EP1772882B1 - Druckgasschalter mit Einrichtung zur elektrischen Feldsteuerung - Google Patents

Druckgasschalter mit Einrichtung zur elektrischen Feldsteuerung Download PDF

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EP1772882B1
EP1772882B1 EP05405576A EP05405576A EP1772882B1 EP 1772882 B1 EP1772882 B1 EP 1772882B1 EP 05405576 A EP05405576 A EP 05405576A EP 05405576 A EP05405576 A EP 05405576A EP 1772882 B1 EP1772882 B1 EP 1772882B1
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EP
European Patent Office
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circuit breaker
nozzle
arc
contact
field element
Prior art date
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EP05405576A
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English (en)
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EP1772882A1 (de
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Martin Seeger
Lutz Niemeyer
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ABB Research Ltd Switzerland
ABB Research Ltd Sweden
Original Assignee
ABB Research Ltd Switzerland
ABB Research Ltd Sweden
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Publication date
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Priority to EP05405576A priority patent/EP1772882B1/de
Priority to DE502005006085T priority patent/DE502005006085D1/de
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    • H—ELECTRICITY
    • 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
    • H01H33/02—Details
    • H01H33/24—Means for preventing discharge to non-current-carrying parts, e.g. using corona ring
    • H01H33/245—Means for preventing discharge to non-current-carrying parts, e.g. using corona ring using movable field electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • 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
    • 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
    • H01H33/7069—Switches with separate means for directing, obtaining, or increasing flow of arc-extinguishing fluid characterised by flow directing elements associated with contacts characterised by special dielectric or insulating properties or by special electric or magnetic field control properties

Definitions

  • the embodiments of the invention described here generally relate to a compressed gas switch, in particular for high or medium voltage.
  • DE 30 44 836 describes a compressed gas switch with two relatively movable contact pieces and with an insulating nozzle. If the two switching pieces separated from each other, a switching arc, which is to be extinguished as quickly as possible, to avoid undesirable high burnup of the switching pieces. In such a switch, the arc carries material from the insulating walls, thereby increasing the pressure so that heated gas drains into a compression chamber and can later be used as quenching gas.
  • the insulating nozzle allows the quenching gas to flow from the compression chamber into an expansion space to cool and thereby quench the switching arc.
  • the insulating nozzle has a ring-shaped insert embedded in a constriction (eg of conductive materials, in particular graphite or Teflon filled with conductive material, or of materials with a dielectric constant greater than 5), which is arranged electrically insulated from the two contact pieces. and with respect to the first contact piece has a first and compared to the second contact piece has a second capacitance.
  • the order and the dimensioning of the insert are chosen so that an electric field built up in the region of the constriction from the nozzle surface into the compression space and into the expansion space when a voltage is applied between the contact pieces is displaced.
  • EP 1 544 881 A1 also describes a compressed gas switch, in which an effect on the electric field is sought.
  • the compressed gas switch described therein has an insulation nozzle with a conductive part and an electrically insulating part, which surrounds the conductive part at least partially. On an inner surface of the insulating nozzle, the insulating member does not cover the conductive member. As a result, a more uniform distribution of the electric field is sought.
  • the switch includes a first arcing contact and a second arcing contact, wherein when the switch is turned on, the first arcing contact is with a contact region of the second arcing contact is in contact and movable to interrupt the switch of at least one of the arc contacts along an axis of the switch, and a Isolierstoffdüse which extends in the axial direction and the arc contacts and / or an arc extinguishing zone between the arc contacts surrounds and a nozzle line for blowing one when switching Furthermore, the insulating material nozzle in the region of the nozzle throat has a part which has at least one recess on its outer side facing away from the arc extinguishing zone, in which a field element is arranged, which serves to control an electric field between the arcing contacts.
  • the Isolierstoffdüse thus has on its outer side a recess or more recesses in which at least one field element is present, which serves during switching off to a control of the electric field between the arcing contacts. After the field element is introduced into the depression, the field element is not covered. As a result, problems in the conventional embedding of the field element in the insulating material nozzle are avoided and the manufacturability of the field-controlling insulating nozzle duetlich simplified and cheaper.
  • the at least one depression on the outside of the part extends annularly around the part of the insulating material nozzle.
  • the field element is present as a coating on a surface of the depression.
  • Various parameters such as the thickness of the layer or of the field element and the depth and width of the depression can be determined for a desired field control.
  • the field element is an annular body that extends along the recess.
  • the position and the size of the field element can for the desired Field control.
  • the annular body should be installable from the outside in the recess and consist of a conductive and / or dielectric material.
  • the nozzle may have more than one recess, wherein preferably each recess contains a field element.
  • the combination of recess and field element may be present on one or both nozzles.
  • the field element In the off state of the switch, the field element is also between the arcing contacts.
  • the field element may be a solid or hollow body.
  • a hollow body as a field element may have a closed or a non-closed contour.
