedliche Mengen von oxidierend wirkenden Füllstoffen
beizumischen. Diese Beimischung wird dann so optimiert, dass
in den sich ausbildenden Ausbrandkanälen lediglich eine
vernachlässigbare Russbildung auftritt. Die Menge des für
die Beblasung des Lichtbogens erzeugten Gases wird dabei
gleichzeitig den zu erwartenden Betriebsbedingungen
angepasst.
BEZEICHNUNGSLISTE
- 1
- Löschkammer
- 2
- zentrale Achse
- 3
- feststehendes Schaltstück
- 4
- bewegliches Schaltstück
- 5
- Pfeil
- 6
- Isolierdüse
- 7
- Engnis
- 8
- Auspuffraum
- 9
- Oberfläche
- 10
- Ausbrandkanäle
- 11
- Partikel
- 12
- Vertiefung
- 13
- Quarzfasern
- 14
- erste Scheibe
- 15
- zweite Scheibe