EP1675144A1 - Hochleistungsschalter mit abbrandfester Kurzschlusstromführung - Google Patents

Hochleistungsschalter mit abbrandfester Kurzschlusstromführung Download PDF

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EP1675144A1
EP1675144A1 EP04405796A EP04405796A EP1675144A1 EP 1675144 A1 EP1675144 A1 EP 1675144A1 EP 04405796 A EP04405796 A EP 04405796A EP 04405796 A EP04405796 A EP 04405796A EP 1675144 A1 EP1675144 A1 EP 1675144A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
current
carrying element
contact piece
contact
arcing contact
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP04405796A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
David Saxl
Markus Vestner
Thomas Nordstroem
Thomas Borg
Thomas Strom
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
ABB Technology AG
Original Assignee
ABB Technology AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ABB Technology AG filed Critical ABB Technology AG
Priority to EP04405796A priority Critical patent/EP1675144A1/de
Priority to EP05812736A priority patent/EP1831906B1/de
Priority to CN2005800439713A priority patent/CN101288141B/zh
Priority to DE502005009053T priority patent/DE502005009053D1/de
Priority to AT05812736T priority patent/ATE458258T1/de
Priority to JP2007547137A priority patent/JP2008525945A/ja
Priority to PCT/CH2005/000747 priority patent/WO2006066426A1/de
Publication of EP1675144A1 publication Critical patent/EP1675144A1/de
Priority to US11/812,315 priority patent/US7595461B2/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H33/00—High-tension or heavy-current switches with arc-extinguishing or arc-preventing means
    • H01H33/70—Switches with separate means for directing, obtaining, or increasing flow of arc-extinguishing fluid
    • H01H33/7015—Switches with separate means for directing, obtaining, or increasing flow of arc-extinguishing fluid characterised by flow directing elements associated with contacts
    • H01H33/7023—Switches with separate means for directing, obtaining, or increasing flow of arc-extinguishing fluid characterised by flow directing elements associated with contacts characterised by an insulating tubular gas flow enhancing nozzle
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
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    • H01H33/7015—Switches with separate means for directing, obtaining, or increasing flow of arc-extinguishing fluid characterised by flow directing elements associated with contacts
    • H01H33/7061—Switches with separate means for directing, obtaining, or increasing flow of arc-extinguishing fluid characterised by flow directing elements associated with contacts characterised by use of special mounting means
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    • H01H33/7076—Switches with separate means for directing, obtaining, or increasing flow of arc-extinguishing fluid characterised by flow directing elements associated with contacts characterised by the use of special materials

Definitions

  • the invention relates to the field of high-power switch technology. It relates to a high-performance switch according to the preamble of claim 1.
  • a high-power switch which has a contact tulip as arcing contact piece, which forms a flat contact for guiding a short-circuit current with a current-carrying element.
  • a tube made of burn-resistant material is provided, which is intended to protect the interior of the contact tulip from hot gas, wherein the gas is heated by a footing on the arc contact piece arc and flows through the contact tulip and to beyond the current-carrying element ,
  • such a hot gas stream can remove material from the current-carrying element and / or the contact tulip, which can lead to a degradation of the electrical contact between the contact tulip and the current-carrying element. Increasing contact resistance and even interruption of contact may result.
  • the tube of erosion-resistant material is screwed into the current-carrying element and has in the part in which it is disposed within the contact tulip, an outer diameter which is greater than the inner diameter of the contact tulip at the respective location.
  • the gas flow available cross-sectional area decreases greatly. If this cross-sectional area remains approximately constant in order to keep similar outflow velocities, a larger contact tulip and a larger current-carrying element must be provided (with the same cross-sections available for the short-circuit current), so that an overall larger high-power switch is the result.
  • a compact, ie small external dimensions exhibiting high-performance switch is to be created, which has a small, not by hot gas-induced contact degradation with time increasing electrical resistance between an arcing contact piece and a short-circuit current from the arcing contact piece dissipating current-carrying element.
  • the high-performance switch according to the invention with an axis by means of which an axial coordinate parallel to the axis and a radial coordinate perpendicular thereto are defined, has an arcing contact piece, a current-carrying element and a burn-off protection element.
  • the arcing contact piece has an opening for guiding a substantially axial flow of a gas heated by an arc which may be located on the arcing contact piece.
  • the current-carrying element is shielded near the surface contact substantially from the flow.
  • the high-performance switch is characterized in that the current-carrying element has an axial region in which a radial inner dimension of the current-carrying element is increasing gradually or continuously with increasing distance measured parallel to the axis to the flat contact.
  • the high-performance switch is characterized in that the current-carrying element has an axial (that is, defined by its axial extent) at the end facing the planar contact a radial inner dimension of the current-carrying element is smaller than at the flat contact facing away from the end.
  • the flat contact facing the end of the area directly on the flat contact or near the surface contact.
  • the invention makes it possible to simultaneously realize a large-area contact between arcing contact piece and current-carrying element (with correspondingly low contact resistance) and protection against hot-gas-induced contact degradation (on the large-area contact).
  • a very compact design of the high-performance switch and a long service life is made possible in this way.
  • the current-carrying element be chamfered, preferably already from the surface contact with the arcing contact piece.
  • the axial region is advantageously arranged on the side facing away from the arcing contact piece of the flat contact.
  • the axial region is arranged near the arcing contact piece.
  • the axial region is provided for receiving the erosion protection element.
  • the radial outer dimension of the high-power switch can be kept very small.
  • the current-carrying element and the erosion protection element are essentially rotationally symmetrical educated.
  • the entire high-power switch is designed substantially rotationally symmetrical.
