EP1829077B2

EP1829077B2 - Generatorschalter mit verbesserter schaltleistung

Info

Publication number: EP1829077B2
Application number: EP04802392A
Authority: EP
Inventors: Thomas Schoenemann; Jochen Kiefer; Patrick Huguenot; Max Claessens; Stephan Grob; Xiangyang Ye
Original assignee: ABB Technology AG
Current assignee: ABB Technology AG
Priority date: 2004-12-24
Filing date: 2004-12-24
Publication date: 2011-03-23
Anticipated expiration: 2024-12-24
Also published as: US20080006609A1; JP4494476B2; EP1829077B1; US7893379B2; WO2006066420A1; ATE389943T1; CN101120423B; JP2008525944A; EP1829077A1; DE502004006630D1; CN101120423A

Description

TECHNISCHES GEBIET

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Hochspannungstechnik, insbesondere der Hochstromschaltertechnik in elektrischen Energieverteilnetzen. Sie geht aus von einem Verfahren und Generatorschalter gemäss Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche.

STAND DER TECHNIK

In der EP 1 403 891 A1 wird ein Leistungsschalter offenbart, bei dem Auspuffgas von einem Lichtbogenraum durch einen Hohlkontakt in ein konzentrisch angeordnetes Auspuffvolumen und von dort in ein weiter aussen liegendes Löschkammervolumen geleitet wird. Zur Steigerung der Ausschaltleistung sind zwischen dem Hohlkontakt und dem Auspuffvolumen mindestens ein Zwischenvolumen und gegebenenfalls ein Zusatzvolumen konzentrisch angeordnet und durch Zwischenwände, die Bohrungen oder Gasdurchlassöffnungen aufweisen, voneinander separiert. Durch das radiale Ausströmen der Schaltgase von den inneren und zu den äusseren Volumina werden die Abgase verwirbelt und viel Wärmeenergie kann an die Zwischenwände der Volumina abgeben werden. Die Durchlassöffnungen zwischen dem Hohlkontaktvolumen, dem Zwischenvolumen und gegebenenfalls dem Zusatzvolumen sind zueinander am Umfang versetzt angeordnet. Die Durchlassöffnungen zwischen dem Zusatzvolumen und dem Auspuffvolumen sind zueinander am Umfang und/oder in axialer Richtung versetzt angeordnet. Dadurch werden mäandrierende sowie auch spiralförmige Abgaspfade vorgegeben, die Verweilzeit des Abgases im Auspuffbereich wird erhöht und die Wärmeabgabe des Abgases wird verbessert. Ferner können die Bohrungen mittels lochblechartiger Blenden verschlossen sein, um eine Vielzahl radial gerichteter Gasstrahlen oder Gasjets zu erzeugen, die auf die gegenüberliegende Wand prallen, sich an den Aufprallstellen verwirbeln und dadurch das heisse Gas intensiv kühlen. Das die Kühlung verbessernde Zwischenvolumen ist im Auspuffbereich auf der Antriebskontaktseite angeordnet. Ein zweites Zwischenvolumen kann zusätzlich auf der Festkontaktseite vorhanden sein. Insgesamt benötigt man in dem Leistungsschalter also neben dem Hohlkontaktvolumen, dem Auspuffvolumen und dem Schaltkammervolumen noch mindestens ein weiteres Zwischenvolumen, um eine effiziente Abgaskühlung zu erreichen.
In der DE 25 07 163 A1 wird ein elektrischer Schalter gezeigt, der an der Innenseite des Schaltkammergehäuses Auskleidungen aus gut wärmeleitendem Metall aufweist. Die Auskleidungen dienen als Kühler, Temperaturverteiler, Feldverteilungsringe, Abschirmungen zum Schutz der Isolierflächen gegen Korrosion und Diffusion und als Element zur Umlenkung des Schaltgasstromes. Dabei wird der Schaltgasstrom entlang der Auskleidungen laminar geführt. Eine Prallwand zur Verwirbelung des Schaltgasstroms ist nicht vorhanden.
