EP1107272B1 - Hybridleistungsschalter - Google Patents

Description

TECHNISCHES GEBIET
• Die Erfindung geht aus von einem Hybridleistungsschalter gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
STAND DER TECHNIK
• Aus der Schrift EP 0 847 586 B1 ist ein Hybridleistungsschalter bekannt, der in einem elektrischen Hochspannungsnetz eingesetzt werden kann. Dieser Hybridleistungsschalter weist zwei in Reihe geschaltete Löschkammern auf, von denen eine erste mit SF₆-Gas als Lösch- und Isoliermedium gefüllt ist, und eine zweite als Vakuumschaltkammer ausgebildet ist. Die zweite Löschkammer ist aussen von SF₆-Gas umgeben. Die Hauptkontakte der beiden Löschkammern werden über ein Hebelgetriebe von einem gemeinsamen Antrieb simultan betätigt. Beide Löschkammern weisen eine Leistungsstrombahn, in welcher die abbrandfesten Hauptkontakte liegen, und parallel dazu eine Nennstrombahn auf, wobei diese Nennstrombahn nur eine einzige Unterbrechungsstelle aufweist. Beim Ausschalten wird stets zuerst die Nennstrombahn unterbrochen, worauf der abzuschaltende Strom auf die Leistungsstrombahn kommutiert. Die Leistungsstrombahn führt dann den Strom weiter bis zu dessen definitiver Abschaltung.
• Bei diesem Hybridleistungsschalter brennt der beim Abschalten stets auftretende Lichtbogen in der Vakuumschaltkammer etwa während der gleichen Zeitdauer wie in der gasgefüllten ersten Löschkammer, was zur Folge hat, dass die Hauptkontakte der Vakuumschaltkammer einer vergleichsweise hohen und lange andauernden Strombelastung und damit verbunden einer hohen Abnutzung unterworfen sind, was vergleichsweise häufig Revisionsarbeiten erforderlich macht, wodurch die Verfügbarkeit des Hybridleistungsschalters eingeschränkt wird. Dieser Hybridleistungsschalter benötigt eine vergleichsweise hohe Antriebsenergie, da, je nach dem in der gasgefüllten ersten Löschkammer verwendeten Schaltprinzip, der Antrieb ganz oder teilweise den für die intensive Beblasung des Lichtbogens nötigen hohen Gasdruck erzeugen muss. Ein derartiger besonders kräftig ausgelegter Antrieb ist vergleichsweise teuer.
• Nach dem Erlöschen des Lichtbogens verteilt sich die über diesem Hybridleistungsschalter auftretende wiederkehrende Spannung entsprechend der Eigenkapazitäten der beiden Löschkammern auf diese Löschkammern auf. Dies hat zur Folge, dass die zweite, als Vakuumschaltkammer ausgebildete, Löschkammer mit einem zu grossen Anteil der wiederkehrenden Spannung beaufschlagt wird, sodass diese zweite Löschkammer im Anstieg der wiederkehrenden Spannung durchzündet. Dieses Durchzünden kann bei einer Ausschaltung mehrmals auftreten. Das Durchzünden kann unerwünschte Schwingungsvorgänge im Hochspannungsnetz auslösen verbunden mit unerwünschten Spannungsanstiegen. Zudem werden durch das Durchzünden die Abbrandkontakte der Vakuumschaltkammer zusätzlich beansprucht, sodass ihre Lebensdauer verkürzt wird.
• Aus der Offenlegungsschrift DE 3 131 271 A1 ist ein Hybridschalter bekannt, bei dem die Spannungsverteilung über die beiden Schaltkammern mittels einer Kapazität, die parallel zur ersten, mit einem Gas isolierten und beblasenen Schaltkammer geschaltet ist, und mittels eines nichtlinearen Widerstands, der parallel zur zweiten, als Vakuumschaltkammer ausgebildeten Schaltkammer geschaltet ist. Beim Anstieg der wiederkehrenden Spannung unmittelbar nach der Unterbrechung des Lichtbogens stellen diese beiden Bauelemente sicher, dass zunächst die Vakuumschaltkammer mit dem grösseren Teil dieser wiederkehrenden Spannung beaufschlagt wird und diesen hält. Später übernimmt dann die erste Schaltkammer den grösseren Anteil der anliegenden Spannung. Diese beiden Bauelemente für die Steuerung der Spannungsverteilung benötigen ein vergleichsweise grosses Volumen im Inneren des Schaltergehäuses des Hybridschalters, sodass dieser ein vergleichsweises grosses und infolgedessen auch teures Schaltergehäuse benötigt.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
• Die Erfindung, wie sie in den unabhängigen Ansprüchen gekennzeichnet ist, löst die Aufgabe, einen Hybridleistungsschalter zu schaffen, der preisgünstig zu erstellen ist und der eine hohe Verfügbarkeit aufweist.
• Bei diesem Hybridleistungsschalter wird der erste steile Anstieg der wiederkehrenden Spannung im wesentlichen von der zweiten, als Vakuumschaltkammer ausgebildeten Löschkammer gehalten. Die Wiederverfestigung der Löschstrecke der ersten Löschkammer darf demnach hier vergleichsweise langsam erfolgen, was bedeutet, dass die Beblasung der ersten Löschkammer wesentlich weniger intensiv sein darf als bei herkömmlichen Leistungsschaltern. Für die Bereitstellung des für die Beblasung des Lichtbogens nötigen druckbeaufschlagten Gases muss also wesentlich weniger Energie aufgewendet werden.