  • the radial outer dimension of the erosion protection element is preferably its outer diameter.
  • a radial outer dimension of the Abbrandtikiatas and the radial inner dimension of the current-carrying element in the axial region are adapted to each other. This allows a compact design of the switch.
  • the erosion protection element is fitted in the current-carrying element.
  • the erosion protection element is axially extended up to the arcing contact piece.
  • the erosion protection element may be extended to the arcing contact piece (so that arcing contact and erosion protection element touch each other) or beyond (until there is a region in which the erosion protection element and the arcing contact piece overlap axially).
  • the erosion protection element may also be axially extended (only) up to the axial extent of the arcing contact piece (so that the areas of the axial extent of arcing contact piece and erosion protection element contact each other without overlapping).
  • the erosion protection element has a more erosion-resistant material than the current-carrying element near the surface contact.
  • at least the hot gas flow side facing the Abbrandtikides of such Abbrandfesten material, preferably the whole Abbrandterrorismelement is made of such a material.
  • Near the flat contact that part of the current-carrying element is arranged, which, if it would be exposed to a hot gas flow, particularly rapidly to a degradation of the contact between the arcing contact piece and the current-carrying element. This part is advantageously protected by the erosion-resistant material of Abbrandtikettis against degradation by hot gas.
  • a radial inner dimension of the erosion protection element is substantially equal to a radial inner dimension of the arcing contact element.
  • a high-performance switch may have a discharge pipe for guiding the hot gas flow.
  • the outflow tube serves to guide a flow of a gas heated by an arc which may be located on the arcing contact piece.
  • the Abbrandtikelement is connected to the outlet pipe with great advantage.
  • the outflow pipe and the erosion protection element are integrally formed. This facilitates the manufacture and assembly of the heavy-duty circuit breaker.
  • the burn-off protection element is advantageously integrated in the outflow pipe.
  • the current-carrying element is firmly connected to an auxiliary nozzle surrounding the arcing contact piece.
  • the current-carrying element serves to support an insulating nozzle arrangement (comprising at least one main nozzle and at least one auxiliary nozzle) or to hold, or the current-carrying element is fixedly connected to such a support or holder or formed in one piece.
  • the surface contact is advantageously oriented substantially radially. At least the surface contact does not extend exclusively along the horizontal coordinate.
  • the current-carrying element and / or the arcing contact piece can be provided with a coating for reducing the contact resistance on a surface contributing to the planar contact, preferably (in each case) over the entire areal surface contact.
  • a coating can be, for example, a silver plating.
  • a nominal current contact system is provided in addition to the arcing contact piece. This carries a rated current in the closed switch state, while after the rated current contact piece separation, the current commutates to an arcing contact system comprising the arcing contact piece. After the separation of the arcing contact system, an arc to be extinguished, carrying the short-circuit current, is ignited. It is also possible that the arcing contact together with another arcing contact forms a rated current contact system.
  • a high power switch is typically designed to carry short circuit currents between 2kA and 80kA at rated voltages between 10kV and over 1000kV, preferably between 30kV and 550kV.
  • Fig. 1 shows schematically and cut a section of an inventive high power switch in the open switching state.
  • the high-power switch is substantially rotationally symmetrical with a rotation axis A, by which an axial coordinate designated by z and a radial coordinate designated by r is defined.
  • a nominal current contact system 9 consisting of two rated current contacts 9 was first opened, so that a current flowing through the switch commutates to an arcing contact piece system consisting of two arcing contacts 1.1b. After separating the two arcing contact pieces 1,1b burns between them, an arc 5, and a short-circuit current I, symbolized by thin open arrows, flows through the two arcing contact pieces 1,1 b.
  • the arc contact piece 1 is formed as a contact tulip with a plurality of contact fingers and has an opening 6.
  • An extinguishing gas 4 provided in the switch, for example SF 6 is heated by the arc 5 and forms, optionally together with further gaseous material, a gas flow 4 (symbolized by thick open arrows) which flows through the opening 6.
  • the short circuit current I flows through a radially aligned flat contact F at the end of the contact tulip 1 in a current-carrying element 2 and from there to the terminals of the switch.
  • a burn-off protection element 3a is provided, which is formed integrally here together with an outflow tube 3.
  • the current-carrying element 2 is generally made of a less erosion-resistant (heat-resistant) material (for example aluminum or copper) than the erosion protection element 3a, which may be made of steel or a carbon fiber composite material, for example.
  • the Lichltbogentitle Georgia 1 can be made for example of copper, steel or tungsten-copper.
  • the entire bottom surface of the arcing contact piece 1 serves as a contact surface F to the current-carrying element 2, and from there the current-carrying element 2 is protected from the gas flow 4 by the erosion protection element 3 a.
  • suitable materials can be dispensed with additional protection of the arcing contact piece 1 from burning, so that the erosion protection element 3a only the contact surface F and the contact surface near part of the current-carrying element 2 must protect from hot gas.
  • the contact tulip 1 can, as shown in Fig. 1, be screwed into the current-carrying element 2. By a thread only a negligible current between arcing contact piece 1 and current-carrying element 2 can flow, so that the lateral surface of the contact tulip makes no contribution to the contact surface.
  • the inner diameter d2 of the current-carrying element 2 increases continuously.
  • the outer diameter of the erosion protection element 3a increases.
  • the inner diameter of the Abbrandtikettis 3a is in an axial region 2b (or at least close to the contact surface F) equal to the inner diameter d1 of the arcing contact piece 1 near the contact surface F.
  • the gas 4 flowing out through the arcing contact piece 1 is provided with a large outflow cross-section, while the outer dimensions of the switch remain low and the cross-sectional area F available to the short-circuit current I is very large.