  • the field element may also have a non-conductive (insulating) core that is completely or partially surrounded by a conductive layer.
  • the field element contains a material having a dielectric constant ⁇ >> 1, preferably ⁇ > 5 and in particular a ferroelectric.
  • FIG. 1 shows a first embodiment of the gas pressure switch 1 in the off (ie non-conductive) state.
  • the switch 1 has a first or outer arcing contact 2, typically an arcing contact tulip 2, which extends annularly about the axis A, and a second or inner arcing contact 3, typically an arcing contact pin 3, which is generally rod-shaped or tubular.
  • the outer contact 2 surrounds the inner contact 3 annularly.
  • the two arcing contacts 2, 3 are relative to each other in the axial direction by a mechanical drive not shown displaced.
  • the outer contact 2 is stationary, while the inner contact 3 is movable, for example, to the left.
  • a two-part switch body 4a, 4b arranged for the so-called rated current contacts 4a, 4b, the low-resistance contacts for provide the rated current with the switch closed.
  • the rated current contacts 4a, 4b essentially encompass the arcing contacts 2, 3, as seen from FIG. 1 seen. If the rated current contacts 4a, 4b are disconnected, the current commutates to the arcing contacts 2, 3. Subsequently, the arcing contacts 2, 3 are disconnected. This creates a current-carrying arc, which is extinguished by means of compressed gas.
  • the compressed gas is provided in a self-blow circuit breaker by the so-called Disblas bin, ie by self-heating in a heating volume and assisted by evaporating insulating material material, and in a buffer circuit breaker by a piston.
  • the pressurized gas is then directed from the insulating nozzle 5, 9 to the burning arc to achieve efficient blowing and arc quenching.
  • the insulating nozzle 5 of the switch 1 is typically attached to the switch body 4b.
  • the insulating material nozzle 5 is made, for example, of plastic, in particular PTFE, and has a tubular part 5a and a mouth part 5b.
  • the parts 5a, 5b often have substantially equal outer diameters but different inner diameters. How out FIG. 1 As can be seen, the inner diameter of the mouth part 5b decreases starting from the inner diameter of the part 5a to a minimum at a point M, in order to increase again from this point M in the direction of the arcing contact pin 3.
  • the tubular part 5a surrounds the arc contact tulip 2 annularly.
  • the mouth portion 5b projects beyond the contact tulip 2 so far that it penetrates in the on state in the switch body 4a and the Nennstromnapspe and the arc contact pin 3 surrounds annular.
  • the mouth part 5 b forms a constriction 6 in the region of the point M for a gas flowing out of an extinguishing chamber for extinguishing an arc between the contacts 2, 3.
  • the switch 1 has the Isolierstoffdüse 5 in the region of the mouth part 5b on an outer surface, ie, on an outer side facing away from the arc extinguishing zone, an annular recess 7.
  • a field element 8 is arranged, which serves for field control.
  • the field element 8 is applied by way of example as a layer on a surface of the recess 7.
  • the field element 8 can be made of a conductive material or of a material with a high dielectric constant ( ⁇ >> 1, preferably ⁇ > 5).
  • the thickness of the layer can be selected depending on the material and the field influence to be achieved.
  • the thickness may be, for example, about 3 mm.
  • the depth and width (width) of the recess 7, and thus its surface can be selected according to a field control to be achieved in the region of the insulating material nozzle 5, 9.
  • the field element 8 substantially covers the entire surface of the depression 7. The thickness and the surface are thus available as parameters in order to control the field influence to be achieved via the field element 8.
  • FIGS. 2-5 show various embodiments of the insulating material 5, wherein the insulating material 5 is shown together with the arc contacts 2, 3. To simplify the illustration, the nominal stator contacts 4a, 4b of the switch 1 are omitted.
  • the mouth part 5b of the insulating material nozzle 5 has at least one depression 7, the position, width and depth of which varies depending on the exemplary embodiment or the requirements of the field control.
  • an axial position of the recess 7 is selected near a transition between the tubular part 5a and the mouth part 5b.
  • the field element 8 is in the Recess 7 introduced and extends along the recess 7 in the circumferential direction around the mouth portion 5b.
  • the field element 8 generates a strong field control.
  • the field is moved to the right, ie in the direction of the second arcing contact 3.
  • the first arcing contact 2 and the area between the first arcing contact 2 and the rated current contact or switch body 4b is relieved.
  • the recess 7 is displaced in the axial direction of the arcing contact pin 3 and thus relatively far from the transition between the tubular part 5a and the mouth portion 5b of the insulating material 5 is arranged.
  • the recess 7 is wider, ie wider in the axial direction, and deeper, that is embedded in the radial direction deeper into the insulating material 5, as in the embodiment according to FIG. 2 ,
  • the field element 8 is introduced into the recess 7, z. B. einmontiert or clamped, but not covered from the outside and in particular not embedded in the insulating material 5.
  • the recess 7 is again arranged close to the transition between the tubular part 5a and the mouth part 5b.