• Die durch die Erfindung erreichten Vorteile sind darin zu sehen, dass der Hybridleistungsschalter bei gleichem Leistungsschaltvermögen mit einem wesentlich schwächeren und damit preisgünstigeren Antrieb ausgerüstet werden kann. Ferner sind die in diesem Hybridleistungsschalter in der ersten Löschkammer auftretenden Drücke wesentlich geringer als bei herkömmlichen Leistungsschaltern, sodass auch die Isolierrohre und die übrigen druckbeaufschlagten Teile für geringere Belastungen ausgelegt werden können, wodurch eine wirtschaftlichere Ausgestaltung des Hybridleistungsschalters möglich ist. Ferner wirkt es sich vorteilhaft aus, dass die Strömungsgeschwindigkeit des in der ersten Löschkammer den Lichtbogen kühlenden Gases wegen der hier benötigten wesentlich weniger intensiven Beblasung im Unterschallbereich liegen kann, da dadurch die Menge des für die Beblasung bereitzustellenden druckbeaufschlagten Gases vergleichsweise klein gehalten werden kann. Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, dass die Abbrandkontakte der zweiten Löschkammer, die hier als Vakuumschaltkammer ausgebildet ist, wegen der kürzeren Dauer der Strombelastung beim Ausschalten und wegen des Vermeidens des wiederholten Durchzündens beim Anstieg der wiederkehrenden Spannung eine grössere Lebensdauer aufweisen, was eine vorteilhaft verbesserte betriebliche Verfügbarkeit des Hybridleistungsschalters zur Folge hat.
• Der Hybridleistungsschalter ist mit mindestens zwei in Reihe geschalteten, von einem gemeinsamen Antrieb oder von separaten Antrieben betätigten, mit unterschiedlichen Löschmedien gefüllten Löschkammern versehen, wobei das Lösch- und Isoliermedium der ersten Löschkammer die zweite Löschkammer isolierend umgibt. Es sind Mittel vorgesehen, welche beim Ausschaltvorgang eine technisch sinnvolle Spannungsverteilung über die beiden Löschkammern gewährleisten. Ferner sind Mittel vorgesehen, welche beim Ausschaltvorgang einen zeitlichen Vorlauf der Bewegung der ersten Löschkammer gegenüber der Bewegung der zweiten Löschkammer sicherstellen. Beim Einschaltvorgang schliesst die zweite Löschkammer stets vor der ersten Löschkammer. Als Lösch- und Isoliermedium der ersten Löschkammer wird ein Gas oder ein Gasgemisch verwendet. Als zweite Löschkammer ist mindestens eine Vakuumschaltkammer vorgesehen. Für die zweite Löschkammer können jedoch auch andere Schaltprinzipien eingesetzt werden.
• Die weiteren Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
• Die Erfindung, ihre Weiterbildung und die damit erzielbaren Vorteile werden nachstehend anhand der Zeichnung, welche lediglich einen möglichen Ausführungsweg darstellt, näher erläutert.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
• Es zeigen:
• Fig. 1 eine Ausführungsform eines stark vereinfacht dargestellten Hybridleistungsschalters im eingeschalteten Zustand, bei welcher der Lichtbogen in der ersten Löschkammer durch in einer Kolben-Zylinder-Anordnung komprimiertes Gas beblasen wird,
• Fig. 2 diese Ausführungsform des stark vereinfacht dargestellten Hybridleistungsschalters im ausgeschalteten Zustand, und
• Fig. 3 einen stark vereinfachten Schnitt durch eine Ausführungsform der in dem Hybridleistungsschalter eingesetzten Vakuumschaltkammer.
• Bei allen Figuren sind gleich wirkende Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen. Alle für das unmittelbare Verständnis der Erfindung nicht erforderlichen Elemente sind nicht dargestellt bzw. nicht beschrieben.
WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
• Die Figur 1 zeigt eine stark vereinfacht dargestellte erste Ausführungsform eines Hybridleistungsschalters 1 im eingeschalteten Zustand. Dieser Hybridleistungsschalter 1 weist zwei in Reihe geschaltete Löschkammern 2 und 3 auf, die hier entlang einer gemeinsamen Längsachse 4 erstreckt montiert und konzentrisch zu dieser angeordnet sind. Es ist durchaus möglich, die Löschkammern 2 und 3 bei anderen Ausführungsformen dieses Hybridleistungsschalters 1 auf verschiedenen, gegeneinander abgewinkelten Längsachsen anzuordnen. Es ist sogar vorstellbar, dass bei der Variante mit abgewinkelten Längsachsen diese Längsachsen nicht nur in einer Ebene oder in zwei parallel zueinander angeordneten Ebenen liegen, sondern auch, dass diese Ebenen sich unter einem konstruktiv sinnvollen Winkel schneiden.