  • the current-carrying element 2 still has the function of holding an insulating auxiliary nozzle 7 and, via a metallic tube (which also carries one of the rated current contact pieces 9), an insulating main nozzle 8. Both arcing contact pieces 1, 1b or only one of the two can be designed to be movable.
  • the arcing contact piece 1, the outflow pipe 3, the current-carrying element 2, the insulating nozzle arrangement 7, 8 and the rated current contact 9 arranged on the insulating nozzle side can be firmly connected to one another.
  • FIG. 1 The other figures show schematically and in section possible embodiments of the area near the flat contact F, as they are possible in a high-performance switch according to FIG. 1 or in another switch with an arcing contact piece 1, a current-carrying element 2 and a burn-off protection element 3a.
  • Fig. 2 shows the embodiment of Fig. 1, wherein the thread is shown more clearly.
  • the illustration is somewhat idealized, since due to manufacturing tolerances some surfaces may have a small spacing from one another. In connection with Fig. 3, this problem is discussed.
  • the contact piece 1 can also, instead of being connected to the current-carrying element 2 by means of a thread, be in this press-fit.
  • This is an example of a positive connection.
  • the bevel of Abbrandstoffides 3a may be formed less strong than the bevel of the current-carrying element 2, as shown in Fig. 3.
  • the contact tulip 1 may also have a chamfer, which prevents manufacturing tolerance-related fitting problems of the erosion protection element 3a.
  • a stump-shaped end of the erosion protection element 3a can also be provided.
  • FIG. 4 shows a further exemplary realization of how a contact pressure leading to a low contact resistance can be achieved at the contact surface 6.
  • the arcing contact piece 1 is pressed by means of a union nut 10 or a flange 10 against the current-carrying element.
  • FIG. 4 shows that the burn-off protection element 3 a can also be arranged separately from the outflow pipe 3.
  • Fig. 5 shows that it is also possible to provide a plurality of bevels of the current-carrying element 2 and / or erosion protection element 3a.
  • FIG. 6 shows that it is also possible to provide the erosion protection element 3a extended with respect to the axial coordinate beyond the extent of the arcing contact piece 1.
  • FIG. 7 shows a further embodiment in which the burn-off protection element 3 a is arranged separately from the outflow pipe 3.
  • a stepwise (here in one step, but there are also two, the or more steps conceivable) enlargement of the inner diameter d2 of the current-carrying element 2 can be provided.
  • Receive Fig. 7 den Switch is only up to the axis of symmetry A, half the inner diameter, as d2 / 2, indicated.
  • FIG. 9 is similar to that in FIG. 8, but shows that the flat contact F does not necessarily have to be substantially radially aligned. It can enclose a clearly different angle ⁇ with an axis running along the coordinate r.
  • the angle ⁇ can, as shown in Fig. 9, be negative, but also positive angle ⁇ are possible.
  • the inner diameter d3 of the Abbrandschides 3a is slightly smaller than the inner diameter d1 of the arcing contact piece 1.
  • the Abbrandterrorismelement 3a extends from that side of the contact surface F, which is mainly the current-carrying element 3 adjacent, except for Side of the contact surface F, to which mainly the arcing contact piece 1 is adjacent.
  • An improved protection against erosion at the contact surface F is achieved.
  • a snap mechanism is realized by the formation of Abbrandtikelement 3a and current-carrying element 2 in the region 2a, which serves the mutual attachment of the two parts together.

Landscapes

  • Arc-Extinguishing Devices That Are Switches (AREA)
  • Circuit Breakers (AREA)
  • Control Of Combustion (AREA)

Abstract

Der Hochleistungsschalter mit einer Achse (A), durch welche eine zu der Achse parallele axiale Koordinate (z) und eine dazu senkrechte radiale Koordinate (r) definiert ist, und mit einem Lichtbogenkontaktstück (1), einem Stromführungselement (2) und einem Abbrandschutzelement (3a), wobei das Lichtbogenkontaktstück (1) zur Führung einer im wesentlichen axialen Strömung (4) eines durch einen gegebenenfalls auf dem Lichtbogenkontaktstück (1) fussenden Lichtbogen (5) erhitzten Gases (4) eine Öffnung (6) aufweist und zur Führung eines während einer Brenndauer des Lichtbogens (5) durch das Lichtbogenkontaktstück (1) und das Stromführungselement (2) fliessenden Kurzschlusstromes (I) mit dem Stromführungselement (2) einen flächigen Kontakt (F) bildet, und wobei durch das Abbrandschutzelement (3a) das Stromführungselement (2) nahe dem flächigen Kontakt (F) im wesentlichen von der Strömung (4) abgeschirmt ist, ist dadurch gekennzeichnet, dass das Stromführungselement (2) einen axialen Bereich (2a) aufweist, in welchem eine radiale Innenabmessung (d2) des Stromführungselementes mit zunehmendem parallel zur Achse (A) gemessenem Abstand von dem flächigen Kontakt (F) schrittweise oder kontinuierlich zunehmend ist. Vorteilhaft ist der axiale Bereich (2a) zur Aufnahme des Abbrandschutzelementes (3a) vorgesehen.

Description

    Technisches Gebiet
  • Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Hochleistungsschaltertechnik. Sie bezieht sich auf einen Hochleistungsschalter gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
    • Stand der Technik
  • Aus dem Stand der Technik ist ein Hochleistungsschalter bekannt, der als Lichtbogenkontaktstück eine Kontakttulpe aufweist, welche zur Führung eines Kurzschlusstromes mit einem Stromführungselement einen flächigen Kontakt bildet. Innerhalb der Kontakttulpe und bis in das Stromführungselement hineinreichend ist ein Rohr aus abbrandresistentem Material vorgesehen, welches das Innere der Kontakttulpe vor heissem Gas schützen soll, wobei das Gas durch einen auf dem Lichtbogenkontaktstück fussenden Lichtbogen erhitzt ist und durch die Kontakttulpe und bis jenseit des Stromführungselementes strömt.
