EP1605485B1

EP1605485B1 - Leistungsschalter

Info

Publication number: EP1605485B1
Application number: EP04405351A
Authority: EP
Inventors: Xiangyang Ye; Frank Wolter; Helmut Heiermeier
Original assignee: ABB Technology AG
Current assignee: ABB Technology AG
Priority date: 2004-06-07
Filing date: 2004-06-07
Publication date: 2007-08-08
Anticipated expiration: 2024-06-07
Also published as: ATE369614T1; JP2008502098A; EP1605485A1; US20070075044A1; JP4643634B2; CN1965382A; WO2005122201A1; US7402771B2; DE502004004571D1; CN1965382B

Description

TECHNISCHES GEBIET

Die Erfindung geht aus von einem Leistungsschalter gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

STAND DER TECHNIK

Aus der Patentschrift CH 645 753 ist ein Leistungsschalter bekannt, der in einem elektrischen Hochspannungsnetz eingesetzt werden kann. Dieser Leistungsschalter weist eine rotationssymmetrisch ausgebildete Löschkammer auf, die mit einem elektronegativen Gas, beispielsweise mit SF₆-Gas, als Lösch- und Isoliermedium gefüllt ist. Die Löschkammer weist einen Lichtbogenraum auf in dem das Lösch- und Isoliermedium durch den zwischen zwei Leistungskontaktstücken brennenden Ausschaltlichtbogen ionisiert und aufgeheizt wird. Ein Teil dieses aufgeheizten Lösch- und Isoliermediums strömt durch eine Isolierdüse in ein Auspuffvolumen ab, wo es mittels einer Kühleinrichtung gekühlt und umgelenkt wird. Eine Vermischung des aufgeheizten Lösch- und Isoliermediums mit dem im Auspuff vorhandenen kalten Gas ist nur in vergleichsweise geringem Umfang möglich, da der überwiegende Teil des kalten Gases von dem aufgeheizten Lösch- und Isoliermedium aus dem Auspuff herausgedrückt wird, ehe eine nennenswerte Vermischung möglich ist. Der Strömungswiderstand, den die Kühleinrichtung dem strömenden Gas entgegensetzt, wird bei diesem Leistungsschalter möglichst gering gehalten. Das gekühlte und entionisierte Lösch- und Isoliermedium steht dann wieder für weitere Schaltvorgänge zur Verfügung.
Die Kühleinrichtung weist Kühlbleche auf, die aufwendig strömungsgünstig geformt werden und aufwendig gehalten werden müssen, zudem werden sie aus einem abbrandbeständigen und deshalb vergleichsweise teuren Metall gefertigt. Eine Kühlung des aufgeheizten Lösch- und Isoliermediums durch Vermischung mit kaltem Gas findet hier nur in sehr geringem Umfang statt.
Bei der Erfindung wird ausgegangen von dem Stand der Technik gemäß dem US 4, 471, 187 . Dort wird ein Hochspannungsschalter mit einer speziellen Auspuffgestaltung gezeigt, wobei in einem Abgasvolumen Verwirbelungsbleche angeordnet sind, mit deren Hilfe die Auspuffgase zwangsweise verwirbelt und zumindest lokal rezirkuliert werden. So kann das Auspuffgas besser gekühlt werden.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Die Erfindung, wie sie im unabhängigen Anspruch beansprucht ist, löst die Aufgabe, einen Leistungsschalter mit deutlich erhöhter Ausschaltleistung zu schaffen, dessen Auspuff vergleichsweise einfach und kostengünstig aufgebaut ist und der die heissen Gase besonders wirksam kühlt.
Der erfindungsgemässe Leistungsschalter weist in einer mit einem Isoliergas gefüllten Kapselung mindestens eine entlang einer Längsachse erstreckte, mindestens zwei Leistungskontakte und einen diesen zugeordneten Lichtbogenraum enthaltende Löschkammer auf. Der Lichtbogenraum steht mit mindestens einem ein Auspuffvolumen aufweisenden Auspuff in Wirkverbindung. Der Auspuff ist für die Kühlung von bei Ausschaltungen entstehenden Heissgasen ausgebildet und ist mit einem Löschkammervolumen verbunden. Im Bereich des Auspuffs ist mindestens ein den Strömungswiderstand der Heissgase erhöhendes, zwangsweise erzeugtes Rezirkulationsgebiet vorgesehen, wobei die Heissgase aus dem Lichtbogenraum in ein Zwischenvolumen strömen und anschliessend an das Zwischenvolumen ein ein Düsenengnis aufweisendes, lavaldüsenartig ausgebildetes Strömungsrohr in das mit dem Löschkammervolumen verbundene Auspuffvolumen führt. An das Zwischenvolumen ist also ein das Düsenengnis aufweisendes, lavaldüsenartig ausgebildetes Strömungsrohr angefügt, welches in das mit dem Löschkammervolumen verbundene Auspuffvolumen führt.
Bei einer Variante dieses erfindungsgemässen Leistungsschalters ist im Zwischenvolumen mindestens eine in die Strömung der Heissgase ragende Prallplatte vorgesehen.
Eine bevorzugte Ausführungsform des Leistungsschalters ist so ausgebildet, dass zwischen dem Eintritt der Heissgase in das Zwischenvolumen und der Prallplatte ein Abstand L₁ vorgesehen ist, dass zwischen der Prallplatte und dem Düsenengnis ein Abstand L₂ vorgesehen ist, dass zwischen dem Düsenengnis und einer Austrittskante des Strömungsrohrs ein Abstand L₃ vorgesehen ist, dass zwischen den Abständen die folgende Beziehung gilt: L₂ = 0,7·L₁, und dass die Länge L₃ des Strömungsrohrs im Bereich des zwei- bis dreifachen Durchmessers des Düsenengnisses des Strömungsrohrs liegt.
Bei einer besonders leistungsfähigen weiteren Variante des Leistungsschalters sind im Auspuffvolumen Mittel vorgesehen, welche die Strömung der Heissgase um bis zu 180° umlenken.
Eine für extrem grosse Abschaltleistungen geeignete Variante des Leistungsschalters weist im Strömungsrohr Öffnungen auf, die einen zusätzlichen Gaseintritt in das Strömungsrohr ermöglichen, sodass sich mindestens ein zweites, zwangsweise erzeugtes Rezirkulationsgebiet ausbildet, in welchem die Heissgase besonders wirksam mit kälterem Gas vermischt und gekühlt werden.
Die durch die Erfindung erreichten Vorteile sind darin zu sehen, dass infolge einer besonders guten Kühlung der heissen Gase eine fortschreitende Volumenreduktion derselben und damit eine optimale Abströmung der heissen Gase aus dem Lichtbogenraum gewährleistet ist, sodass bei etwa gleichbleibenden Abmessungen der Löschkammer eine deutlich höhere Ausschaltleistung des Leistungsschalters erreicht wird.
Zugleich wird auch Zuverlässigkeit beim Ausschalten des Leistungsschalters vorteilhaft erhöht.
Die weiteren vorteilhaften 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 einen Teilschnitt durch eine stark vereinfacht und schematisch dargestellte Löschkammer einer ersten Ausführungsform eines gekapselten Leistungsschalters,
Fig.2 einen stark vereinfacht und schematisch dargestellten Teilschnitt durch den Auspuffbereich der Löschkammer gemäss Fig.1,
Fig. 3 einen stark vereinfacht und schematisch dargestellten Teilschnitt durch eine weitere Auspuffvariante der Löschkammer gemäss Fig.1, und
Fig. 4 eine Ausführungsvariante eines vereinfacht dargestellten Auspuffdetails.