• Der Hybridleistungsschalter 1 wird von einem nicht dargestellten Antrieb über ein Antriebsgestänge 5, welches aus elektrisch isolierendem Material besteht, angetrieben. Als Antrieb kann ein herkömmlicher Kraftspeicherantrieb vorgesehen werden. Es ist aber auch möglich, einen elektronisch regelbaren Gleichstromantrieb ohne die Zwischenschaltung eines Kraftspeichers einzusetzen. Diese Ausführungsvariante ist als besonders wirtschaftlich anzusehen und zudem ermöglicht sie es, mit einfachen Mitteln die Kontaktgeschwindigkeiten des Hybridleistungsschalters 1 an die jeweiligen besonderen betrieblichen Anforderungen anzupassen. Zwischen den beiden Löschkammern 2 und 3 ist ein Getriebe 6 angeordnet, welches die Bewegungen der beiden Löschkammern 2 und 3 miteinander verknüpft und die Bewegungsabläufe technisch sinnvoll aufeinander abstimmt.
• Das Antriebsgestänge 5 wird durch einen die Löschkammern 2 und 3 des Hybridleistungsschalters 1 tragenden Stützisolator 7 gegen Umwelteinflüsse geschützt. Der Stützisolator 7 ist erdseitig druckdicht mit dem nicht dargestellten Antrieb verbunden, löschkammerseitig ist er mit einem metallischen Flansch 8 versehen, der mit einem ersten metallischen Anschlussflansch 9 verschraubt ist. Über den Anschlussflansch 9 wird die Antriebsseite der Löschkammer 2 mit dem elektrischen Netz verbunden. Mit dem Anschlussflansch 9 ist ferner ein erster Endflansch 10 eines Löschkammergehäuses 11 verschraubt. Das Löschkammergehäuse 11 ist zylinderförmig, druckdicht und elektrisch isolierend ausgebildet, es erstreckt sich entlang der Längsachse 4 und umgibt die beiden Löschkammern 2 und 3 und das Getriebe 6. Das Löschkammergehäuse 11 weist auf der dem ersten Endflansch 10 gegenüberliegenden Seite einen zweiten metallischen Endflansch 12 auf, der mit einem zweiten metallischen Anschlussflansch 13 verschraubt ist. Über den Anschlussflansch 13 wird die dem Antrieb abgewandte Seite der Löschkammer 3 mit dem elektrischen Netz verbunden. Zwischen dem Endflansch 12 und dem Anschlussflansch 13 wird eine metallische Tragplatte 14 gehalten.
• Der Anschlussflansch 9 ist starr und elektrisch leitend verbunden mit dem zylindrisch ausgebildeten metallischen Tragrohr 15, welches konzentrisch zur Längsachse 4 angeordnet ist. Das Tragrohr 15 weist nicht dargestellte Öffnungen auf, die dem Gasaustausch zwischen dem Inneren des Tragrohrs 15 und dem übrigen Löschkammervolumen dienen. Der antriebsseitige innere Teil des Tragrohrs 15 dient als Führung für ein Führungsteil 16, welches mit dem Antriebsgestänge 5 verbunden ist und dieses gegen das Tragrohr 15 abstützt. Das Führungsteil 16 ist so ausgebildet, dass es den Hub h1 des Antriebsgestänges 5 begrenzt, wenn der Hybridleistungsschalter 1 in Ausschaltstellung ist.
• Das Antriebsgestänge 5 ist stirnseitig mit einem metallischen Kontaktrohr 17 verbunden, welches einen ersten beweglichen Leistungskontakt der ersten Löschkammer 2 darstellt. Der Schaft des Kontaktrohrs 17 weist nicht dargestellte Öffnungen auf, die dem Gasaustausch zwischen dem Inneren des Kontaktrohrs 17 und dem Inneren des Tragrohrs 15 dienen. Das Kontaktrohr 17 ist auf der dem Antrieb abgewandten Seite mit federnden Abbrandfingern 18 versehen, die tulpenförmig angeordnet sind. Die Abbrandfinger 18 umschliessen und kontaktieren einen metallischen Abbrandstift 19. Der Abbrandstift 19 ist im Zentrum der Löschkammer 2 axial erstreckt und axial beweglich angeordnet. Der Abbrandstift 19 bewegt sich stets entgegengesetzt zur Bewegungsrichtung des Kontaktrohrs 17. Der Abbrandstift 19 stellt den zweiten beweglichen Leistungskontakt der ersten Löschkammer 2 dar.
• Das Tragrohr 15 weist auf der dem Antrieb abgewandten Seite eine Verjüngung 20 auf und eine Führungspartie 21, die das Kontaktrohr 17 führt. Die Führungspartie 21 ist innen mit nicht dargestellten Spiralkontakten versehen, die den einwandfreien Stromübergang vom Tragrohr 15 auf das Kontaktrohr 17 ermöglichen. Auf der Verjüngung 20 gleitet aussen eine metallische Düsenhalterung 22, die antriebsseitig mit Gleitkontakten 23 ausgestattet ist, die einen einwandfreien Stromübergang vom Tragrohr 15 auf die Düsenhalterung 22 ermöglichen.
• Die Düsenhalterung 22 umschliesst ein Kompressionsvolumen 24. Das Kompressionsvolumen 24 wird antriebsseitig durch ein Rückschlagventil 25 abgeschlossen, welches durch die Führungspartie 21 gehalten wird. Das Rückschlagventil 25 weist eine Ventilscheibe 26 auf, die bei einem Überdruck im Kompressionsvolumen 24 den Austritt des komprimierten Gases in das für die beiden Löschkammern 2 und 3 gemeinsame Löschkammervolumen 27 verhindert. Auf der entgegengesetzten Seite des zylindrisch ausgebildeten Kompressionsvolumens 24 ist ein weiteres, in der Düsenhalterung 22 gehaltenes Rückschlagventil 28 vorgesehen, dessen Ventilscheibe 29 bei einem Überdruck im Kompressionsvolumen 24 den Austritt des komprimierten Gases aus diesem Kompressionsvolumen 24 erlaubt.