  • the recess 7 is deeper in the radial direction than in FIG. 2 shown.
  • the field element 8 here displaces the field in the region of the arc extinguishing zone to the right and left. This is again advantageous for the Arc contact pin 3 when passing through said area.
  • the mouth part 5b has two recesses 7a, 7b.
  • the depression 7a is arranged axially closer to the arc contact tulip 2 and thus close to the transition between the tubular part 5a and the mouth part 5b.
  • the depression 7a is approximately the same depth as that in FIG. 2 shown.
  • the recess 7b is located axially closer to the arcing contact pin 3 and thus relatively far from the junction and has approximately the same parameters as in FIG FIG. 3 shown.
  • the field control takes place here as a combination of the in FIGS. 3 and 4 shown control mechanisms. In the area of the arc extinguishing zone in the insulating nozzle, the field is pushed out.
  • three or more depressions 7, 7 a, 7 b may be present and equipped with field control elements 8.
  • the field element 8 respectively in the designated recess 7, 7a, 7b used without the recess 7, 7a, 7b is closed. In terms of manufacturing technology, this is less expensive than the embedding of a field element in the material of the insulating material 5 known from the prior art.
  • the switch 1 additionally has an auxiliary nozzle 9, which extends substantially between the insulating material 5 and the first arcing contact 2 (arcing contact tulip 2).
  • the auxiliary nozzle 9 is for example made of plastic, in particular of PTFE, and also has a tubular part 9a and a mouth part 9b.
  • the tubular part 9a surrounds the first arcing contact 2 annularly, and the mouth part 9b projects beyond the first arcing contact 2 in the direction of the second arcing contact 3.
  • the recess 7 and the field element 8 are present in the auxiliary nozzle 9.
  • the recess 7 and the field element 8 can be similarly positioned as described above with respect to FIGS Figures 1-5 is described.
  • the depression 7 and the field element 8 accordingly assume the same function in the auxiliary nozzle 9 as in the insulation nozzle 5.
  • both the auxiliary nozzle 9 and the main nozzle 5, which together form the insulating material nozzle 5, be equipped with the field control elements 8 for field control.
  • the field element 8 may be a solid or hollow body.
  • a hollow body as a field element 8 may have a closed or a non-closed contour. When the contour is not closed, the field element 8 has a concave area on the surface.
  • the field element 8 may also have a non-conductive (insulating) core that is completely or partially surrounded by a conductive layer.
  • various parameters of the field element 8 in particular the axial position, axial extension, radial depth or depression, size, shape, mass, dielectric contacts ⁇ or conductivity, can thus be freely selected.
  • the electric field distribution between the contacts 2, 3, 4 a, 4 b and in particular in the region of the arc extinguishing zone when the arc is extinguished can be influenced in a targeted and effective manner.
  • the insulating nozzle 5, 9 according to the invention can be installed, for example, in a circuit breaker, such as a high-voltage switch or high-current switch, or in a disconnector with arcing contacts.

Landscapes

  • Circuit Breakers (AREA)
  • Supply And Distribution Of Alternating Current (AREA)
  • Arc-Extinguishing Devices That Are Switches (AREA)
  • Driving Mechanisms And Operating Circuits Of Arc-Extinguishing High-Tension Switches (AREA)

Description

    Technisches Gebiet
  • Die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele der Erfindung betreffen allgemein einen Druckgasschalter, insbesondere für Hoch- oder Mittelspannung.
    • Stand der Technik
  • DE 30 44 836 beschreibt einen Druckgasschalter mit zwei relativ zueinander beweglichen Schaltstücken und mit einer Isolierstoffdüse. Werden die beiden Schaltstücke voneinander getrennt, entsteht ein Schaltlichtbogen, der möglichst schnell zu löschen ist, um unerwünscht hohen Abbrand an den Schaltstücken zu vermeiden. Bei einem solchen Schalter trägt der Lichtbogen Material von den isolierenden Wänden ab, wodurch sich der Druck erhöht, so dass erhitztes Gas in eine Kompressionskammer abfliesst und später als Löschgas verwendet werden kann. Die Isolierstoffdüse lässt das Löschgas von der Kompressionskammer in einen Expansionsraum strömen, um den Schaltlichtbogen zu kühlen und damit zu löschen.
  • Die Isolierstoffdüse hat an einer Verengung einen darin eingebetteten ringförmig ausgebildeten Einsatz (z. B. aus leitfähigen Materialien, insbesondere Graphit oder mit leitfähigem Material gefülltes Teflon, oder aus Materialien mit einer Dielektrizitätskonstanten grösser 5), der gegenüber den beiden Schaltstücken elektrisch isoliert angeordnet ist, und gegenüber dem ersten Schaltstück eine erste und gegenüber dem zweiten Schaltstück eine zweite Kapazität aufweist. Die Anordnung und die Dimensionierung des Einsatzes sind so gewählt, dass ein bei Anlegen einer Spannung zwischen den Schaltstücken aufgebautes elektrisches Feld im Bereich der Verengung von der Düsenoberfläche in den Kompressionsraum und in den Expansionsraum verdrängt ist.