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

Ein Leistungsschalter kann eine oder mehrere in Reihe geschaltete, mit einem Isoliergas gefüllte Löschkammern aufweisen, die nach einem der herkömmlichen Schaltprinzipien arbeiten, also beispielsweise als Selbstblaskammer, als Selbstblaskammer mit mindestens einer zusätzlichen Kompressionskolbenanordnung oder als einfacher Kompressionskolbenschalter. Der Leistungsschalter kann als gekapselter Leistungsschalter ausgebildet sein, wobei als Kapselungsmaterial Metall oder Kunststoff gewählt werden kann. Der Leistungsschalter kann also beispielsweise als Freiluftschalter, als Teil einer metallgekapselten gasisolierten Schaltanlage oder als Dead Tank Breaker ausgebildet sein. Die Figur 1 zeigt einen Teilschnitt durch die stark vereinfacht und schematisch dargestellte Löschkammer 1 einer ersten Ausführungsform eines Leistungsschalters während eines Ausschaltvorgangs, wobei die in der Regel neben der gezeigten Leistungsstrombahn stets vorhandene parallele Nennstrombahn nicht dargestellt ist.
Diese Löschkammer 1 ist hier beispielsweise rotationssymmetrisch aufgebaut und erstreckt sich entlang einer Längsachse 2. Die Löschkammer 1 wird hier von einer konzentrisch angeordneten und geerdeten Metallkapselung 3 gasdicht umschlossen. Die elektrisch isolierenden Halterungen, welche die Löschkammer 1 in der Metallkapselung 3 fixieren, sind nicht dargestellt. Die Löschkammer 1 weist einen Lichtbogenraum 4 auf, in welchem während des Ausschaltvorgangs zwischen zwei stabförmigen Leistungskontakten 5 und 6 ein Lichtbogen 7 brennt. Der Leistungskontakt 5 ist hier als beweglicher Kontakt ausgebildet, der sich beim Ausschaltvorgang axial in Richtung eines Pfeils 8 bewegt, der Leistungskontakt 6 ist dagegen als ortsfester Kontakt ausgebildet, seine mechanische Befestigung ist jedoch der Einfachheit halber nicht dargestellt. Es könnten jedoch auch Löschkammervarianten mit beidseitig bewegbaren Leistungskontakten oder beidseitig feststehenden Leistungskontakten entsprechend ausgerüstet werden. Der Lichtbogenraum 4 ist in radialer Richtung durch die Innenwand einer Isolierdüse 9 begrenzt. Die Isolierdüse 9 öffnet sich in Richtung eines Zwischenvolumens 10. Die Isolierdüse 9 kann feststehend ausgebildet sein, sie kann aber auch, wie hier zugrunde gelegt, gemeinsam mit dem Leistungskontakt 5 beweglich sein.
Beim Ausschalten heizt der Lichtbogen 7 das Isoliergas im Lichtbogenraum 4 in bekannter Weise auf. Der überwiegende Teil dieses aufgeheizten, ionisierten und mit Druck beaufschlagten Gases strömt durch die Isolierdüse 9 ab in das Zwischenvolumen 10. Dieser aus der Isolierdüse 9 austretende kegelförmige Heissgasstrom trifft auf eine, auf dem ortsfesten Leistungskontakt 6 befestigte, in der Regel metallische Prallplatte 11 auf. Diese kreisförmig ausgebildete Prallplatte 11 verursacht eine Umlenkung des Heissgasstromes und verhindert so ein direktes axiales Weiterströmen des Heissgases in ein Auspuffvolumen 12. Ein Pfeil 13 deutet die generelle Strömungsrichtung dieses heissen Gases vom Lichtbogenraum 4 in die Auspuffregion und durch diese hindurch an.