Bei der Erfindung wird ausgegangen von dem Stand der Technik gemäß der DE 101 56 535 C1 . Dort wird ein elektrischer Schalter gezeigt, der eine Strömungslenkeinrichtung aufweist, durch die Teilgasströmungen gegeneinander gelenkt und dadurch verwirbelt werden. Die Durchkreuzung der Gasströmungen und ihre Verwirbelung ersetzt eine wärmeaufnehmende Prallwand. Zur zusätzlichen Verwirbelung kann die Strömungslenkeinrichtung an Austritttsöffnungen kleine Verwirbelungskörper aufweisen, welche die Lenkung des Löschgases beeinflussen. Diese Verwirbelungskörper dienen nicht dazu, dem Schaltgas Wärme zu entziehen.
In dem Gebrauchsmuster DE 1 889 068 U wird ein Lasttrennschalter mit verbesserter Abgaskühlung offenbart. Die Kühlvorrichtung umfasst mehrere, im Gasabströmkanal konzentrisch angeordnete Rohre, die jeweils diametral gegen überliegende Ausströmöffnungen aufweisen, so dass die Schaltgase beim laminaren Ausströmen einen labyrinthartigen Weg mit zahlreichen Umlenkungen durcheilen und grosse Oberflächen der Kühlrohre bestreichen müssen. Mit dieser Anordnung wird also im wesentlichen der Ausströmpfad verlängert und die Kühloberfläche im Auspuff vergrössert. Die Ausströmöffnungen sind breit gewählt, um den Rückstaudruck des Schaltgases gering zu halten. Die Strömungskanäle zwischen den Kühlrohren sind schmal gewählt, um dem Schaltgas viel Kühloberfläche zur Verfügung zu stellen. Insgesamt wird die Strömung im laminaren Bereich gehalten und die Kühlung des Schaltgases erfolgt durch laminaren konvektiven Wärmeübergang in die Kühlrohre.
In der EP 0 720 774 B1 wird ein Hochspannungsleistungsschalter mit einem hohlzylindrischen Metalldrahtgeflecht oder Metallkörper als Kühlkörper für Schaltgase offenbart. Zusätzlich ist ein weiter innenliegender, löschgasundurchlässiger Isolierstoffkörper vorhanden, der den Metallkörper gegen die Löschgase abschirmt, die Löschgase durch Materialverdampfung vorkühlt und dadurch einer Überhitzung des Metalldrahtgeflechts entgegenwirkt. Das Löschgas wird beim Durchströmen des Metalldrahtgeflechts durch Wechselwirkung mit dessen Metalloberfläche weiter abgekühlt. Wegen der grossen Anzahl Durchtrittsöffnungen ist der Strömungswiderstand des Metalldrahtgeflechts gering, so dass wiederum eine laminare Strömung beibehalten wird.