• In der Düsenhalterung 22 ist auf der dem Antrieb abgewandten Seite eine Isolierdüse 30 gehalten. Die Isolierdüse 30 ist konzentrisch um den Abbrandstift 19 angeordnet. Das Kontaktrohr 17, die Düsenhalterung 22 und die Isolierdüse 30 bilden eine einstückige Baugruppe. Das Düsenengnis ist unmittelbar vor den Abbrandfingern 18 angeordnet und die Isolierdüse 30 öffnet sich in die den Abbrandfingern 18 entgegengesetzte Richtung. Die Düsenhalterung 22 weist auf der Aussenseite eine als Kontaktstelle ausgelegte Verdickung 31 auf. Auf dieser Verdickung 31 liegen im eingeschalteten Zustand der Löschkammer 2 Gleitkontakte 32 auf. Diese Gleitkontakte 32 sind verbunden mit einem zylindrisch ausgebildeten metallischen Gehäuse 33, welches durch ein ortsfest montiertes metallisches Führungsteil 34 gehalten wird. In einer zentralen Bohrung des Führungsteils 34 sind nicht dargestellte Gleitkontakte vorgesehen, die das Führungsteil 34 mit dem Abbrandstift 19 elektrisch leitend verbinden. Von dem Führungsteil 34 geht die Strombahn, wie eine Wirkungslinie 35 andeutet, über ein Anschlussteil 44 weiter zum beweglichen Kontakt 36 der zweiten Löschkammer 3.
• Auf der dem Antrieb abgewandten Seite der Isolierdüse 30 ist an dieser eine elektrisch isolierende Haltescheibe 37 starr befestigt. Die Haltescheibe 37 kann jedoch auch aus einem Metall gefertigt sein, wenn die dielektrischen Verhältnisse in diesem Bereich das zulassen. In diese Haltescheibe 37 ist eine Zahnstange 38 eingeschraubt, die sich parallel zur Längsachse 4 erstreckt und die das Getriebe 6 betätigt. Die Zahnstange 38 steht mit zwei Zahnrädern 39 und 40 im Eingriff, sie wird durch eine Stützrolle 41 gegen diese Zahnräder 39 und 40 gedrückt. In den Schaft des durch das Führungsteil 34 geführten Abbrandstifts 19 ist eine mit Zähnen versehene Nut eingelassen, in welche das Zahnrad 39 eingreift. Eine weitere Stützrolle 42 drückt den Schaft des Abbrandstifts 19 gegen das Zahnrad 39. Das Zahnrad 40 betätigt über einen mit ihm beweglich gekoppelten Hebel 43 die zweite Löschkammer 3. Der Hebel 43 ist mit dem Anschlussteil 44 gekoppelt, welches elektrisch leitend mit dem beweglichen Kontakt 36 der zweiten Löschkammer 3 verbunden ist.
• Die zweite Löschkammer 3 ist hier schematisch als Vakuumschaltkammer dargestellt. Es ist beispielsweise möglich, die Schaltstelle dieser Löschkammer 3 auch mittels anderer Schaltprinzipien zu realisieren. Die Löschkammer 3 ist vom isolierenden Medium, welches das gemeinsame Löschkammervolumen 27 füllt, umgeben. Die Löschkammer 3 weist einen feststehenden Kontakt 45 auf, der mit der Tragplatte 14 elektrisch leitend verbunden ist. Die Tragplatte 14 dient der Fixierung der Löschkammer 3. Die Löschkammer 3 weist ein Isoliergehäuse 46 auf, welches das Innere der Löschkammer 3 vom Löschkammervolumen 27 druckdicht abtrennt. Hier ist das. Isoliergehäuse 46 teilweise aufgeschnitten dargestellt.
• Die Wand des Isoliergehäuses 46 ist mit einem Widerstandsbelag 47 versehen. Dieser, für die beim Ausschalten notwendige Steuerung der Verteilung der wiederkehrenden Spannung über den beiden Löschkammern 2 und 3 vorgesehene Widerstandsbelag 47 kann auf der inneren oder auf der äusseren Oberfläche des Isoliergehäuses 46 aufgebracht sein. Durch diese günstige, sehr platzsparende Ausgestaltung des Widerstandsbelags 47 können die Abmessungen der zweiten Löschkammer 3 vorteilhaft klein gehalten werden. Der ohmsche Widerstand des Widerstandsbelags 47 liegt hier im Bereich zwischen 10 kΩ und 500 kΩ, als besonders günstig hat sich der Widerstandswert von 100 kΩ erwiesen.
• Die Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform der zweiten Löschkammer 3, die hier als Vakuumschaltkammer ausgebildet ist, in stark vereinfachter Darstellung. Diese Vakuumschaltkammer ist mit einem zylinderförmig ausgebildeten, elektrisch leitenden Schirm 49 versehen, der Schaltrückstände von dem Isoliergehäuse 46 bzw. vom Widerstandsbelag 47 fernhält. Der Schirm 49 ist mittels einer elektrisch leitenden Brücke 50 mit der potentialmässigen Mitte des Widerstandsbelags 47 verbunden, er liegt beim Ausschalten definiert auf diesem Potential. Die Kontaktierung der Brücke 50 mit dem Widerstandsbelag 47 erfolgt mittels eines auf den Widerstandsbelag 47 aufgetragenen Leitlacks. Es sind jedoch auch Ausführungsvarianten ohne diese Brücke 50 vorstellbar. Der Widerstandsbelag 47 kann streifenförmig auf der inneren oder äusseren Oberfläche des Isoliergehäuses 46 aufgebracht sein, es kann jedoch auch dessen gesamte Oberfläche mit dem Widerstandsbelag 47 beschichtet sein.