  • Ein solcher Heissgasstrom kann, sofern kein adäquater Schutz vorgesehen ist, Material von dem Stromführungselement und/oder der Kontakttulpe abtragen, wodurch es zu einer Degradation des elektrischen Kontaktes zwischen Kontakttulpe und Stromführungselement kommen kann. Ein zunehmender Kontaktwiderstand und sogar ein Unterbruch des Kontaktes kann die Folge sein.
  • Das Rohr aus abbrandfestem Material ist in das Stromführungselement eingeschraubt und weist in dem Teil, in welchem es innerhalb der Kontakttulpe angeordnet ist, einen Aussendurchmesser auf, der grösser ist als der Innendurchmesser der Kontakttulpe an der jeweiligen Stelle.
  • Durch das Vorsehen eines solchen Rohres aus abbrandfestem Material verringert sich die der Gasströmung zur Verfügung stehende Querschnittsfläche stark. Soll diese Querschnittsfläche in etwa konstant bleiben, um ähnliche Abströmgeschwindigkeiten zu behalten, muss (bei gleichen, dem Kurzschlusstrom zur Verfügung stehenden Querschnitten) eine grössere Kontakttulpe und ein grösseres Stromführungselement vorgesehen werden, so dass ein insgesamt grösserer Hochleistungsschalter die Folge ist.
  • Es ist wünschenswert, einen möglichst kompakten Hochleistungsschalter zu schaffen, der dennoch einen Schutz vor der genannten heissgas-induzierten Kontakt-Degradation bietet.
    • Darstellung der Erfindung
  • Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, einen Hochleistungsschalter der eingangs genannten Art zu schaffen, welcher die oben genannten Nachteile nicht aufweist. Insbesondere soll ein kompakter, also geringe Aussenabmessungen aufweisender Hochleistungsschalter geschaffen werden, der einen geringen, nicht durch heissgas-induzierte Kontakt-Degradation mit der Zeit zunehmenden elekrischen Widerstand zwischen einem Lichtbogenkontaktstück und einem einen Kurzschlusstrom vom Lichtbogenkontaktstück abführenden Stromführungselement aufweist.
  • Diese Aufgabe löst eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1.
  • Der erfindungsgemässe Hochleistungsschalter mit einer Achse, durch welche eine zu der Achse parallele axiale Koordinate und eine dazu senkrechte radiale Koordinate definiert ist, weist ein Lichtbogenkontaktstück, ein Stromführungselement und ein Abbrandschutzelement auf. Das Lichtbogenkontaktstück weist zur Führung einer im wesentlichen axialen Strömung eines durch einen gegebenenfalls auf dem Lichtbogenkontaktstück fussenden Lichtbogen erhitzten Gases eine Öffnung auf. Zur Führung eines während einer Brenndauer des Lichtbogens durch das Lichtbogenkontaktstück und das Stromführungselement fliessenden Kurzschlusstromes bildet es mit dem Stromführungselement einen flächigen Kontakt. Durch das Abbrandschutzelement ist das Stromführungselement nahe dem flächigen Kontakt im wesentlichen von der Strömung abgeschirmt.
  • Der Hochleistungsschalter ist dadurch gekennzeichnet, dass das Stromführungselement einen axialen Bereich aufweist, in welchem eine radiale Innenabmessung des Stromführungselementes mit zunehmendem parallel zur Achse gemessenem Abstand zu dem flächigen Kontakt schrittweise oder kontinuierlich zunehmend ist.
  • Die Erfindung kann auch darin gesehen werden, dass der Hochleistungsschalter dadurch gekennzeichnet ist, dass das Stromführungselement einen axialen (das heisst durch seine axiale Erstreckung definierten) Bereich aufweist, an dessen dem flächigen Kontakt zugewandtem Ende eine radiale Innenabmessung des Stromführungselementes kleiner ist als an dessen dem flächigen Kontakt abgewandtem Ende. Vorteilhaft ist das dem flächigen Kontakt zugewandtem Ende des Bereiches direkt an dem flächigen Kontakt oder nahe dem flächigen Kontakt.
  • Durch die Erfindung wird es möglich, gleichzeitig einen grössflächigen Kontakt zwischen Lichtbogenkontaktstück und Stromführungselement (mit entsprechend niedrigem Kontaktwiderstand) und einen Schutz vor heissgasinduzierter Kontaktdegradation (an dem grossflächigen Kontakt) zu realisieren. Eine sehr kompakte Bauweise des Hochleistungsschalters und eine grosse Standzeit wird auf diese Weise ermöglicht.
  • Vorteilhaft kann das Stromführungselement abgeschrägt sein, bevorzugt bereits ab dem flächigen Kontakt mit dem Lichtbogenkontaktstück.
  • Der axiale Bereich ist vorteilhaft auf der dem Lichtbogenkontaktstück abgewandten Seite des flächigen Kontaktes angeordnet. Vorteilhaft ist der axiale Bereich nahe dem Lichtbogenkontaktstück angeordnet.
  • Bevorzugt ist der axiale Bereich zur Aufnahme des Abbrandschutzelementes vorgesehen. Dadurch kann die radiale Aussendimension des Hochleistungsschalters sehr klein gehalten werden.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform sind das Stromführungselement und das Abbrandschutzelement im wesentlichen rotationssymmetrisch ausgebildet. Vorteilhaft ist der ganze Hochleistungsschalter im wesentlichen rotationssymmetrisch ausgebildet. Bevorzugt ist die radiale Innenabmessung der Innendurchmesser. Bevorzugt ist die radiale Aussenabmessung des Abbrandschutzelementes dessen Aussendurchmesser.