  • EP 1 544 881 A1 beschreibt ebenfalls einen Druckgasschalter, bei dem eine Beeinflussung des elektrischen Feldes angestrebt wird. Dazu hat der darin beschriebene Druckgasschalter eine Isolationsdüse mit einem leitfähigen Teil und einem elektrisch isolierenden Teil, der den leitfähigen Teil zumindest teilweise umgibt. An einer inneren Oberfläche der Isolationsdüse bedeckt der isolierende Teil den leitfähigen Teil nicht. Dadurch wird eine gleichmässigere Verteilung des elektrischen Feldes angestrebt.
  • Die bekannten Druckgasschalter beeinflussen zwar das elektrische Feld, in dem sie es entweder aus dem Bereich der Düsenverengung verdrängen ( DE 30 44 836 ) oder in diesem Bereich gleichmässiger verteilen ( EP 1 544 881 ). Eine erwünschte, flexible Steuerung des elektrischen Feldes scheint bei diesen Druckgasschaltern nicht im gewünschten Umfang möglich zu sein. Hinzu kommt, dass beim aus DE 30 44 836 bekannten Druckgasschalter die Einbettung des Einsatzes fertigungstechnisch aufwendig ist.
  • " US-A-3 824 360 " offenbart einen Schalter gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
    • Darstellung der Erfindung
  • Es stellt sich die Aufgabe, einen Druckgasschalter der eingangs genannten Art mit besseren Eigenschaften hinsichtlich Flexibilität und Herstellung bereitzustellen.
  • Diese Aufgabe wird vom Schalter gemäss Anspruch 1 erfüllt. Der Schalter umfasst einen ersten Lichtbogenkontakt und einen zweiten Lichtbogenkontakt, wobei bei eingeschaltetem Schalter der erste Lichtbogenkontakt mit einem Kontaktbereich des zweiten Lichtbogenkontakts in Kontakt steht und zum Unterbrechen des Schalters mindestens einer der Lichtbogenkontakte entlang einer Achse des Schalters bewegbar ist, und eine Isolierstoffdüse, welche in axialer Richtung erstreckt ist und die Lichtbogenkontakte und/oder eine Lichtbogenlöschzone zwischen den Lichtbogenkontakten umgibt und ein Düsenengnis zur Beblasung eines beim Schalten auftretenden Lichtbogens zwischen den Lichtbogenkontakten aufweist, wobei ferner die Isolierstoffdüse im Bereich des Düsenengnisses einen Teil aufweist, der an seiner der Lichtbogenlöschzone abgewandten Aussenseite mindestens eine Vertiefung aufweist, in der ein Feldelement angeordnet ist, das zu einer Steuerung eines elektrischen Feldes zwischen den Lichtbogenkontakten dient. Die Isolierstoffdüse hat also an ihrer Aussenseite eine Vertiefung oder mehrere Vertiefungen, in der mindestens ein Feldelement vorhanden ist, das während des Ausschaltens zu einer Steuerung des elektrischen Feldes zwischen den Lichtbogenkontakten dient. Nachdem das Feldelement in die Vertiefung eingebracht ist, wird das Feldelement nicht abgedeckt. Dadurch werden Probleme bei der herkömmlichen Einbettung des Feldelements in die Isolierstoffdüse vermieden und die Herstellbarkeit der feldsteuernden Isolierstoffdüse duetlich vereinfacht und verbilligt.
  • Beispielsweise erstreckt sich die mindestens eine Vertiefung an der Aussenseite des Teils ringförmig um den Teil der Isolierstoffdüse.
  • In einer Ausführung ist das Feldelement als Beschichtung auf einer Oberfläche der Vertiefung vorhanden. Verschiedene Parameter, wie z.B. die Dicke der Schicht bzw. des Feldelements und die Tiefe und Weite der Vertiefung, können dabei für eine gewünschte Feldsteuerung festgelegt sein.
  • In einer anderen beispielhaften Ausführung ist das Feldelement ein ringförmiger Körper, der sich entlang der Vertiefung erstreckt. Die Lage und die Grösse des Feldelements kann dabei für die gewünschte Feldsteuerung festgelegt sein. Der ringförmige Körper soll von der Aussenseite her in die Vertiefung einbaubar sein und aus einem leitfähigen und/oder dielektrischen Material bestehen. Desweiteren kann die Düse mehr als eine Vertiefung aufweisen, wobei vorzugsweise jede Vertiefung ein Feldelement enthält.
  • In einer Ausführung, bei der zwei Isolierstoffdüsen vorhanden sind, beispielsweise eine Haupt- und eine Hilfsdüse, kann die Kombination aus Vertiefung und Feldelement auf einer oder beiden Düsen vorhanden sein. Im ausgeschalteten Zustand des Schalters befindet sich das Feldelement dabei auch zwischen den Lichtbogenkontakten.