• Der Widerstandsbelag 47 weist hier eine Matrix aus Epoxidharz auf, in welche, gleichmässig verteilt, Russ und kugelförmige Glaspartikel eingelagert sind. Der Russ dient als elektrischer Leiter, mit der Menge des beigemischten Russes wird der Widerstandswert des Widerstandsbelags 47 eingestellt. Die kugelförmigen Glaspartikel dienen als Füllstoff; sie haben die Aufgabe, den Ausdehnungskoeffizienten des Widerstandsbelags 47 demjenigen des Isoliergehäuses 46 anzugleichen, um zu vermeiden, dass sich beim Auftreten von Wärmedehnungen der Widerstandsbelag 47 vom Isoliergehäuse 46 ablöst. Der Widerstandsbelag 47 kann vorgefertigt und dann in das Isoliergehäuse 46 eingeklebt bzw. aussen aufgeklebt werden; er kann aber auch als Paste auf die jeweilige Oberfläche des Isoliergehäuses 46 aufgetragen und danach ausgehärtet werden, wobei er sehr gut auf dem Material des Isoliergehäuses 46 haftet. Das hier eingesetzte Isoliergehäuse 46 ist aus einem Keramikmaterial gefertigt, es sind jedoch auch andere Isoliermaterialien vorstellbar. Beim Aushärtungsvorgang wird dann das Isoliergehäuse 46 mit erwärmt.
• Das für die Matrix des Widerstandsbelags 47 verwendete Giessharz kann aus einer der Gruppen der anhydridgehärteten Epoxidharze, der ungesättigten Polyesterharze, der Acrylharze und der Polyurethanharze stammen. Es ist aber auch möglich, ein elektrisch leitfähiges Silikonharz mit entsprechend eingestellter Leitfähigkeit als Widerstandsbelag 47 einzusetzen. Die als Füllstoff dienenden kugelförmigen Glaspartikel weisen einen Durchmesser von 1 µm bis 50 µm auf, mit einer guten mittleren Verteilung im Bereich zwischen 10 µm und 30 µm. Vorteilhaft werden kugelförmige Glaspartikel verwendet, die bereits mit einem Haftvermittler beschichtet sind, da dann die Verbindung zwischen der Giessharzmatrix und den kugelförmigen Glaspartikeln besonders innig ist, sodass ein sehr homogener Widerstandsbelag 47 entsteht. In Kombination mit den kugelförmigen Glaspartikeln oder auch ohne diese sind andere mineralische und sonstige anorganische Füllstoffe einsatzbar.
• Das gemeinsame Löschkammervolumen 27 ist mit einem elektrisch isolierend wirkenden, elektronegativen Gas oder Gasgemisch gefüllt, welches sowohl als Löschmedium für die erste Löschkammer 2 als auch als Isoliermedium dient. Der Fülldruck liegt hier im Bereich von 3 bar bis 22 bar, vorzugsweise werden 9 bar Fülldruck vorgesehen. Als Lösch- und Isoliermedium werden reines SF₆-Gas oder ein Gemisch von N₂-Gas mit SF₆-Gas eingesetzt. Es ist aber auch möglich, hier ein Gemisch aus Druckluft bzw. aus N₂-Gas und anderen elektronegativen Gasen einzusetzen. Besonders bewährt haben sich Gasgemische mit einem Anteil von 5% bis 50% SF₆-Gas.
• Im eingeschalteten Zustand führt der Hybridleistungsschalter 1 den Strom über folgende, als Nennstrombahn bezeichnete Strombahn: Anschlussflansch 9, Tragrohr 15, Düsenhalterung 22, Gehäuse 33, Führungsteil 34, Wirkungslinie 35, Anschlussteil 44, beweglicher Kontakt 36, feststehender Kontakt 45, Tragplatte 14 und Anschlussflansch 13. Es ist aber auch möglich, insbesondere dann, wenn der Hybridleistungsschalter 1 für vergleichsweise hohe Nennströme ausgelegt werden muss, auch parallel zur zweiten Löschkammer 3 eine separate, für hohe Nennströme geeignete Nennstrombahn vorzusehen.
• Wenn der Hybridleistungsschalter 1 einen Ausschaltbefehl erhält, so bewegt der nicht dargestellte Antrieb das Kontaktrohr 17 und mit diesem die Isolierdüse 30 nach links. Zugleich mit dieser Bewegung bewegt sich der Abbrandstift 19 angetrieben durch die Zahnstange 38 über das Zahnrad 39, in entgegengesetzter Richtung nach rechts, während das Gehäuse 33 und das Führungsteil 34 ortsfest bleiben. Sobald die Verdickung 31 der Düsenhalterung 22 sich von den Gleitkontakten 32 des Gehäuses 33 getrennt hat, ist die oben angegebene Nennstrombahn unterbrochen und der abzuschaltende Strom kommutiert nun auf die innen liegende Leistungsstrombahn. Die Leistungsstrombahn führt durch folgende Schalterteile: Anschlussflansch 9, Tragrohr 15, Führungspartie 21, Kontaktrohr 17, Abbrandstift 19, Führungsteil 34, Wirkungslinie 35, Anschlussteil 44, beweglicher Kontakt 36, feststehender Kontakt 45, Tragplatte 14 und Anschlussflansch 13.
• Das Kontaktrohr 17 und mit diesem die Isolierdüse 30 bewegt sich nach dem Unterbrechen der Nennstrombahn weiter nach links, und der Abbrandstift 19 bewegt sich mit der gleichen Geschwindigkeit in entgegengesetzter Richtung weiter. Im Verlaufe dieses Bewegungsablaufs erfolgt danach die Kontakttrennung in der Leistungsstrombahn. Diese Kontakttrennung hat zur Folge, dass sich zwischen den Abbrandfingern 18 und der Spitze des Abbrandstifts 19 in einem dafür vorgesehenen Lichtbogenraum 48 ein Lichtbogen ausbildet.
• Bis zu diesem Zeitpunkt bleibt die zweite Löschkammer 3 in der Regel geschlossen. Sie öffnet erst nach einer zeitlichen Verzögerung T_v, die durch folgende Beziehung definiert wird: $${\mathrm{T}}_{\mathrm{v}}=({\mathrm{t}}_{\mathrm{Libo\hspace{1em}min}}-{\mathrm{t}}_1)\mathrm{ms}\mathrm{.}$$