  • Bevorzugt sind eine radiale Aussenabmessung des Abbrandschutzelementes und die radiale Innenabmessung des Stromführungselementes in dem axialen Bereich aneinander angepasst. Dies ermöglicht eine kompakte Bauweise des Schalters. Vorteilhaft ist das Abbrandschutzelement in das Stromführungselement eingepasst.
  • Bevorzugt ist das Abbrandschutzelement axial bis zu dem Lichtbogenkontaktstück erstreckt. Das Abbrandschutzelement kann genau bis zu dem Lichtbogenkontaktstückes erstreckt sein (so dass Lichtbogenkontaktstück und Abbrandschutzelement einander berühren) oder auch darüber hinaus (bis es also einen Bereich gibt, in dem sich das Abbrandschutzelement und das Lichtbogenkontaktstück axial überlappen). Das Abbrandschutzelement kann auch (nur) bis zu der axialen Erstreckung des Lichtbogenkontaktstückes axial erstreckt sein (so dass die Bereiche der axialen Erstreckung von Lichtbogenkontaktstück und Abbrandschutzelement einander ohne Überlappung berühren).
  • Vorteilhaft weist das Abbrandschutzelement ein abbrandfesteres Material auf als das Stromführungselement nahe dem flächigen Kontakt. Vorteilhaft ist zumindest die der Heissgas-Strömung zugewandte Seite des Abbrandschutzelementes aus einem solchen abbrandfesten Material, bevorzugt ist das ganze Abbrandschutzelement aus einem solchen Material gefertig. Nahe dem flächigen Kontakt ist derjenige Teil des Stromführungselementes angeordnet, der, wenn er einer Heissgas-Strömung ausgesetzt würde, besonders rasch zu einer Degradation des Kontaktes zwischen Lichtbogenkontaktstück und Stromführungselement führte. Dieser Teil ist vorteilhaft durch das abbrandfestere Material des Abbrandschutzelementes vor Degradation durch Heissgas geschützt.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform gibt es einen zweiten axialen Bereich, in welchem eine radiale Innenabmessung des Abbrandschutzelementes im wesentlichen gleich ist einer radialen Innenabmessung des Lichtbogenkontaktstücks. Besonders vorteilhaft sind (innerhalb von Fertigungstoleranzen) die radiale Innenabmessung des Stromführungselementes und die radiale Aussenabmessung des Abbrandschutzelementes in dem axialen Bereich gleich gross. Anders gesagt sind nahe dem flächigen Kontakt eine radiale Innenabmessung des Abbrandschutzelementes im wesentlichen gleich gross wie eine radiale Innenabmessung des Lichtbogenkontaktstücks. Eine besonders kompakte Bauweise des Hochleistungsschalters wird dadurch möglich.
  • Ein Hochleistungsschalter kann ein Abströmrohr zur Führung der Heissgas-Strömung aufweisen. Das Abströmrohr dient der Führung einer Strömung eines durch einen gegebenenfalls auf dem Lichtbogenkontaktstück fussenden Lichtbogen erhitzten Gases. In diesem Fall ist mit grossem Vorteil das Abbrandschutzelement mit dem Abströmrohr fest verbunden. Besonders vorteilhaft sind das Abströmrohr und das Abbrandschutzelement einstückig ausgebildet. Dies erleichtert die Fertigung und die Montage des Hochleistungsschalters. Das Abbrandschutzelement ist vorteilhaft in das Abströmrohr integriert.
  • Vorteilhaft ist das Stromführungselement fest verbunden mit einer das Lichtbogenkontaktstück umgebenden Hilfsdüse. Vorteilhaft dient das Stromführungselement dazu, eine Isolierdüsenanordnung (umfassend mindestens eine Hauptdüse und mindestens eine Hilfsdüse) zu stützen oder zu halten, oder das Stromführungselement ist mit einer solchen Stütze oder Halterung fest verbunden oder einstückig ausgebildet.
  • Der flächige Kontakt ist vorteilhaft im wesentlichen radial ausgerichtet. Zumindest ist der flächige Kontakt nicht ausschliesslich entlang der horizontalen Koordinate erstreckt.
  • Vorteilhaft kann das Stromführungselement und/oder das Lichtbogenkontaktstück an einer zu dem flächigen Kontakt beitragenden Oberfläche, vorzugsweise (jeweils) auf der ganzen zum flächigen Kontakt beitragenden Oberfläche, mit einer Beschichtung zur Verringerung des Übergangswiderstandes versehen sein. Eine solche Beschichtung kann beispielsweise eine Versilberung sein.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsform ist zusätzlich zu dem Lichtbogenkontaktstück noch ein Nennstromkontaktsystem vorgesehen. Dieses trägt im geschlossenen Schalterzustand einen Nennstrom, während nach der Nennstromkontaktstück-Trennung der Strom auf ein das Lichtbogenkontaktstück umfassende Lichtbogenkontaktsystem kommutiert. Nach der Trennung des Lichtbogenkontaktsystems wird ein zu Iöschender, den Kurzschlusstrom tragender Lichtbogen gezündet. Es ist auch möglich, dass das Lichtbogenkontaktstück zusammen mit einem weiteren Lichtbogenkontaktstück ein Nennstromkontaktsystem bildet.