  • Neben der Lage, Grösse und Anzahl von Feldelementen sind weitere Eigenschaften des Feldelementes variabel und erlauben die gewünschte Flexibilität bei der Feldsteuerung. Das Feldelement kann ein massiver oder hohler Körper sein. Ein Hohlkörper als Feldelement kann eine geschlossene oder eine nicht geschlossene Kontur haben. Das Feldelement kann auch einen nichtleitenden (isolierenden) Kern haben, der von einer leitenden Schicht ganz oder nur teilweise umgeben ist.
  • In vorteilhaften Ausführungen enthält das Feldelement ein Material mit einer dielektrischen Konstante ε >> 1, bevorzugt ε > 5 und insbesondere ein Ferroelektrikum.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Weitere Ausgestaltungen, Vorteile, neue Eigenschaften und Anwendungen der Erfindung ergeben sich aus der folgenden detaillierten Beschreibung unter Einbezug der Zeichnungen. In den Zeichnungen haben gleiche Feldelemente die gleichen Bezugszeichen. In den Zeichnungen zeigen:
    • Figur 1 einen Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines Gasdruckschalters in ausgeschaltetem Zustand,
    • Figuren 2-5 verschiedene Ausführungsbeispiele einer Isolationsdüse für einen in Figur 1 gezeigten Gasdruckschalter, und
    • Figur 6 einen Schnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Gasdruckschalters.
    Detaillierte Beschreibung einiger Ausführungsbeispiele
  • Die in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele eines Gasdruckschalters 1 sind jeweils im wesentlichen rotationssymmetrisch um ihre Achse A aufgebaut, weshalb jeweils nur die Hälfte des jeweiligen Schnitts dargestellt ist.
  • Figur 1 zeigt eine erste Ausführung des Gasdruckschalters 1 in ausgeschaltetem (d.h. in nichtleitendem) Zustand. Der Schalter 1 besitzt einen ersten oder äusseren Lichtbogenkontakt 2, typischerweise eine Lichtbogenkontakttulpe 2, der sich ringförmig um die Achse A erstreckt, sowie einen zweiten oder inneren Lichtbogenkontakt 3, typischerweise einen Lichtbogenkontaktstift 3, der in der Regel stabförmig oder rohrförmig aufgebaut ist. Im eingeschalteten Zustand (d.h. leitenden Zustand) des Schalters umgibt der äussere Kontakt 2 den inneren Kontakt 3 ringförmig.
  • Die beiden Lichtbogenkontakte 2, 3 sind relativ zueinander in axialer Richtung durch einen nicht gezeigten mechanischen Antrieb verschiebbar. In einem Ausführungsbeispiel ist der äussere Kontakt 2 ruhend, während der innere Kontakt 3 bewegbar ist, beispielsweise nach links.
  • Um die Kontakte 2, 3 ist ein zweiteiliger Schalterkörper 4a, 4b für die sogenannten Nennstromkontakte 4a, 4b angeordnet, die niederohmige Kontakte für den Nennstrom bei geschlossenem Schalter zur Verfügung stellen. Die Nennstromkontakte 4a, 4b umgreifen im wesentlichen die Lichtbogenkontakte 2, 3, wie aus Figur 1 ersichtlich. Werden die Nennstromkontakte 4a, 4b getrennt, kommutiert der Strom zu den Lichtbogenkontakten 2, 3. Anschliessend werden die Lichtbogenkontakte 2, 3 getrennt. Dabei entsteht ein stromführender Lichtbogen, der mit Hilfe von Druckgas gelöscht wird. Das Druckgas wird in einem Selbstblas-Leistungsschalter durch den sogenannten Selbstblaseffekt, d. h. durch Selbstaufheizung in einem Heizvolumen und unterstützt durch verdampfendes Isolierstoffdüsenmaterial, und in einem Puffer-Leistungsschalter durch einen Kolben bereitgestellt. Das Druckgas wird dann von der Isolierstoffdüse 5, 9 auf den brennenden Lichtbogen gerichtet, um eine effiziente Beblasung und Lichtbogenlöschung zu erreichen.
  • Die Isolierstoffdüse 5 des Schalters 1 ist typischerweise am Schalterkörper 4b befestigt. Die Isolierstoffdüse 5 ist beispielsweise aus Kunststoff, insbesondere PTFE, und hat einen rohrförmigen Teil 5a und einen Mündungsteil 5b. Die Teile 5a, 5b haben oftmals im wesentlichen gleiche äussere Durchmesser, aber unterschiedliche innere Durchmesser. Wie aus Figur 1 ersichtlich, nimmt der innere Durchmesser des Mündungsteils 5b vom inneren Durchmesser des Teils 5a ausgehend bis auf ein Minimum an einem Punkt M ab, um ab diesem Punkt M in Richtung des Lichtbogenkontaktstifts 3 wieder zuzunehmen.