In der DE 102 21 580 B3 wird ein Hochspannungsleistungsschalter mit einer Unterbrechereinheit offenbart, in welcher die Auspuffgase zweimal um 180° umgelenkt werden. Zur Verbesserung der Kühlung der Gase ist auf der Festkontaktseite ein konzentrisch angeordnetes, hohlzylindrisches, radial durchströmtes Lochblech vorhanden. Wiederum dient das Lochblech als Kühlkörper, der dem Löschgas Wärme entzieht, ohne den Strömungswiderstand für das Löschgas zu erhöhen und ohne die Laminarität der Löschgasströmung zu stören.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, für ein Verfahren und Schaltgerät mit turbulent konvektiver Kühlung von Schaltgas eine vereinfachte Schaltgasführung und Bauweise mit einer verbesserten Kühl- und Schaltleistung anzugeben. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Die Erfindung besteht in einem Verfahren zur Kühlung eines Schaltgases in einem elektrischen Schaltgerät für elektrische Energieversorgungsnetze, insbesondere in einem Generatorschalter, wobei das Schaltgerät eine Schaltkammer umfasst, die von einem Schaltkammergehäuse umschlossen ist, wobei ferner bei einem Schaltvorgang das Schaltgas von einer Lichtbogenlöschzone zu einem Auspuffbereich strömt, dabei einen eine Vielzahl von Ausströmöffnungen aufweisenden Körper passiert und in eine Vielzahl gerichteter Gasjets aufgeteilt wird, wobei ferner die Gasjets in eine Vielzahl von Wirbeln verwirbelt werden und den Wirbeln durch Konvektion im Bereich einer Prallwand von der Prallwand Wärmeenergie entzogen wird, wobei ferner die Prallwand durch mindestens einen Abschnitt des Schaltkammergehäuses gebildet wird oder an einem Abschnitt des Schaltkammergehäuses befestigt ist. Vom durchströmten Körper wird also ein hinreichend grosser Rückstaudruck im Schaltgas aufgebaut, so dass von den Ausströmöffnungen des Körpers gebündelte Gasjets erzeugt werden können. Der durchströmte Körper dient in erster Linie zur Jetbildung und braucht selber keine Kühlwirkung auf das Schaltgas zu haben. Die verbesserte Abgaskühlung wird dadurch erreicht, dass die Wärmenergie durch einen turbulenten Wärmeübergang von den Wirbeln in die Prallwand abgegeben wird und dass von der Prallwand als Bestandteil des Schaltkammergehäuses oder als Montageteil am Schaltkammergehäuse eine hocheffiziente Wärmeabführung ermöglicht wird. Die Wärmeenergie kann in der Prallwand gespeichert werden oder an eine mit der Prallwand thermisch verbundene Wärmesenke weitergeleitet werden. Desweiteren wird eine Abstrahlcharakteristik der Ausströmöffnungen so an einen Abstand zur Prallwand angepasst, dass die Wirbel an oder im Bereich der Prallwand gebildet werden.
Die Erfindung hat den Vorteil, dass keine elektrischen Überschläge zwischen dem Schaltgas und der Prallwand zu erwarten sind, weil kein oder kein wesentliches Potentialgefälle im vom Schaltgas durchströmten äusseren Volumen besteht. Auch noch stark ionisiertes, dielektrisch noch nicht verfestigtes Schaltgas kann an der auf Potential liegenden Prallwand gekühlt werden.
Das Ausführungsbeispiel gemäss Anspruch 2b hat den Vorteil, dass das Schaltkammergehäuse gesamthaft oder zumindesten auf einer Schalterkontaktseite als grossvolumige Wärmesenke für die von der Prallwand aufgenommen Wärmeenergie verwendet wird.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird die Bildung der Wirbel durch Wechselwirkung der Gasjets untereinander vor Erreichen der Prallwand unterstützt. Insbesondere sollen im Körper solche Gasjets gebildet werden, deren Trajektorien einander vor Erreichen der Prallwand kreuzen: Auf diese Weise wird die Wirbelbildung nicht erst durch Aufprall getrennter Gasjets auf die Prallwand hervorgerufen, sondern wird schon auf dem Weg zur Prallwand durch Interaktion der Gasjets untereinander induziert. Im Extremfall ist die interaktive Wirbelbildung so stark, dass an der Prallwand keine eigentliche Aufprallstelle einzelner Gasjets mehr vorhanden ist, sondern unmittelbar ein Wirbel, gebildet aus mindestens zwei Gasjets, ankommt und sich turbulent konvektiv an der Prallwand abkühlt.