  

  Dabei ist t_{Libo min} die für die mit Gas beblasene Löschkammer 2 minimal mögliche Lichtbogenzeit in ms, die durch die Netzdaten des jeweiligen Einsatzorts des Hybridleistungsschalters 1 und die Eigenschaften des Hybridleistungsschalters 1, beispielsweise durch dessen Eigenzeit, bestimmt wird. Die Zeit t₁ liegt im Bereich von 2 ms bis 4 ms. Diese zeitliche Verzögerung T_v wird zwangsweise durch das Getriebe 6 erzeugt. Die zweite Löschkammer 3 hat auch einen wesentlich kleineren Hub h2 als die Löschkammer 2, wie aus der Figur 2 ersichtlich ist.
• Während der Ausschaltbewegung der ersten Löschkammer 2 wird das im Kompressionsvolumen 24 befindliche Gas oder Gasgemisch komprimiert, das Rückschlagventil 25 verhindert das Austreten des komprimierten Gases auf der der Isolierdüse 30 abgewandten Seite des Kompressionsvolumens 24 in das gemeinsame Löschkammervolumen 27. Durch das Rückschlagventil 28 strömt bereits eine vergleichsweise geringe Menge des komprimierten Gases in den Lichtbogenraum 48 ein, wenn die dort herrschenden Druckverhältnisse das erlauben. Der Durchmesser des Engnisses der Isolierdüse 30, der Durchmesser des Abbrandstifts 19, der am Anfang der Ausschaltbewegung noch einen wesentlichen Teil dieses Düsenengnisses und auch den Abströmquerschnitt durch die Abbrandfinger 18 verschliesst, und der innere Durchmesser des Kontaktrohrs 17 sind so aufeinander abgestimmt, dass während der Beblasung des Lichtbogens immer genügend Gas bzw. Gemisch aus nicht ionisiertem und ionisiertem Gas aus dem Lichtbogenraum 48 abgeführt wird, sodass sich dort nur ein im Vergleich zu konventionellen Leistungsschaltern wesentlich kleinerer Gasdruck aufbauen kann. Die Höhe dieses Gasdrucks wird so festgelegt, dass die Abströmgeschwindigkeit aus dem Lichtbogenraum 48 in der Regel im Bereich unterhalb der Schallgrenze liegt. Infolge dieser vergleichsweise kleinen Drücke im Lichtbogenraum 48 kann der Druckaufbau im Kompressionsvolumen 24 ebenfalls vergleichsweise klein gehalten werden, sodass für die Kompression lediglich eine vergleichsweise kleine Antriebsenergie benötigt wird. Im Vergleich zu konventionellen Leistungsschaltern kann hier beim Hybridleistungsschalter 1, bedingt durch die kleineren Gasdrücke beim Ausschalten, vorteilhaft ein schwächerer und damit billigerer Antrieb eingesetzt werden.
• Unmittelbar nach der Kontakttrennung in der Leistungsstrombahn gibt der Abbrandstift 19 einen grösseren Teil des Querschnitts des Engnisses der Isolierdüse 30 als Abströmquerschnitt frei. Bei vergleichsweise kleinen Abschaltströmen beginnt bereits bei der Kontakttrennung die Beblasung des im Lichtbogenraum 48 brennenden Lichtbogens. Das Lösch- und Isoliermedium strömt während dieser Beblasung stets mit einer Strömungsgeschwindigkeit, die im Bereich unterhalb der Schallgeschwindigkeit liegt. Beim Abschalten von grösseren Strömen, wie sie beispielsweise beim Abschalten von Kurzschlüssen im Netz auftreten können, heizt der Lichtbogen den Lichtbogenraum 48 und das in ihm vorhandene Gas so intensiv auf, dass der Druck in diesem Raum etwas höher ist als der Druck im Kompressionsvolumen 24. In diesem Fall verhindert das Rückschlagventil 28, dass das aufgeheizte und druckbeaufschlagte Gas in das Kompressionsvolumen 24 strömt und dort gespeichert werden kann. Das aufgeheizte und druckbeaufschlagte Gas strömt stattdessen einerseits durch das Innere des Kontaktrohrs 17 und andererseits durch die Isolierdüse 30 ab in das gemeinsame Löschkammervolumen 27. Die Beblasung des Lichtbogens setzt in diesem Fall erst dann ein, wenn die Intensität des Lichtbogens und damit der Druck im Lichtbogenraum 48 soweit abgeklungen ist, dass das Rückschlagventil 28 öffnen kann, d.h. der Druck im Kompressionsvolumen 24 ist dann höher als der Druck im Lichtbogenraum 48. Das Lösch- und Isoliermedium strömt auch in diesem Fall während der Beblasung des Lichtbogens mit einer Strömungsgeschwindigkeit, die im Bereich unterhalb der Schallgeschwindigkeit liegt.
• Bei dieser Ausführungsform des Hybridleistungsschalters 1 ist der Lichtbogenraum 48 der ersten Löschkammer 2 so ausgelegt, dass ein sehr geringes Totvolumen vorhanden ist, sodass keine nennenswerte Speicherung von vom Lichtbogen selbst erzeugten druckbeaufschlagtem Gas erfolgen kann, und infolgedessen auch keine nennenswerte Unterstützung der Beblasung des Lichtbogens durch selbst erzeugtes druckbeaufschlagtes Gas erfolgt, denn nur so ist es möglich, eine Strömungsgeschwindigkeit im Unterschallbereich bei der Beblasung des Lichtbogens zu gewährleisten.