Das Zwischenvolumen 10 wird in radialer Richtung durch eine metallische Wand 14 begrenzt. Auf der der Isolierdüse 9 zugewandten Seite ist an die Wand 14 in axialer Richtung ein Rohrstutzen 15 angefügt, der einen kleineren Durchmesser aufweist als das durch die Wand 14 nach aussen hin begrenzte Zwischenvolumen 10. In diesem Rohrstutzen 15 wird die Aussenseite der Isolierdüse 9 axial geführt. Auf der dem Rohrstutzen 15 abgewandten Seite ist an die Wand 14 des Zwischenvolumens 10 eine Verengung 16 angefügt, welche das Zwischenvolumen 10 auf dieser Seite begrenzt. Der Übergang von der Wand 14 zu der Verengung 16 weist einen Radius R auf. Dieser Radius R unterstützt die Umlenkung der Heissgase im Zwischenvolumen 10. Für Ausschaltströme im Bereich von 40 kA bis 70 kA wird ein Radius R im Bereich von 25mm gewählt, wodurch ein Austrittswinkel α der abgekühlten Auspuffgase von rund 30° erreicht wird. Die Verengung 16 geht über in ein axial erstrecktes, lavaldüsenartig ausgebildetes metallisches Strömungsrohr 17, welches auf der dem Zwischenvolumen 10 zugewandten Seite ein Düsenengnis 18 aufweist, und welches sich dem Auspuffvolumen 12 zu öffnet. Das Ende des Strömungsrohrs 17 in Richtung Auspuffvolumen 12 wird als Austrittskante 17a bezeichnet. Das lavaldüsenartig ausgebildete Strömungsrohr 17 verbindet demnach das Zwischenvolumen 10 mit dem Auspuffvolumen 12.
Das Auspuffvolumen 12 wird durch ein strömungsgünstig ausgebildetes metallisches Auspuffgehäuse 19 begrenzt, welches die Strömung des Heissgases um bis zu 180° umlenkt. Ein zylindrisch ausgebildeter Teil des Auspuffgehäuses 19 weist in etwa den gleichen Aussendurchmesser auf wie das Zwischenvolumen 10 und umgibt das Strömungsrohr 17, wobei zwischen diesem und dem Auspuffgehäuse 19 ein Kanal 20 mit ringförmigem Querschnitt für das strömende, bereits etwas abgekühlte Heissgas verbleibt. Zwischen der Aussenwand der Verengung 16 und einer Endkante 21 des Auspuffgehäuses 19 verbleibt eine zylinderförmige Austrittsfläche, durch welche das weiter abgekühlte Gas schräg in ein Löschkammervolumen 22 strömt. Das Isoliergas im Löschkammervolumen 22 umgibt die vorab beschriebenen Aktivteile der Löschkammer 1 und isoliert diese gegen die Metallkapselung 3.
Das Zwischenvolumen 10 weist eine Länge L₁ bis zur Prallplatte 11 auf. Von der Prallplatte 11 bis zum Düsenengnis 18 ist der Abstand mit L₂ bezeichnet, und vom Düsenengnis 18 bis zur Austrittskante 17a weist das Strömungsrohr 17 die Länge L₃ auf. Besonders günstig im Hinblick auf die Kühlleistung der Auspuffanordnung hat sich das folgende Längenverhältnis erwiesen: L₂ = 0,7•L₁. Wenn eine grössere Längserstreckung der Auspuffanordnung ohne weiteres möglich ist, so sind hier auch Werte von 70 bis 100% von L₁ realisierbar. Die Länge L₃ des Strömungsrohrs 17 wird vorteilhaft so gewählt, dass sie dem dreifachen Durchmesser des Düsenengnisses 18 entspricht. Eine zufriedenstellende Auspuffleistung wird jedoch auch erreicht, wenn die Länge L₃ des Strömungsrohrs 17 so gewählt wird, dass sie im Bereich des zwei- bis dreifachen Durchmessers des Düsenengnisses 18 liegt.
Die Fig.2 zeigt einen stark vereinfacht und schematisch dargestellten Teilschnitt durch den Auspuffbereich der Löschkammer gemäss Fig.1. In dieser Fig.2 sind die für die Abströmung der heissen Gase aus dem Lichtbogenraum massgebenden Querschnitte bezeichnet. Eine Fläche F_D bezeichnet die Austrittsfläche der Heissgase aus der Isolierdüse 9, bzw. die Eintrittsfläche der Heissgase in das Zwischenvolumen 10, die Prallplatte 11 weist in etwa die gleiche wirksame Fläche wie die Fläche F_D auf. Eine Kreisringfläche F_A stellt die Fläche dar, die zwischen der Prallplatte 11 und der Wand 14 liegt. Eine Fläche F_E gibt den Querschnitt des Düsenengnisses 18 des Strömungsrohres 17 an. Eine Fläche F₁ gibt den Austrittsquerschnitt aus dem Strömungsrohr 17 an, wobei hier die Fläche F₁ etwa gleich gross ist wie die Fläche F_D. Eine Kreisringfläche F₂ stellt die Fläche dar, die zwischen der Austrittskante 17a des Strömungsrohres 17 und dem Auspuffgehäuse 19 liegt. Eine Kreisringfläche F₃ gibt den Querschnitt an, der zwischen dem Engnis des Strömungsrohres 17 und der gedachten Verlängerung des Auspuffgehäuses 19 liegt. Zwischen der Aussenwand der Verengung 16 und der Endkante 21 des Auspuffgehäuses 19 verbleibt eine zylinderförmige Austrittsfläche F₄.