Die Erfindung betrifft auch ein elektrisches Schaltgerät für ein elektrisches Energieversorgungsnetz, insbesondere einen Generatorschalter, umfassend eine Schaltkammer, die von einem Schaltkammergehäuse umschlossen ist und eine zentrale Achse sowie einen ersten Kontakt und einen zweiten Kontakt aufweist, wobei in einem Auspuffbereich des ersten oder zweiten Kontakts ein Körper mit Ausströmöffnungen zum Durchströmen von Schaltgas vorhanden ist, der Auspuffbereich durch den Körper in ein inneres Volumen und ein äusseres Volumen unterteilt ist und im äusseren Volumen eine Prallwand zur Kühlung des Schaltgases vorhanden ist, wobei ferner die Ausströmöffnungen des Körpers zur Erzeugung einer Vielzahl gerichteter Gasjets dienen, die Gasjets auf die Prallwand gerichtet sind und eine Vielzahl von Wirbeln ausbilden und die Wirbel einen konvektiven Wärmeübergang vom Schaltgas in die Prallwand bewirken, wobei die Prallwand durch mindestens einen Abschnitt des Schaltkammergehäuses gebildet ist oder an einem Abschnitt des Schaltkammergehäuses befestigt ist. Zudem sind die Ausströmöffnungen des Körpers Düsen, die aufgrund ihrer Anordnung, Form und/oder Ausrichtung den Gasjets eine gewünschte Strahlcharakteristik und/oder Ausrichtung vorgeben, wobei die Gasjets in den Düsen eine Kollimierung, Aufweitung oder Fokussierung erfahren, die so an einen Abstand zur Prallwand angepasst ist, dass die Wirbelbildung an der Prallwand oder in einem Bereich der Prallwand erfolgt. Desweiteren weist die Prallwand eine grosse Wärmekapazität zur Kühlung des turbulenten Schaltgases auf, und/oder die Prallwand weist zur Kühlung des turbulenten Schaltgases eine grosse Wärmeleitfähigkeit auf und ist wärmeleitend mit dem Schaltkammergehäuse verbunden.
Der Körper oder Multidüsenkörper dient also dazu, das Schaltgas in mindestens einem Auspuffbereich des Schaltgeräts in eine Vielzahl gerichteter Gasjets aufzuteilen und die Prallwand dient zur Jetverwirbelung und/oder zum Entlangströmen der verwirbelten Jets, um durch turbulent konvektiven Wärmeübergang dem Schaltgas bzw. den Schaltgaswirbeln Wärmeenergie zu entziehen. Die Prallwand kann selber Wärmesenke sein oder mit einer Wärmesenke thermisch verbunden sein. Insbesondere kann die Prallwand aufgrund ihrer Position nahe der Schaltkammerwand oder als Bestandteil des Schaltkammergehäuses sehr grossflächig ausgestaltet sein und zur turbulenten Kühlung einer grossen Anzahl gasjetinduzierter Schaltgaswirbel dienen. Mit einem erfindungsgemäss ausgestalteten Schaltgerät wurden aufgrund der verbesserten Kühlung der Schaltgase hervorragende Abschaltleistungen nachgewiesen.
Erfindungsgemäss sind die Funktionen des Körpers als Multidüsenkörper und der Prallwand als Wärmeableitung getrennt. Dadurch kann der Körper im Hinblick auf seine Anordnung im Auspuffbereich und auf die Ausgestaltung und Anordnung seiner Düsen optimiert werden und die Prallwand kann unabhängig davon im Hinblick auf ihre Anordnung im äusseren Volumen, ihre thermischen Eigenschaften und ihre thermische Verbindung zum Schaltkammergehäuse optimiert werden. Aufgrund der grossen thermischen Masse und/oder schnellen Wärmeleitfähigkeit der Prallwand oder des Schaltkammergehäuseabschnitts werden die lokalen Erhitzungen an den Aufprallorten der Gasjets schnell auf die ganze Prallwand verteilt und gegebenenfalls von der Prallwand abgeführt.