  • Der rohrförmige Teil 5a umgibt die Lichtbogenkontakttulpe 2 ringförmig. Der Mündungsteil 5b ragt über die Kontakttulpe 2 soweit hinaus, dass er im eingeschalteten Zustand in den Schalterkörper 4a bzw. die Nennstromkontakttulpe eindringt und den Lichtbogenkontaktstift 3 ringförmig umgibt. Im ausgeschalteten Zustand (Figur 1) bildet der Mündungsteil 5b im Bereich des Punktes M eine Verengung 6 für ein aus einer Löschkammer strömendes Gas zum Löschen eines Lichtbogens zwischen den Kontakten 2, 3.
  • In dem in Figur 1 gezeigten Ausführungsbeispiel des Schalter 1 hat die Isolierstoffdüse 5 im Bereich des Mündungsteils 5b an einer äusseren Oberfläche, d. h. an einer der Lichtbogenlöschzone abgewandten Aussenseite, eine ringförmige Vertiefung 7. In dieser Vertiefung 7 ist ein Feldelement 8 angeordnet, das zur Feldsteuerung dient. Das Feldelement 8 ist beispielhaft als eine Schicht auf einer Oberfläche der Vertiefung 7 aufgebracht. Das Feldelement 8 kann aus einem leitfähigen Material oder aus einem Material mit einer hohen Dielektrizitätskonstanten (ε >> 1, bevorzugt ε > 5) sein.
  • Die Dicke der Schicht kann je nach Material und zu erzielender Feldbeeinflussung gewählt sein. Die Dicke kann beispielsweise etwa 3 mm sein. Ausserdem kann die Tiefe und Weite (Breite) der Vertiefung 7, und damit ihre Oberfläche, nach Massgabe einer zu erzielenden Feldsteuerung im Bereich der Isolierstoffdüse 5, 9 gewählt sein. In Figur 1 bedeckt das Feldelement 8 im wesentlichen die ganze Oberfläche der Vertiefung 7. Es stehen somit die Dicke und die Oberfläche als Parameter zur Verfügung, um die zu erzielende Feldbeeinflussung über das Feldelement 8 zu steuern.
  • Die Figuren 2-5 zeigen verschiedene Ausführungsbeispiele der Isolierstoffdüse 5, wobei die Isolierstoffdüse 5 zusammen mit den Lichtbogenkontakten 2, 3 gezeigt ist. Zur Vereinfachung der Darstellung sind die Nennstormkontakte 4a, 4b des Schalters 1 weggelassen.
  • In den gezeigten Ausführungsbeispielen hat der Mündungsteil 5b der Isolierstoffdüse 5 mindestens eine Vertiefung 7, deren Position, Weite und Tiefe je nach Ausführungsbeispiel bzw. je nach Anforderung an die Feldsteuerung variiert.
  • Im in Figur 2 gezeigten Ausführungsbeispiel ist eine axiale Position der Vertiefung 7 nahe einem Übergang zwischen dem rohrförmigen Teil 5a und dem Mündungsteil 5b gewählt. Das Feldelement 8 ist in die Vertiefung 7 eingebracht und erstreckt sich entlang der Vertiefung 7 in Umfangsrichtung um dem Mündungsteil 5b. Das Feldelement 8 erzeugt eine starke Feldsteuerung. In Verbindung mit dem Schalterkörper 4b wird das Feld nach rechts, also in Richtung des zweiten Lichtbogenkontakts 3 verschoben. Der erste Lichtbogenkontakt 2 und der Bereich zwischen dem erste Lichtbogenkontakt 2 und dem Nennstromkontakt oder Schalterkörper 4b wird entlastet.
  • Im in Figur 3 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Vertiefung 7 in axialer Richtung zum Lichtbogenkontaktstift 3 hin verschoben und damit relativ weit vom Übergang zwischen dem rohrförmigen Teil 5a und dem Mündungsteil 5b des Isolierstoffdüse 5 angeordnet. Zudem ist die Vertiefung 7 weiter, d. h. in axialer Richtung breiter, und tiefer, d. h. in radialer Richtung tiefer in die Isolierstoffdüse 5 eingelassen, als im Ausführungsbeispiel nach Figur 2. Das Feldelement 8 ist in die Vertiefung 7 eingebracht, z. B. einmontiert oder eingespannt, jedoch nicht von aussen abgedeckt und insbesondere nicht in die Isolierstoffdüse 5 eingebettet. Durch die axiale Position, axiale Erstreckung und radiale Tiefenlage wird der Lichtbogenkontaktstift 3 beim Verlassen des Düsenengnisses 6 und beim Durchlaufen des Übergangs vom zylindrischen Düsenabschnitt 5a zum konischen Düsenabschnitt 5b entlastet, das heisst, das Feld wird aus diesem Bereich hinausgedrückt. In diesem Bereich treten relativ starke Gasdichteschwankungen auf, was zu dielektrischen "Versagern" führen kann. Eine Absenkung der Feldstärke in diesem Bereich ist deshalb sehr wünschenswert.