Bei einer optimalen Auspuffgestaltung, welche die weiter oben beschriebenen Längenverhältnisse mit umfasst, werden die Fläche F_D , die Fläche der Prallplatte 11 und die Fläche F₁ in etwa gleich gross ausgebildet. Die Kreisringfläche F_A um die Prallplatte 11 herum ist so ausgebildet, dass sie 30 bis 80% der Fläche F_D aufweist. Eine optimale Auspuffleistung ergibt sich, wenn die Beziehung: F_A = 50%•F_D eingehalten wird. Die Flächen F_E und F₂ werden in der Regel so dimensioniert, dass sie im Bereich von 50 bis 70% von F_D liegen. Die Kreisringfläche F₃ ist etwa gleich gross wie die Fläche F_D , und ebenso die Austrittsfläche F₄.
Weitere Gestaltungsmöglichkeiten des beschriebenen Auspuffbereichs sind in der Fig.3 dargestellt. Die nachfolgend beschriebenen Varianten können, je nach verlangter Ausschaltleistung der Löschkammer 1, jede für sich oder auch kombiniert zu zweit oder zu dritt eingesetzt werden. Stromaufwärts der Prallplatte 11 wird hier eine zweite metallische Platte, eine kreisförmig ausgebildete Lochplatte 23, eingebaut, die mit einer Vielzahl von Öffnungen 24 versehen ist. Zwischen der Lochplatte 23 und der etwa den gleichen Durchmesser aufweisenden Prallplatte 11 wird ein Abstand A vorgesehen. Wenn diese Öffnungen 24 jeweils einen Durchmesser D₁ aufweisen, so ergibt sich eine besonders gute Kühlung des Heissgases, wenn das Verhältnis A/D₁ einen Wert von 2 aufweist, relativ gute Kühlresultate werden jedoch im gesamten Bereich A/D₁ = 1,5 bis 5 erzielt. Der Abstand zwischen den Öffnungen 24 sollte in der Regel im Bereich grösser als der doppelte Durchmesser D₁ liegen.
Im Strömungsrohr 17 können stromabwärts des Düsenengnisses 18 zusätzliche Öffnungen 25 vorgesehen sein. Diese Öffnungen 25 können unterschiedlich geformt sein, sie verbinden das Innere des Strömungsrohres 17 mit dem ringförmigen Volumen ausserhalb des Strömungsrohres 17. Zudem kann im Auspuffgehäuse 19 gegenüber der Öffnung des Strömungsrohres 17 eine strömungsgünstig ausgebildete Umlenkung 26 befestigt werden, welche das Umlenken der Heissgasströmung um 180° erleichtert.
Die Fig.4 zeigt eine weitere Ausführungsvariante der Prallplatte 11 in Draufsicht und rechts davon als Teilschnitt. Die kreisförmige metallische Prallplatte 11 ist mit gleichmässig am Umfang verteilten und etwa gleich tiefen schmalen Einschnitten 27 versehen. Die zwischen den Einschnitten 27 stehen bleibenden Flügel 28 werden jeweils um etwa 30° windradartig umgebogen. Durch diese Ausbildung der Prallplatte 11 wird eine besonders effektive Verwirbelung des Heissgasstromes erzielt und damit verbunden eine besonders gute Kühlung desselben. Die Einrichtung zur Verbindung der Prallplatte 11 mit dem Leistungskontakt 6 ist nicht dargestellt.
Zur Erläuterung der Wirkungsweise werden nun die oben beschriebenen Figuren etwas näher betrachtet. Der Pfeil 13 deutet die generelle Strömung der durch den Lichtbogen 7 erzeugten heissen Gase durch die Auspuffregion der Löschkammer 1 an. Nach dem Ausströmen der heissen Gase aus der Isolierdüse 9 treffen diese auf die Prallplatte 11 auf und werden etwas umgelenkt. Die Prallplatte 11 nimmt thermische Energie aus den heissen Gasen auf, ebenso die Wand 14. Durch diese Abkühlung wird das Volumen des strömenden Heissgases etwas reduziert. Das Heissgas umströmt dann die Prallplatte 11 und trifft auf die Verengung 16 auf, wobei es nochmals umgelenkt und durch Energieabgabe an das Material der Verengung 16 weiter gekühlt und damit im Volumen reduziert wird.