Zudem kann durch die optimierte Anordnung, insbesondere Beabstandung, Form und/oder Ausrichtung, der Düsen der Leistungsbereich, ab dem die erfindungsgemässe turbulent konvektive Kühlung in Aktion tritt, genauer festgelegt und insbesondere ausgeweitet werden. Insbesondere kann die Abstrahlcharakteristik der Düsen des Körpers in Abhängigkeit von der Position und gegebenenfalls Form der Prallwand so gestaltet werden, dass eine intensive Wirbelbildung und eine gute Führung der Wirbel nahe der Prallwand und entlang grosser Flächen der Prallwand realisiert ist.
Die Erfindung hat den Vorteil, dass auch noch stark ionisiertes, heisses Schaltgas von der Prallwand gekühlt werden kann. Die Doppelfunktion der Prallwand als Kühlkörper und Strombahn erlaubt eine besonders einfache und kompakte Bauweise des Schaltgeräts.
Das Ausführungsbeispiel gemäss Anspruch 10 hat den Vorteil, dass durch die sich kreuzenden Gasjets die Wirbelbildung verstärkt wird. Zudem kann eine Wirbelbildung schon früher, d. h. in einem schwächeren Leistungsbereich, erreicht werden.
Die Ausführungsbeispiele gemäss den Ansprüchen 4 und 11-13 betreffen weitere Massnahmen zur Verbesserung der Kühleffizienz des Schaltgases im Schaltgerät und damit zur Erhöhung der Schaltleistung.
Weitere Ausführungen, Vorteile und Anwendungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, aus den Anspruchskombinationen sowie aus der nun folgenden Beschreibung und den Figuren.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Es zeigen schematisch

Fig. 1: einen Generatorschalter mit einer Metallhülse und einer gehäuseseitigen Prallwand zur Schaltgaskühlung;
Fig. 2a-2d: Ausführungsformen der Metallhülse;
Fig. 3: eine Darstellung zur Wirkungsweise der turbulent konvektiven Kühlung;
Fig. 4: ein Auspuffdruck als Funktion der Zeit gemäss Stand der Technik und gemäss Erfindung; und
Fig. 5: ein Kühleffizienz als Funktion der Zeit gemäss der Erfindung.

In den Figuren sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.

WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

Fig. 1 zeigt einen Generatorschalter 1 mit einer Schalterachse 1a und einer Schaltkammer 2 oder Unterbrechereinheit 2, die eine Löschkammer 9 und Auspuffvolumina 7, 8 umfasst. Die Schaltkammer 2 ist von einem Schaltkammergehäuse 3 umgeben ist. Das Schaltkammergehäuse 3 setzt sich zusammen aus einem Löschkammergehäuse oder Löschkammerisolator 3c sowie einem ersten Auspuffgehäuse 3a und einem zweiten Auspuffgehäuse 3b. Für die Leistungsstrombahn und zur Lichtbogenunterbrechung sind ein erster Kontakt oder Schaltstift 4 und ein zweiter Kontakt in Form einer Kontakttulpe 5 vorhanden, zwischen denen beim Öffnen des Schalters 1 ein Lichtbogen 6a brennt. Die prinzipielle Funktion des Schaltgeräts 1 ist in der EP 0 982 748 B1 beschrieben, deren gesamter Offenbarungsgehalt hiermit durch Bezugnahme in die Beschreibung aufgenommen wird. Insbesondere sind dort die Funktionen des Schaltgeräts 1 beschrieben. Die Bezugszeichen bezeichnen folgende Bauteile: Nennstrombahn 15, erster feststehender Nennstromkontakt 16, zweiter feststehender Nennstromkontakt 17, beweglicher Nennstromkontakt 18, erste Trennwand 19, Abbrandschaltanordnung 20, Isolierstoffdüse 21, Gleitführung 22, zweite Trennwand 23, Heizvolumen 24, Blasschlitz 25, Wand 26, Blaszylinder 27, Blaskolben 28, Blaskanal 29, Rückschlagventil 30. In der EP 0 982 748 B1 sind die Funktionen und das Zusammenwirken der genannten Bauteile in näherem Detail beschrieben.