• Wenn die Löschkammern 2 und 3 den Lichtbogen gelöscht haben, tritt zwischen den Abbrandfingern 18 und dem Abbrandstift 19 der Löschkammer 2, bzw. zwischen dem beweglichen Kontakt 36 und dem feststehenden Kontakt 45 der Löschkammer 3, jeweils ein Teil der wiederkehrenden Spannung auf. Die Schaltstrecke der Vakuumschaltkammer verfestigt sich unmittelbar nach dem Löschen stets rascher als die Schaltstrecke eines Gasschalters, sodass die Vakuumschaltkammer am Anfang des steilen Anstiegs der wiederkehrenden Spannung den grösseren Teil dieser Spannung übernehmen wird. Die Aufteilung der wiederkehrenden Spannung auf zwei in Reihe geschaltete Löschkammern wird im Normalfall durch die Eigenkapazitäten der beiden Löschkammern bestimmt. Hier stellt jedoch der vergleichsweise hochohmige Widerstand des Widerstandsbelags 47, der parallel zur zweiten Löschkammer 3 angeordnet ist, genau definiert sicher, dass die Aufteilung der wiederkehrenden Spannung auf die beiden Löschkammern 2 und 3 so erfolgt, dass zunächst der grössere Anteil der wiederkehrenden Spannung an der zweiten Löschkammer 3 anliegt. Erst im weiteren Verlauf des Ausschaltvorgangs übernimmt dann die erste Löschkammer 2 den überwiegenden Anteil der wiederkehrenden Spannung, die dann den Hybridleistungsschalter 1 gesamthaft beaufschlagt. Im ausgeschalteten Zustand des Hybridleistungsschalters 1 hält die erste Löschkammer 2 den überwiegenden Anteil der anliegenden Spannung. Bei der Auslegung dieser ohmschen Spannungssteuerung wird darauf geachtet, dass in der zweiten Löschkammer 3 im Anstieg der wiederkehrenden Spannung keine Wiederzündungen auftreten können.
• In der Figur 2 ist der Hybridleistungsschalter 1 in ausgeschaltetem Zustand dargestellt. Beim Einschalten des Hybridleistungsschalters 1 schliesst stets zuerst die zweite Löschkammer 3, und zwar ohne Strombeaufschlagung. Dieser zeitliche Vorlauf wird durch das Getriebe 6 sichergestellt. Erst nachdem die zweite Löschkammer 3 geschlossen ist, bewegen sich die beiden beweglichen Kontakte der Leistungsstrombahn der ersten Löschkammer 2 aufeinander zu. Wenn die entsprechende Vorzünddistanz erreicht ist, bildet sich ein Einschaltlichtbogen aus und schliesst den Stromkreis. Die beiden beweglichen Kontakte der Leistungsstrombahn der Löschkammer 2 bewegen sich weiter aufeinander zu, bis sie sich kontaktieren. Erst danach wird die Nennstrombahn geschlossen und übernimmt die weitere Stromführung durch die Löschkammer 2. Die beiden beweglichen Kontakte der Leistungsstrombahn der Löschkammer 2 bewegen sich noch etwas weiter, bis sie schliesslich die definitive Einschaltstellung erreicht haben.
• Als besonders vorteilhaft erweist es sich bei diesem Hybridleistungsschalter 1, dass die zweite Löschkammer 3 stromlos einschaltet und deshalb beim Einschalten keinem Kontaktabbrand und auch keinem Kontaktkleben infolge von Verschweissungen von überhitzten Kontaktoberflächen unterworfen ist. Die Kontakte 36 und 45 brauchen, normale Betriebsverhältnisse vorausgesetzt, während der Lebensdauer des Hybridleistungsschalters 1 nicht ersetzt zu werden, was den betrieblichen Unterhalt des Hybridleistungsschalters 1 vorteilhaft vereinfacht Und dessen betriebliche Verfügbarkeit vorteilhaft vergrössert.
• Als erste Löschkammer 2 können ausser der beschriebenen, mit einem Kompressionsvolumen 24 für die Erzeugung des für die Beblasung des Lichtbogens nötigen druckbeaufschlagten Gases versehenen Ausführungsform weitere Ausführungsformen eingesetzt werden, wie beispielsweise: eine Löschkammer mit einem separaten Speichervolumen für die Speicherung des durch Lichtbogenunterstützung erzeugten Gasanteils, welches mit dem Kompressionsvolumen zusammenwirkt, oder eine Löschkammer mit einem nur teilweise komprimierbaren Speichervolumen für die Speicherung des durch Lichtbogenunterstützung erzeugten Gasanteils, oder eine Löschkammer mit einem nur teilweise komprimierbaren Blasvolumen, bei der das druckbeaufschlagte Gas völlig ohne Lichtbogenunterstützung erzeugt wird.
• Bei jeder dieser Ausführungsformen des Hybridleistungsschalters 1 wird die zweite Löschkammer 3 beim Ausschalten ebenfalls gegenüber der ersten Löschkammer 2 zeitlich verzögert geöffnet und beim Einschalten zeitlich vorlaufend geschlossen, wie dies bereits beschrieben wurde. Ferner können bei jeder der hier beschriebenen Ausführungsformen die Antriebskräfte beim Ausschalten mittels eines Differentialkolbens zusätzlich unterstützt werden. Durch diese Massnahme kann auf einfache Weise der Bedarf an mechanischer Antriebsenergie weiter reduziert und der Antrieb weiter verbilligt werden.
• Bei den vorab beschriebenen Ausführungsformen des Hybridleistungsschalters 1 hat es sich als besonders vorteilhaft ergeben, dass, abhängig von dem SF₆-Gehalt in der Gasfüllung der Löschkammer 2, gegenüber konventionellen Leistungsschaltern ein um den Faktor 5 bis 15 geringerer Löschdruck in der Löschkammer 2 erforderlich ist. Der Antrieb und auch die übrigen Bauelemente können deshalb für geringere Kraft- und Druckbelastungen ausgelegt werden, was den Hybridleistungsschalter 1 vorteilhaft verbilligt.
BEZEICHNUNGSLISTE