  • Ein Hochleistungsschalter ist typischerweise zum Tragen von Kurzschlusströmen zwischen 2 kA und 80 kA bei Nennspannungen zwischen 10 kV und über 1000 kV, bevorzugt zwischen 30 kV und 550 kV ausgelegt.
  • Weitere bevorzugte Ausführungsformen und Vorteile gehen aus den abhängigen Patentansprüchen und den Figuren hervor.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Im folgenden wird der Erfindungsgegenstand anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen, welche in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt sind, näher erläutert. Es zeigen schematisch:
    • Fig. 1
    einen grossen Ausschnitt eines erfindungsgemässen Hochleistungsschalters, geschnitten;
    Figs. 2 bis 10
    jeweils einen Ausschnitt, darstellend eine mögliche Ausgestaltung von Lichtbogenkontaktstück, Stromführungselement und Abbrandschutzelement, geschnitten.
  • Die in den Zeichnungen verwendeten Bezugszeichen und deren Bedeutung sind in der Bezugszeichenliste zusammengefasst aufgelistet. Grundsätzlich sind in den Figuren gleiche oder gleichwirkende Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen. Für das Verständnis der Erfindung nicht wesantliche Teile sind zum Teil nicht dargestellt. Die beschriebenen Ausführungsbeispiele stehen beispielhaft für den Erfindungsgegenstand und haben keine beschränkende Wirkung.
    • Wege zur Ausführung der Erfindung
  • Fig. 1 zeigt schematisch und geschnitten einen Ausschnitt eines erfindungsgemässen Hochleistungsschalters in geöffnetem Schaltzustand. Der Hochleistungsschalter ist im wesentlichen rotationssymmetrisch ausgebildet mit einer Rotationsachse A, durch welche eine mit z bezeichnete axiale Koordinate und eine mit r bezeichnete radiale Koordinate definiert ist.
  • Zum Öffnen des Schalters wurde zunächst ein aus zwei Nennstromkontakten 9 bestehendes Nennstromkontaktsystem 9 geöffnet, so dass ein durch den Schalter fliessender Strom auf ein aus zwei Lichtbogenkontaktstüchen 1,1b bestehendes Lichtbogenkontaktstücksystem kommutiert. Nach dem Trennen der zwei Lichtbogenkontaktstücke 1,1b brennt zwischen diesen ein Lichtbogen 5, und ein Kurzschlusstrom I, symbolisiert durch dünne offene Pfeile, fliesst durch die beiden Lichtbogenkontaktstücke 1,1 b.
  • Das Lichtbogenkontaktstück 1 ist als eine Kontakttulpe mit einer Vielzahl von Kontaktfingern ausgebildet und weist eine Öffnung 6 auf. Ein in dem Schalter vorgesehenes Löschgas 4, beispielsweise SF6, wird durch den Lichtbogen 5 erhitzt und bildet, gegebenenfalls zusammen mit weiterem gasförmigen Material, eine Gasströmung 4 (symbolisiert durch dicke offene Pfeile), welche durch die Öffnung 6 strömt.
  • Der Kurzschlusstrom I fliesst durch einen radial ausgerichteten flächigen Kontakt F am Ende der Kontakttulpe 1 in ein Stromführungselement 2 und von dort weiter zu den Anschlüssen des Schalters. Zum Schutz des Stromführungselementes 2 und vor allem des flächigen Kontaktes F zwischen dem Stromführungselement 2 und dem Lichtbogenkontaktstück 1 vor dem Gasstrom 4 ist ein Abbrandschutzelement 3a vorgesehen, welches hier zusammen mit einem Abströmrohr 3 einstückig ausgebildet ist.
  • Das Stromführungselement 2 ist im allgemeinen aus einem weniger abbrandfesten (hitzeresistenten) Material (beispielsweise Aluminium oder Kupfer) als das Abbrandschutzelement 3a, welches beispielsweise aus Stahl oder einem Kohlefaserverbundwerkstoff sein kann. Das Lichltbogenkontaktstück 1 kann beispielsweise aus Kupfer, Stahl oder Wolfram-Kupfer gefertigt sein.
  • Die gesamte Bodenfläche des Lichtbogenkontaktstückes 1 dient als Kontaktfläche F zum Stromführungselement 2, und ab dort ist das Stromführungselement 2 durch das Abbrandschutzelement 3a vor der Gasströmung 4 geschützt. Bei Verwendung geeigneter Materialen kann auf einen zusätzlichen Schutz des Lichtbogenkontaktstückes 1 vor Abbrand verzichtet werden, so dass das Abbrandschutzelement 3a nur die Kontaktfläche F und den der Kontaktfläche nahen Teil des Stromführungselementes 2 vor Heissgas schützen muss.
  • Die Kontakttulpe 1 kann, wie in Fig. 1 dargestellt, in das Stromführungselement 2 eingeschraubt sein. Durch ein Gewinde kann nur ein vernachlässigbarer Strom zwischen Lichtbogenkontaktstück 1 und Stromführungselement 2 fliessen, so dass die Mantelfläche der Kontakttulpe keinen Beitrag zu der Kontaktfläche leistet.
  • In einem an der Kontaktfläche F beginnenden Bereich 2a vergrösstert sich der Innendurchmesser d2 des Stromführungselementes 2 kontinuierlich. In gleichem Masse vergrössert sich der Aussendurchmesser des Abbrandschutzelementes 3a. Der Innendurchmesser des Abbrandschutzelementes 3a ist in einem axialen Bereich 2b (oder zumindest nahe der Kontaktfläche F) gleich dem Innendurchmesser d1 des Lichtbogenkontaktstückes 1 nahe der Kontaktfläche F.