Beim Öffnen des Lichtbogenschaltkontaktstifts 4 wird die Lichtbogenlöschzone 6 vom Heizvolumen 24 her mit Lösch- oder Schaltgas beblasen. Das Schaltgas strömt dann in den ersten und zweiten Auspuffbereich 7, 8 und wird dort gekühlt. Erfindungsgemäss ist nun z. B. im ersten Auspuffbereich 7 ein Körper 10 mit Ausströmöffnungen 11 zum Durchströmen von Schaltgas angeordnet. Der Gasdurchströmkörper 10 unterteilt den Auspuffbereich 7 in ein inneres Volumen 7a und ein äusseres Volumen 7b. Im äusseren Volumen 7b ist eine Prallwand 14, 140 zur Kühlung des Schaltgases vorhanden. Die Prallwand 14, 140 ist durch mindestens einen Abschnitt 14 des Schaltkammergehäuses 3 gebildet oder ist als Platte 140, die mehr oder weniger separat ausgestaltet sein kann, an einem Abschnitt des Schaltkammergehäuses 3 befestigt. In dieser Anordnung wird eine hocheffiziente turbulente Schaltgaskühlung erreicht. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass das Schaltkammergehäuse 3 nicht unmittelbar von heissestem Schaltgas kontaminiert wird, sondern durch den Düsenkörper 10 etwas geschützt wird.
Das Zusammenwirken des Gasdurchströmkörpers oder Düsenkörpers 10 mit der Prallwand 14, 140 wird im folgenden näher anhand von Fig. 1 erläutert. Aus der Lichtbogenlöschzone 6 strömt eine heisse Schaltgasströmung 100 in den ersten Auspuffbereich 7, wird vom Strömungsumlenkelement 7c in eine radiale Richtung umgelenkt, strömt entlang einer Innenwand des hier hülsenförmig dargestellten Körpers 10 zurück und bildet so eine Rezirkulationsströmung 101, durch welche im inneren Volumen 7a ein Staudruck aufgebaut wird. Durch die Ausströmöffnungen 11 im Körper 10 strömt das Schaltgas in Form von Gasjets 12 nach aussen in das äussere Volumen 7b. Die Gasjets 12 sind auf die Prallwand 14, 140 gerichtet und bilden Wirbel 13. Dies geschieht typischerweise durch Aufprall des Gasjets 12 auf die Prallwand 14, 140, so dass pro Gasjet 12 bzw. Aufprallort ein Wirbel 13 gebildet wird.
Fig. 3 zeigt in grösserem Detail, wie die Wirbel 13 eine intensive Kühlung des Schaltgases durch turbulent konvektiven Wärmeübergang in die Prallwand 14, 140 bewirken. Beim Ausströmen des Schaltgases aus der Öffnung 11 wird der Gasjet 12 geformt. Nach Verlassen der Ausströmöffnung 12 bildet der Gasjet 12 eine Grenzschicht 12a, 12b aus, wobei in einem Ablösebereich 12a kleine Wirbel 13 erzeugt werden, die mit zunehmendem Abstand vom Düsenkörper 10 an Stärke und Grösse zunehmen und bei Annäherung an die Prallwand 14, 140 in eine im wesentlichen axiale Richtung umgelenkt werden. In Nähe der Prallwand 14, 140, d. h. im Prallwandbereich 14a, bildet sich ein Wirbelbereich oder eine Wirbelzone oder Wirbelgrenzschicht 130 aus, in welcher der Wirbel 13 der Prallwand 14, 140 entlangstreicht, dort einen Teil seiner Wärmeenergie deponiert, in einem Ausströmbereich 131 des Wirbels 13 von der Prallwand 14, 140 wegströmt, rezirkuliert und in einem Nachströmbereich 132 weiteres Schaltgas einsaugt und der Prallwand 14, 140 zur Kühlung zuführt. Durch den wiederholten intensiven Gasaustausch im Bereich der Prallwand 14, 140 wird also eine intensive Kühlung des Schaltgases erreicht. Voraussetzung dafür ist, dass die Prallwand 14, 140 selber als effiziente Wärmesenke wirkt. Dies wird erfindungsgemäss dadurch erreicht, dass sie durch einen Abschnitt des Schaltkammergehäuses 3 gebildet ist oder als Platte 140 oder allgemein Kühlkörper 140 an dem Schaltkammergehäuse 3 befestigt ist. Zu diesem Zweck kann die Prallwand 14, 140 eine grosse Wärmekapazität zur Kühlung des turbulenten Schaltgases aufweisen. Alternativ oder ergänzend kann die Prallwand 14, 140 zur Kühlung des turbulenten Schaltgases eine grosse Wärmeleitfähigkeit aufweisen und wärmeleitend mit dem Schaltkammergehäuse 3 verbunden sein.