Der Bereich des Zwischenvolumens 10, der stromabwärts der Prallplatte 11 liegt, dient zum Teil als ein Rezirkulationsgebiet 29 für das strömende Gas. Der Bereich des Rezirkulationsgebietes 29 wird durch einen gestrichelt dargestellten Pfeil 30 schematisch dargestellt. Im Rezirkulationsgebiet 29 bildet sich eine effektive Strömung aus, die zu einer besonders guten Durchmischung der heissen Gase mit dem im Zwischenvolumen 10 befindlichen kühleren Isoliergas führt. Durch diese Durchmischung der heissen Gase mit dem im Zwischenvolumen 10 befindlichen kühleren Isoliergas wird dem Heissgas der wesentliche Anteil der Wärmeenergie entzogen. Die in den Randbereichen des Zwischenvolumens 10 auftretenden Verwirbelungen verbessern zwar den Wärmeübergang vom Heissgas in das Material der Begrenzungen, ihr Anteil an der Kühlwirkung des Auspuffs ist jedoch in der Regel nicht bedeutend.
Dieses vermischte und weiter abgekühlte Gas strömt dann in das Strömungsrohr 17 ein, wobei es durch das Düsenengnis 18 zunächst eingeengt wird. Da sich das Strömungsrohr 17 nach dem Düsenengnis 18 lavaldüsenartig aufweitet, erhöht sich dort die Strömungsgeschwindigkeit des Gases, sodass ein Unterdruck entsteht, der das Gas zusätzlich durch das Düsenengnis 18 hindurch saugt. Durch diesen Effekt wird die Intensität der Gasvermischung im Bereich des stromabwärts der Prallplatte 11 gelegenen Rezirkulationsgebietes 29 vorteilhaft gesteigert. Durch die Wand des Strömungsrohrs 17 wird ebenfalls Wärmeenergie aus den heissen Gasen aufgenommen und abgeführt.
Die heissen Gase strömen zunächst vom Lichtbogenraum 4 weg in überwiegend axialer Richtung, nach dem Austritt aus dem Strömungsrohr 17 werden sie hier jedoch durch das Auspuffgehäuse 19 um 180° umgelenkt und ausserhalb des Strömungsrohres 17 entgegengesetzt zur ursprünglichen Strömungsrichtung geführt. Das metallische Auspuffgehäuse 19 nimmt ebenfalls Wärmeenergie auf, die es dem Heissgas entzieht. Wirbel, die bei der Umlenkung des Gases zwangsläufig entstehen, verbessern diesen Wärmeübergang. Durch diese vollständige Umlenkung der Gasströmung wird die Baulänge des Auspuffsbereichs verkürzt, was eine vorteilhafte Verkleinerung und damit auch eine Verbilligung der Löschkammer 1 zur Folge hat. Es ist aber durchaus vorstellbar, dass, wenn es die geometrischen Verhältnisse erlauben ein vergleichsweise grosses Auspuffvolumen 12 anzubringen, dann auf diese beschriebene Umlenkung zu verzichten.
Das weiter abgekühlte Gas strömt danach zwischen der Aussenseite des Strömungsrohres 17 und dem Auspuffgehäuse 19 weiter in Richtung Löschkammervolumen 22. Wie aus der Figur 2 zu ersehen ist, ist die durchströmte Kreisringfläche F₂ beim Eintritt in diesen Bereich kleiner als die Kreisringfläche F₃ , bzw. die zylinderförmige Austrittsfläche F₄ , bei der Ausströmung aus diesem Auspuffbereich, sodass sich die Strömungsgeschwindigkeit des Gases deutlich reduziert, wodurch in diesem Bereich der Druck des Gases etwas ansteigt. Der Übergang von der Verengung 16 zu der Wand 14 weist einen Radius R auf. Für Ausschaltströme im Bereich von 40 kA bis 70 kA wird ein Radius R im Bereich von 25mm gewählt, wodurch ein Austrittswinkel α der abgekühlten Auspuffgase in das Löschkammervolumen 22 von rund 30° erreicht wird. Durch diesen schrägen Austritt der abgekühlten Auspuffgase wird erreicht, das etwa im Gasstrom noch vorhandene ionisierte Partikel auf einem längeren Weg durch das im Löschkammervolumen 22 vorhandene kühle Isoliergas abgekühlt werden, sodass sie keinen Überschlag zwischen den spannungsbeaufschlagten aktiven Löschkammerteilen und der in der Regel geerdeten Metallkapselung 3 einleiten können. Bei einem annähernd radialen Austritt der Gase aus der zylindrisch ausgebildeten Austrittsfläche F₄ könnte eventuell nicht in jedem Fall eine genügende Spannungsfestigkeit gewährleistet werden.