  • Auf diese Weise wird dem durch das Lichtbogenkontaktstück 1 abströmende Gas 4 ein grosser Abströmquerschnitt zur Verfügung gestellt, während die Aussendimensionen des Schalters gering bleiben und die dem Kurzschlusstrom I zur Verfügung stehende Querschnittsfläche F sehr gross ist.
  • Das Stromführungselement 2 hat hier noch die Funktion, eine isolierende Hilfsdüse 7 und, über ein metallisches Rohr (welches auch eines der Nennstromkontaktstücke 9 trägt), eine isolierende Hauptdüse 8 zu halten. Es können beide Lichtbogenkontaktstücke 1,1b oder auch nur eines der beiden beweglich ausgebildet sein. Das Lichtbogenkontaktstück 1, das Abströmrohr 3, das Stromführungselement 2, die Isolierdüsenanordnung 7,8 und der auf der Isolierdüsenseite angeordnete Nennstromkontakt 9 können fest miteinander verbunden sein.
  • Die weiteren Figuren zeigen schematisch und geschnitten mögliche Ausgestaltungen des Bereiches nahe dem flächigen Kontakt F, wie sie in einem Hochleistungsschalter gemäss Fig. 1 oder auch in einem anderen Schalter mit einem Lichtbogenkontaktstück 1, einem Stromführungselement 2 und einem Abbrandschutzelement 3a möglich sind.
  • Fig. 2 zeigt die Ausführungsform aus Fig. 1, wobei das Gewinde deutlicher dargestellt ist. Die Darstellung ist etwas idealisiert, da aufgrund von Fertigungstoleranzen manche Flächen gegebenenfalls eine geringe Beabstandung voneinander aufweisen. Im Zusammenhang mit Fig. 3 wird diese Problematik andiskutiert.
  • Wie Fig. 3 zeigt, kann das Kontaktstück 1 auch, anstatt mittels eines Gewindes mit dem Stromführungselement 2 verbunden zu sein, in dieses eingspresst sein. Dies ist ein Beispiel für eine formschlüssige Verbindung. Ausserdem kann, um fertigungstoleranzbedingten Einpass-Problemen des Abbrandschutzelementes 3a in das Stromführungselement 2 vorzubeugen, die Abschrägung des Abbrandschutzelementes 3a weniger stark ausgebildet sein als die Abschrägung des Stromführungselementes 2, wie es in Fig. 3 dargestellt ist. Dadurch sind der Innendurchmesser d2 des Stromführungselementes 2 und der Aussendurchmesser D3 des Abbrandschutzelementes 3a bei der gleichen axialen Koordinate z verschieden gross.
  • Wie in Fig. 3 weiterhin dargestellt ist, kann auch die Kontakttulpe 1 eine Abschrägung aufweisen, wodurch fertigungstoleranzbedingten Einpass-Problemen des Abbrandschutzelementes 3a vorgebeugt wird. Zudem ist in Fig. 3 dargestellt, dass auch ein stumpf ausgebildetes Ende des Abbrandschutzelementes 3a vorsehbar ist.
  • Fig. 4 zeigt eine weitere beispielhafte Realisierung, wie ein zu einem geringen Kontaktwiderstand führender Anpressdruck an der Kontaktfläche 6 erzielt werden kann. Das Lichtbogenkontaktstück 1 ist mittels einer Überwurfmutter 10 oder eines Flansches 10 gegen das Stromführungselement gepresst. Ausserdem zeigt Fig. 4, dass das Abbrandschutzelement 3a auch getrennt von dem Abströmrohr 3 angeordnet sein kann.
  • Fig. 5 zeigt, dass es auch möglich ist, mehrere Abschrägungen von Stromführungselement 2 und/oder Abbrandschutzelement 3a vorzusehen.
  • Fig. 6 zeigt, dass es auch möglich ist, das Abbrandschutzelement 3a bezüglich der axialen Koordinate bis über die Erstreckung des Lichtbogenkontaktstückes 1 hinaus ausgedehnt vorzusehen.
  • Fig. 7 zeigt eine weitere Ausführungsform, in der das Abbrandschutzelement 3a getrennt von dem Abströmrohr 3 angeordnet ist. Zudem ist dargestellt, dass auch eine schrittweise (hier in einem Schritt; es sind aber auch zwei, der oder mehr Schritte denkbar) Vergrösserung des Innendurchmessers d2 des Stromführungselementes 2 vorgesehen sein kann. (Da Fig. 7 den Schalter nur bis zur Symmetrieachse A darstellt, ist der halbe Innendurchmesser, als d2/2, angegeben.)
  • Fig. 8 zeigt eine Ausführungsform, in welcher das Abbrandschutzelement 3a und das Stromführungselement 2, ausgehend von dem flächigen Kontakt F und in die durch die Koordinte z vorgegebene Richtung zunächst einen konstanten Aussen- beziehungsweise Innendurchmesser und dann einen abgeschrägten Bereich in Richtung grösserer radialer Koordinaten aufweist. Dadurch ist auf Kosten einer leicht verkleinerten Kontaktfläche F eine verbesserte Abbrandresistenz gewährleistet.
  • Die Ausführungsform in Fig. 9 ist ähnlich der in Fig. 8, zeigt aber, dass der flächige Kontakt F nicht notwendigerweise im wesentlichen radial ausgerichtet sein muss. Er kann einen von null deutlich verschiedenen Winkel α mit einer entlang der Koordinate r verlaufenden Achse einschliessen. Der Winkel α kann, wie in Fig. 9 dargestellt, negativ sein, aber auch positive Winkel α sind möglich.