  • Im in Figur 4 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Vertiefung 7 wieder nahe am Übergang zwischen dem rohrförmigen Teil 5a und dem Mündungsteil 5b angeordnet. Die Vertiefung 7 ist jedoch in radialer Richtung tiefer als die in Figur 2 gezeigte. Das Feldelement 8 verdrängt hier das Feld im Bereich der Lichtbogenlöschzone nach rechts und links. Vorteilhaft ist dies wiederum für den Lichtbogenkontaktstift 3 beim Durchlaufen des genannten Bereichs.
  • Im in Figur 5 gezeigten Ausführungsbeispiel hat der Mündungsteil 5b zwei Vertiefungen 7a, 7b. Die Vertiefung 7a ist axial näher an der Lichtbogenkontakttulpe 2 und damit nahe am Übergang zwischen dem rohrförmigen Teil 5a und dem Mündungsteil 5b angeordnet. Die Vertiefung 7a ist ungefähr gleich tief wie die in Figur 2 gezeigte. Die Vertiefung 7b ist axial näher zum Lichtbogenkontaktstift 3 und damit relativ weit vom Übergang angeordnet und hat ungefähr die gleichen Parameter wie die in Figur 3 gezeigte. Die Feldsteuerung erfolgt hier als eine Kombination aus den in Figuren 3 und 4 gezeigten Steuerungsmechanismen. Im Bereich der Lichtbogenlöschzone in der Isolierstoffdüse wird das Feld herausgedrückt. Besonders bei höheren Spannungsebenen können auch drei oder mehrere Vertiefungen 7, 7a, 7b vorhanden und mit Feldsteuerelementen 8 ausgestattet sein.
  • In den Ausführungsbeispielen gemäss den Figuren 2-5 ist das Feldelement 8 jeweils in die dafür vorgesehene Vertiefung 7, 7a, 7b eingesetzt, ohne dass die Vertiefung 7, 7a, 7b verschlossen wird. Fertigungstechnisch ist dies kostengünstiger als das aus dem Stand der Technik bekannte Einbetten eines Feldelements in das Material der Isolierstoffdüse 5.
  • Eine weitere Variante des Schalters 1 ist in Figur 6 dargestellt. Hier besitzt der Schalter 1 zusätzlich eine Hilfsdüse 9, die sich im wesentlichen zwischen der Isolierstoffdüse 5 und dem ersten Lichtbogenkontakt 2 (Lichtbogenkontakttulpe 2) erstreckt. Die Hilfsdüse 9 ist beispielsweise aus Kunststoff, insbesondere aus PTFE, und hat ebenfalls einen rohrförmigen Teil 9a und einen Mündungsteil 9b. Der rohrförmige Teil 9a umgibt den ersten Lichtbogenkontakt 2 ringförmig, und der Mündungsteil 9b ragt in Richtung des zweiten Lichtbogenkontakts 3 über den ersten Lichtbogenkontakt 2 hinaus.
  • In dieser Variante sind die Vertiefung 7 und das Feldelement 8 in der Hilfsdüse 9 vorhanden. In der Hilfsdüse 9 können die Vertiefung 7 und das Feldelement 8 ähnlich positioniert werden, wie oben mit Bezug auf die Figuren 1-5 beschrieben ist. Die Vertiefung 7 und das Feldelement 8 nehmen in der Hilfsdüse 9 demnach die gleiche Funktion wahr wie in der Isolationsdüse 5.
  • In Figur 6 übernimmt die so ausgestaltete Hilfsdüse 9 die angestrebte Feldsteuerung, so dass die Isolationsdüse 5 keine Vertiefung 7 und kein Feldelement 8 enthält. In einem anderen Ausführungsbeispiel können sowohl die Hilfsdüse 9 als auch die Hauptdüse 5, die gemeinsam die Isolierstoffdüse 5, 9 bilden, mit den genannten Feldelementen 8 zur Feldsteuerung ausgestattet sein.
  • Neben der Lage, Grösse und Anzahl von Feldelementen 8 sind weitere Eigenschaften des Feldelementes 8 variabel vorgebbar. Das Feldelement 8 kann ein massiver oder hohler Körper sein. Ein Hohlkörper als Feldelement 8 kann eine geschlossene oder eine nicht geschlossene Kontur haben. Bei nicht geschlossener Kontur weist das Feldelement 8 einen konkaven Bereich an der Oberfläche auf. Das Feldelement 8 kann auch einen nichtleitenden (isolierenden) Kern haben, der von einer leitenden Schicht ganz oder nur teilweise umgeben ist.
  • In den gezeigten Ausführungsbeispielen können somit verschiedene Parameter des Feldelements 8, insbesondere die axiale Lage, axiale Erstreckung, radiale Tiefenlage bzw. Versenkung, Grösse, Form, Masse, Dielektrizitätskontakte ε oder Leitfähigkeit, frei gewählt sein. Dadurch kann die elektrische Feldverteilung zwischen den Kontakten 2,3, 4a, 4b und insbesondere im Bereich der Lichtbogenlöschzone bei gelöschtem Lichtbogen gezielt und effektiv beeinflusst werden.