Die in Figur 3 gezeigten Ausführungsvarianten der Löschkammer 1 verbessern die Leistungsfähigkeit des Auspuffs. Die vor der Prallplatte 11 angebrachte Lochplatte 23 verbessert die Kühlwirkung der Prallplatte 11 ganz wesentlich.
Bei einer weiteren Variante erlauben die Öffnungen 25 im Strömungsrohr 17, da der Gasdruck ausserhalb des Strömungsrohrs 17 höher ist als im Innern desselben, ein Eintreten der etwas kühleren Gase von ausserhalb in das Innere des Strömungsrohrs 17. Im Strömungsrohr 17 und im Kanal 20 bildet sich hier infolgedessen ein weiteres Rezirkulationsgebiet 31 aus, welches gestrichelt dargestellte Pfeile 32 andeuten. In diesem ebenfalls zwangsweise erzeugten Rezirkulationsgebiet 31 findet eine weitere intensive Vermischung von Heiss- und Kaltgas statt und damit verbunden eine noch bessere Abkühlung der heissen Gase. Danach erhöht sich die Strömungsgeschwindigkeit der Auspuffgase im Strömungsrohr 17 wieder.
Die in das Auspuffgehäuse 19 eingefügte Umlenkung 26 verringert vorteilhaft den Strömungswiderstand beim Umlenken des Gasstromes in die entgegengesetzte Richtung. Zudem entzieht die Umlenkung 26 dem Gasstrom weitere Wärmeenergie.
Die kreisförmige metallische Prallplatte 11 mit am Umfang verteilten, radialen schmalen Einschnitten 27, wie sie in Fig.4 dargestellt ist, verursacht eine besonders effektive Verwirbelung des Heissgasstromes. Die Strömung erhält durch die windradartig verschränkten Flügel 28 einen Drall, der die Strömung zusätzlich intensiviert. Die direkt durch die Einschnitte 27 durchtretende Heissgasströmung verursacht im Rezirkulationsgebiet 29 hinter der Prallplatte 11 eine gegenüber den anderen beschriebenen Ausführungen der Prallplatte 11 eine noch intensivere Vermischung von Heiss-und Kaltgas und damit verbunden eine noch effektivere Kühlung der Heissgase in diesem Bereich.
Alle diese Massnahmen, einzeln oder auch kombiniert, bringen eine vorteilhafte Erhöhung des Ausschaltvermögens des Leistungsschalters mit sich. Soll eine weitere Leistungserhöhung des Leistungsschalters erzielt werden, so wird auch die geometrische Ausbildung der Auspuffregion des dem festen Leistungskontakt 6 gegenüberliegenden beweglichen Leistungskontakts 5 ähnlich ausgeführt, wie die bereits beschriebenen Ausführungen, sodass auch die auf der Seite des beweglichen Leistungskontakts 5 vom Lichtbogenraum 4 in Richtung Löschkammervolumen 22 abgeführten heissen Gase ähnlich wirksam gekühlt werden, und damit verbunden wird eine weitere vorteilhafte Reduktion des Volumens des strömenden Heissgases erreicht. Ein Leistungsschalter, dessen Löschkammer bzw. Löschkammern beidseitig mit dieser verbesserten Kühlung der heissen Gase versehen sind, weist eine deutlich höhere Abschaltleistung auf, als ein herkömmlicher Leistungsschalter mit den gleichen Abmessungen.
Es ist auch durchaus möglich, eine Auspuffvariante ohne die Prallplatte 11 und ohne die Lochplatte 23 zu gestalten. Bei dieser Auspuffvariante ist lediglich das Strömungsrohr 17 mit den Öffnungen 25 versehen, sodass sich beim Ausschaltvorgang des Leistungsschalters das Rezirkulationsgebiet 31 als einziges Rezirkulationsgebiet ausbildet und in diesem Bereich eine intensive Kühlung der Heissgase ermöglicht. Diese Auspuffvariante kann ebenfalls mit oder ohne die dem Strömungsrohr 17 nachgeschaltete Gasumlenkung ausgeführt werden.