  • Fig. 10 zeigt eine Ausführungsform, in welcher der Innendurchmesser d3 des Abbrandschutzelementes 3a etwas kleiner ist als der Innendurchmesser d1 des Lichtbogenkontaktstückes 1. Ausserdem erstreckt sich das Abbrandschutzelement 3a von derjenigen Seite der Kontaktfläche F, an welche vorwiegend das Stromführungselement 3 angrenzt, bis auf die Seite der Kontaktfläche F, an welche vorwiegend das Lichtbogenkontaktstück 1 angrenzt. Ein verbesserter Schutz gegen Abbrand an der Kontaktfläche F wird erreicht. Ausserdem wird durch die Ausbildung von Abbrandschutzelement 3a und Stromführungselement 2 im Bereich 2a ein Schnappmechanismus realisiert, welcher der gegenseitigen Befestigung der zwei Teile aneinander dient.
  • Die in den Figuren dargestellten Merkmale können auch in anderen als in den genannten oder dargestellten Kombinationen vorteilhaft sein.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Lichtbogenkontaktstück, Kontakttulpe, Kontaktrohr
    1 b
    Lichtbogenkontaktstück, Kontaktstift
    2
    Stromführungselement, Halterung
    2a,2b
    Bereich, axialer Bereich
    3
    Abströmrohr
    3a
    Abbrandschutzelement
    4
    Gas, Löschgas, Strömung, Löschgasströmung
    5
    Lichtbogen
    6
    Öffnung des Lichtbogenkontaktstücks
    7
    Hilfsdüse
    8
    Düse, Hauptdüse
    9
    Nennstromkontakt, Nennstromkontaktsystem
    10
    Überwurfmutter, Flansch
    A
    Achse
    D3
    radiale Aussenabmessung des Abbrandschutzelementes, Aussendurchmesser
    d1
    radiale Innenabmessung des Lichtbogenkontaktstücks, Innendurchmesser
    d2
    radiale Innenabmessung des Stromführungselementes, Innendurchmesser
    d3
    radiale Innenabmessung des Abbrandschutzelementes, Innendurchmesser
    I
    Strom, Kurzschlusstrom, Lichtbogenstrom
    F
    flächiger Kontakt, Kontaktfläche
    r
    radiale Richtung, radiale Koordinate
    z
    axiale Richtung, axiale Koordinate
    α
    Winkel

Claims (11)

  1. Hochleistungsschalter mit einer Achse (A), durch welche eine zu der Achse parallele axiale Koordinate (z) und eine dazu senkrechte radiale Koordinate (r) definiert ist, und mit einem Lichtbogenkontaktstück (1), einem Stromführungselement (2) und einem Abbrandschutzelement (3a), wobei das Lichtbogenkontaktstück (1) zur Führung einer im wesentlichen axialen Strömung (4) eines durch einen gegebenenfalls auf dem Lichtbogenkontaktstück (1) fussenden Lichtbogen (5) erhitzten Gases (4) eine Öffnung (6) aufweist und zur Führung eines während einer Brenndauer des Lichtbogens (5) durch das Lichtbogenkontaktstück (1) und das Stromführungselement (2) fliessenden Kurzschlusstromes (I) mit dem Stromführungselement (2) einen flächigen Kontakt (F) bildet, und wobei durch das Abbrandschutzelement (3a) das Stromführungselement (2) nahe dem flächigen Kontakt (F) im wesentlichen von der Strömung (4) abgeschirmt ist,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Stromführungselement (2) einen axialen Bereich (2a) aufweist, in welchem eine radiale Innenabmessung (d2) des Stromführungselementes mit zunehmendem parallel zur Achse (A) gemessenem Abstand von dem flächigen Kontakt (F) schrittweise oder kontinuierlich zunehmend ist.
  2. Hochleistungsschalter gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der axiale Bereich (2a) zur Aufnahme des Abbrandschutzelementes (3a) vorgesehen ist.
  3. Hochleistungsschalter gemäss einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Stromführungselement (2) und das Abbrandschutzelement (3a) im wesentlichen rotationssymmetrisch ausgebildet ist, und dass die radiale Innenabmessung (d2) der Innendurchmesser (d2) ist.
  4. Hochleistungsschalter gemäss einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem axialen Bereich (2a) eine radiale Aussenabmessung (D3) des Abbrandschutzelementes (3a) an die radiale Innenabmessung (d2) des Stromführungselementes (2) angepasst ist.
  5. Hochleistungsschalter gemäss einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Abbrandschutzelement (3a) axial bis zu dem Lichtbogenkontaktstück (1) erstreckt ist.
  6. Hochleistungsschalter gemäss einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Abbrandschutzelement (3a) ein abbrandfesteres Material aufweist als das Stromführungselement (2) nahe dem flächigen Kontakt (F).
  7. Hochleistungsschalter gemäss einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem zweiten axialen Bereich (2b) eine radiale Innenabmessung (d3) des Abbrandschutzelementes (3a) im wesentlichen gleich ist einer radialen Innenabmessung (d1) des Lichtbogenkontaktstücks (1).
  8. Hochleistungsschalter gemäss einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abströmrohr (3) zur Führung der Strömung (4) vorgesehen ist, und dass das Abbrandschutzelement (3a) mit dem Abströmrohr (3) fest verbunden ist.
  9. Hochleistungsschalter gemäss einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Stromführungselement (2) fest verbunden ist mit einer das Lichtbogenkontaktstück (1) umgebenden Hilfsdüse (7).
  10. Hochleistungsschalter gemäss einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der flächige Kontakt (F) im wesentlichen radial ausgerichtet ist.
  11. Hochleistungsschalter gemäss einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zu dem Lichtbogenkontaktstück (1) noch ein Nennstromkontaktsystem (9) vorgesehen ist.
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