  • Die erfindungsgemässe Isolierstoffdüse 5, 9 kann beispielsweise in einem Leistungsschalter, wie einem Hochspannungsschalter oder Hochstromschalter, oder in einem Trenner mit Lichtbogenkontakten eingebaut sein.
    • Bezugszeichenliste
    • A
    Achse
    M
    Punkt
    2
    erster oder äusserer Lichtbogenkontakt, Lichtbogenkontakttulpe
    3
    zweiter oder innerer Lichtbogenkontakt, Lichtbogenkontaktstift
    4a
    Schalterkörper, Nennstromkontakttulpe
    4b
    Schalterkörper, Nennstromkontaktstift
    5
    Isolierstoffdüse, Hauptdüse
    5a
    rohrförmiger Teil
    5b
    Mündungsteil
    6
    Verengung, Düsenkanalverengung
    7
    Vertiefung
    7a
    erste Vertiefung
    7b
    zweite Vertiefung
    8
    Feldelement
    9
    Isolierstoffdüse, Hilfsdüse

Claims (10)

  1. Schalter (1) mit einem ersten Lichtbogenkontakt (2) und einem zweiten Lichtbogenkontakt (3), wobei bei eingeschaltetem Schalter (1) der erste Lichtbogenkontakt (2) mit einem Kontaktbereich (8) des zweiten Lichtbogenkontakts (3) in kontakt steht, wobei zum Unterbrechen des Schalters (1) mindestens einer der Lichtbogenkontakte (2, 3) entlang einer Achse (A) des Schalters (1) bewegbar ist, und
    mit einer Isolierstoffdüse (5, 9), welche in axialer Richtung erstreckt ist und die Lichtbogenkontakte (2,3) und/oder eine Lichtbogenlöschzone zwischen den Lichtbogenkontakten (2, 3) umgibt und ein Düsenengnis (6) zur Beblasung eines beim Schalten auftretenden Lichtbogens zwischen den Lichtbogenkontakten (2, 3) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass
    die Isolierstoffdüse (5, 9) im Bereich des Düsenengnisses (6) einen Teil (5b, 9b) aufweist, der an seiner der Lichtbogenlöschzone abgewandten Aussenseite mindestens eine Vertiefung (7, 7a, 7b) aufweist, in der ein Feldelement (8) angeordnet ist, das zu einer Steuerung eines elektrischen Feldes zwischen den Lichtbogenkontakten (2, 3) dient.
  2. Schalter (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die mindestens eine Vertiefung (7, 7a, 7b) an der Aussenseite des Teils (5b, 9b) ringförmig um den Teil (5b, 9b) der Isolierstoffdüse (5, 9) erstreckt.
  3. Schalter (1) nach einem der Ansprüche 1-2, dadurch gekennzeichnet, dass das Feldelement (8) eine leitfähige und/oder dielektrische Schicht auf einer Oberfläche der Vertiefung (7) ist.
  4. Schalter (1) nach einem der Ansprüche 1-2, dadurch gekennzeichnet, dass das Feldelement (8) ein ringförmiger Körper ist, der von der Aussenseite her in die Vertiefung (7, 7a, 7b) einbaubar ist und der aus einem leitfähigen und/oder dielektrischen Material besteht.
  5. Schalter (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der ringförmige Körper hohl ist.
  6. Schalter (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der ringförmige Körper einen nichtleitenden Kern und eine leitfähige Oberfläche hat, die den nichtleitenden Kern mindestens teilweise umgibt.
  7. Schalter (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der Aussenseite des Teils (5b, 9b) der Isolierstoffdüse (5, 9) zwei Vertiefungen (7a, 7b) vorhanden sind, wobei jede Vertiefung (7a, 7b) ein Feldelement (8) enthält.
  8. Schalter (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Feldelement (8) ein Material mit einer dielektrischen Konstante ε >> 1, bevorzugt ε > 5, und insbesondere ein Ferroelektrikum umfasst.
  9. Schalter (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
    - der Teil (5b, 9b) ein Mündungsteil (5b, 9b) der Isolierstoffdüse (5, 9) ist, und/oder
    - die Isolierstoffdüse (5, 9) eine Hauptdüse (5) und/oder eine Hilfsdüse (9) in einem Leistungsschalter (1) ist, und/oder
    - die Isolierstoffdüse (5, 9) aus Kunststoff, insbesondere PTFE, ist.
  10. Schalter (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
    - der Schalter (1) ein Selbstblas-Leistungsschalter oder ein Puffer-Leistungsschalter ist, und/oder
    - der Schalter (1) ein Hochspannungsschalter oder ein Hochstromschalter oder ein Trenner ist.
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