BEZEICHNUNGSLISTE

1: Löschkammer
2: Längsachse
3: Metallkapselung
4: Lichtbogenraum
5,6: Leistungskontakte
7: Lichtbogen
8: Pfeil
9: Isolierdüse
10: Zwischenvolumen
11: Prallplatte
12: Auspuffvolumen
13: Pfeil
14: Wand
15: Rohrstutzen
16: Verengung
17: Strömungsrohr
17a: Austrittskante
18: Düsenengnis
19: Auspuffgehäuse
20: Kanal
21: Endkante
22: Löschkammervolumen
23: Lochplatte
24: Öffnungen
25: Öffnungen
26: Umlenkung
27: Einschnitt
28: Flügel
29: Rezirkulationsgebiet
30: Pfeil
31: Rezirkulationsgebiet
32: Pfeile

α: Austrittswinkel
R: Radius
L₁, L₂ , L₃: diverse Längen
F_D: Fläche
F_A: Kreisringfläche
F_E , F₁: Fläche
F₂ , F₃: Kreisringfläche
F₄: Austrittsfläche
A: Abstand
D₁: Durchmesser

Claims

Leistungsschalter, welcher in einer mit einem Isoliergas gefüllten Kapselung mindestens eine entlang einer Längsachse (2) erstreckte, mindestens zwei Leistungskontakte (5,6) und einen diesen zugeordneten Lichtbogenraum (4) enthaltende Löschkammer (1) aufweist, wobei der Lichtbogenraum (4) mit mindestens einem, ein Auspuffvolumen (12) aufweisenden Auspuff in Wirkverbindung steht, welcher für die Kühlung von bei Ausschaltungen entstehenden Heissgasen ausgebildet ist und welcher mit einem Löschkammervolumen (22) verbunden ist, wobei im Bereich des Auspuffs mindestens ein, den Strömungswiderstand der Heissgase erhöhendes, zwangsweise erzeugtes Rezirkulationsgebiet (29, 31) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet,
- dass die Heissgase aus dem Lichtbogenraum (4) in ein Zwischenvolumen (10) strömen, und

- dass anschliessend an das Zwischenvolumen (10) ein ein Düsenengnis (18) aufweisendes, lavaldüsenartig ausgebildetes Strömungsrohr (17) in das mit dem Löschkammervolumen (22) verbundene Auspuffvolumen (12) führt.
Leistungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
- dass im Zwischenvolumen (10) mindestens eine in die Strömung der Heissgase ragende Prallplatte (11) vorgesehen ist, stromabwärts derer sich das erste Rezirkulationsgebiet (29) ausbildet.
Leistungsschalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
- dass zwischen dem Eintritt der Heissgase in das Zwischenvolumen (10) und der Prallplatte (11) ein Abstand L₁ vorgesehen ist,

- dass zwischen der Prallplatte (11) und dem Düsenengnis (18) ein Abstand L₂ vorgesehen ist, und