1

Hybridleistungsschalter

2,3

Löschkammer

4

Längsachse

5

Antriebsgestänge

6

Getriebe

7

Stützisolator

8

Flansch

9

Anschlussflansch

10

Endflansch

11

Löschkammergehäuse

12

Endflansch

13

Anschlussflansch

14

Tragplatte

15

Tragrohr

16

Führungsteil

17

Kontaktrohr

18

Abbrandfinger

19

Abbrandstift

20

Verjüngung

21

Führungspartie

22

Düsenhalterung

23

Gleitkontakte

24

Kompressionsvolumen

25

Rückschlagventil

26

Ventilscheibe

27

Löschkammervolumen

28

Rückschlagventil

29

Ventilscheibe

30

Isolierdüse

31

Verdickung

32

Gleitkontakte

33

Gehäuse

34

Führungsteil

35

Wirkungslinie

36

beweglicher Kontakt

37

Haltescheibe

38

Zahnstange

39,40

Zahnrad

41,42

Stützrolle

43

Hebel

44

Anschlussteil

45

feststehender Kontakt

46

Isoliergehäuse

47

Widerstandsbelag

48

Lichtbogenraum

49

Schirm

50

Brücke

Claims (14)

1. Hybridleistungsschalter (1) mit mindestens zwei in Reihe geschalteten, von einem gemeinsamen Antrieb oder von separaten Antrieben betätigten, mit unterschiedlichen Löschmedien gefüllten Löschkammern (2,3), wobei das Lösch- und Isoliermedium einer ersten Löschkammer (2) eine zweite Löschkammer (3) isolierend umgibt, wobei Mittel vorgesehen sind, die im Verlaufe eines Schaltvorgangs eine sinnvolle Spannungsverteilung über die erste (2) und die zweite Löschkammer (3) gewährleisten, und wobei als Lösch- und Isoliermedium der ersten Löschkammer (2) ein druckbeaufschlagtes Gas oder ein Gasgemisch verwendet wird, während als zweite Löschkammer (3) mindestens eine Vakuumschaltkammer mit einem Isoliergehäuse (46) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet,

   - dass Mittel vorgesehen sind, welche beim Ausschaltvorgang stets einen zeitlichen Vorlauf der Ausschaltbewegung der ersten Löschkammer (2) gegenüber der Ausschaltbewegung der zweiten Löschkammer (3) und beim Einschaltvorgang stets einen zeitlichen Vorlauf der Einschaltbewegung der zweiten Löschkammer (3) gegenüber der Einschaltbewegung der ersten Löschkammer (2) sicherstellen,

   - dass die zweite Löschkammer (3) mit einem ohmschen Widerstand starr überbrückt ist, und

   - dass der ohmsche Widerstand als auf die Innenwand oder die Aussenwand des Isoliergehäuses (46) der zweiten Löschkammer (3) aufgebrachter Widerstandsbelag (47) ausgebildet ist.
2. Hybridleistungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

   - dass der Wert des ohmschen Widerstands im Bereich zwischen 10 und 500 kΩ liegt, dass er vorzugsweise jedoch 100 kΩ beträgt.
3. Hybridleistungsschalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,

   - dass der Widerstandsbelag (47) als streichfähige Paste mit einer aushärtbaren Giessharzmatrix in das Isoliergehäuse (46) eingebracht oder aussen aufgebracht und beim Aushärten mit diesem verbunden wird.
4. Hybridleistungsschalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,

   - dass der Widerstandsbelag (47) als vorgefertigtes Teil mit einer ausgehärteten Giessharzmatrix eingebracht oder aufgebracht und mit dem Isoliergehäuse (46) verbunden ist.
5. Hybridleistungsschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,

   - dass der Ausdehnungskoeffizient des Widerstandsbelags (47) dem des Isoliergehäuses (46) mittels als Füllstoff dienenden kugelförmigen Glaspartikeln angeglichen ist, wobei diese Glaspartikel einen Durchmesser von 1 µm bis 50 µm aufweisen, mit einer guten mittleren Verteilung im Bereich zwischen 10 µm und 30 µm.
6. Hybridleistungsschalter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,

   - dass die kugelförmigen Glaspartikel mit einem Haftvermittler beschichtet sind.
7. Hybridleistungsschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet,

   - dass die Leitfähigkeit des Widerstandsbelags (47) mittels Beimischung von leitfähigen Partikeln, vorzugsweise Russpartikeln, erreicht wird.
8. Hybridleistungsschalter nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet,

   - dass das für die Matrix des Widerstandsbelags (47) verwendete Giessharz aus einer der Gruppen der anhydridgehärteten Epoxidharze, der ungesättigten Polyesterharze, der Acrylharze oder der Polyurethanharze stammt.
9. Hybridleistungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

   - dass die erste Löschkammer (2) eine Leistungsstrombahn und eine zu ihr parallele Nennstrombahn aufweist, und

   - dass die zweite Löschkammer (3) keine separate Nennstrombahn aufweist.
10. Hybridleistungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

    - dass sowohl die erste (2) als auch die zweite Löschkammer (3) eine Leistungsstrombahn und eine zu ihr parallele Nennstrombahn aufweisen.
11. Hybridleistungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

    - dass als Lösch- und Isoliermedium in der ersten Löschkammer (2) reines SF₆-Gas oder ein Gemisch aus N_2-Gas und SF₆-Gas eingesetzt wird oder ein Gemisch aus Druckluft mit anderen elektronegativen Gasen eingesetzt wird.
12. Hybridleistungsschalter nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet,

    - dass vorzugsweise ein Gasgemisch mit einem Anteil von 5% bis 50% SF₆-Gas eingesetzt wird.
13. Hybridleistungsschalter nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet,

    - dass der Fülldruck der ersten Löschkammer (2) im Bereich von 3 bar bis 22 bar, vorzugsweise jedoch bei 9 bar, liegt.
14. Hybridleistungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

    - dass beim Ausschalten der zeitliche Vorlauf T_v der Ausschaltbewegung der ersten Löschkammer (2) gegenüber der zweiten Löschkammer (3) durch folgende Beziehung definiert wird: $${\mathrm{T}}_{\mathrm{v}}=\left({\mathrm{t}}_{\mathrm{Libo}\mathrm{\hspace{0.17em}}\min }-{\mathrm{t}}_1\right)\mathrm{m}\mathrm{s},$$

    

    wobei t_{Libo min} die für die erste Löschkammer (2) minimal mögliche Lichtbogenzeit ist und t₁ eine Zeit im Bereich von 2 ms bis 4 ms ist.

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