- dass zwischen dem Düsenengnis (18) und einer Austrittskante (17a) des Strömungsrohrs (17) ein Abstand L₃ vorgesehen ist.
Leistungsschalter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
- dass zwischen den Abständen die folgende Beziehung gilt: L₂ = 0,7•L₁, und/oder

- dass die Länge L₃ des Strömungsrohrs (17) im Bereich des zwei- bis dreifachen Durchmessers des Düsenengnisses (18) des Strömungsrohrs (17) liegt.
Leistungsschalter nach einem der Ansprüche 2 oder 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet,
- dass die Prallplatte (11) in etwa die gleiche wirksame Fläche wie eine als Fläche F_D bezeichnete Eintrittsfläche der Heissgase in das Zwischenvolumen (10) aufweist, und/oder

- dass der als eine Fläche F₁ bezeichnete Querschnitt des Strömungsrohrs (17) im Bereich der Austrittskante (17a) gleich gross ausgebildet ist wie die Fläche F_D , und/oder

- dass eine Kreisringfläche F_A , welche zwischen der Prallplatte (11) und der Wand (14) gelegen ist, 30% bis 80% der Fläche F_D aufweist, und/oder

- dass eine Fläche F_E, welche den Querschnitt des Düsenengnisses (18) des Strömungsrohres (17) darstellt, 50% bis 70% der Fläche F_D aufweist.
Leistungsschalter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
- dass die Kreisringfläche F_A etwa 50% der Fläche F_D aufweist.
Leistungsschalter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
- dass im Auspuffvolumen (12) Mittel vorgesehen sind, welche die Strömung der Heissgase um bis zu 180° umlenken.
Leistungsschalter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,
- dass eine Kreisringfläche F₂, welche den Querschnitt zwischen der Austrittskante (17a) des Strömungsrohres (17) und dem Auspuffgehäuse (19) darstellt, 50% bis 70% der Fläche F_D aufweist, und/oder

- dass eine Kreisringfläche F₃ , welche den Querschnitt angibt, der zwischen dem Düsenengnis (18) des Strömungsrohres (17) und der gedachten Verlängerung des Auspuffgehäuses (19) liegt, etwa gleich gross ausgebildet ist wie die Fläche F_D, und/oder

- dass zwischen der Aussenwand der Verengung (16) und einer Endkante (21) des Auspuffgehäuses (19) eine zylinderförmige Austrittsfläche F₄ verbleibt, die etwa gleich gross ausgebildet ist wie die Fläche F_D.
Leistungsschalter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,
- dass die Heissgase mit einem Austrittswinkel α durch die zylinderförmige Austrittsfläche F₄ in das Löschkammervolumen (22) eingeleitet werden, und

- dass der Austrittswinkel α im Bereich von 30° liegt.
Leistungsschalter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
- dass nach dem Düsenengnis (18), welches in dem lavaldüsenartig ausgebildeten, an das Zwischenvolumen (10) angefügten Strömungsrohr (17) angeordnet ist, Öffnungen (25) in der Wand des Strömungsrohrs (17) vorgesehen sind, welche einen Gaseintritt in das Innere des Strömungsrohrs (17) ermöglichen, wodurch beim Ausschalten mindestens ein zweites Rezirkulationsgebiet (31) zwangsweise erzeugt wird.
Leistungsschalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
- dass der Prallplatte (11) eine Lochplatte (23) im Abstand A stromaufwärts vorangestellt ist, die mit Öffnungen (24) versehen ist, wobei die Öffnungen (24) einen Durchmesser D₁ aufweisen.
Leistungsschalter nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet,
- dass das Verhältnis A/D₁ einen Wert im Bereich von 1,5 bis 5, insbesondere einen Wert von 2, aufweist, und

- dass der Abstand zwischen den Öffnungen (24) im Bereich grösser als der doppelte Durchmesser D₁ liegt.
Leistungsschalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
- dass die Prallplatte (11) mit gleichmässig am Umfang verteilten und gleich tiefen schmalen Einschnitten (27) versehen ist, und

- dass die zwischen den Einschnitten (27) stehen bleibenden Flügel (28) windradartig umgebogen ausgebildet sind.
Leistungsschalter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
- dass der Leistungsschalter eine Selbstblaskammer oder eine Selbstblaskammer mit mindestens einer zusätzlichen Kompressionskolbenanordnung aufweist oder ein Kompressionskolbenschalter ist, und/oder

- dass der Leistungsschalter als Freiluftschalter, als Teil einer metallgekapselten gasisolierten Schaltanlage oder als Dead Tank Breaker ausgebildet ist, und/oder

- die mindestens eine Löschkammer (1) des Leistungsschalters beidseitig die geometrische Ausbildung der Auspuffregion zur verbesserten Kühlung der heissen Gase aufweist.