Mit Vorteil liegt die Prallwand 14, 140 auf dem Potential des Schaltkammergehäuses 3, um die Gefahr elektrischer Überschläge zu reduzieren oder zu eliminieren. Dadurch muss das Schaltgas bei Interaktion mit der Prallwand 14, 140 noch nicht vorgekühlt sein. Es darf vielmehr noch heiss und insbesondere ionisiert sein. Eine besonders kompakte Anordnung wird dadurch erreicht, dass die Prallwand die 14, 140 Teil einer Strombahn 15 des Schaltgeräts 1 ist. Die Strombahn 15 ist in Fig. 1 eine Nennstrombahn, kann jedoch prinzipiell auch eine Leistungsstrombahn 15 sein.
Der Düsenkörper 10 kann eine geringe Wärmekapazität und/oder geringe Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Ein Beitrag des Düsenkörpers 10 zur Wärmeabfuhr ist also nicht nötig. Jedoch ist eine zusätzliche Kühlwirkung und homogene Wärmeverteilung im Düsenkörper 10 von Vorteil. Die Ausströmöffnungen 11 des Körpers 10 sollen als Düsen 110, 111, 112 wirken, die aufgrund ihrer Anordnung, Form und/oder Ausrichtung den Gasjets 12 eine gewünschte Strahlcharakteristik und/oder Ausrichtung vorgeben. Insbesondere sollen die Gasjets 12 in den Düsen 110, 111, 112 eine Kollimierung, Aufweitung oder Fokussierung erfahren, die so an einen Abstand H zur Prallwand 14, 140 so angepasst ist, dass die Wirbelbildung an der Prallwand 14, 140 oder im Bereich 14a der Prallwand 14, 140 erfolgt.
Fig. 2a zeigt ein Ausführungsbeispiel, in dem die Düsen 110 in radial nach aussen gerichteter Strömungsrichtung des Schaltgases trichterförmig verjüngt sind. Gemäss Fig. 2b sind mit Vorteil solche Düsen 111, 112 vorhanden, die gegeneinander gerichtet sind derart, dass die Trajektorien 121, 122 der zugehörigen Gasjets 12 einander vor Erreichen der Prallwand 14, 140 kreuzen und vor Erreichen der Prallwand 14, 140 Wirbel ausbilden. Die gegeneinander gerichteten Düsen 111, 112 können insbesondere einander benachbarte Düsen 111, 112 oder auch Düsengruppen sein. Die Blendenöffnungen können auch zylindrisch oder in Strahlrichtung konisch verbreitert sein, wodurch die Gasstrahlen 12 aufgeweitet werden. Weitere Varianten der Ausströmöffnungen 11 sind in der EP 1 403 891 A1 beschrieben, deren gesamter Offenbarungsgehalt hiermit durch Bezugnahme in die Beschreibung aufgenommen wird. Dort sind insbesondere offenbart: axial und/oder am Umfang zueinander versetzte Ausströmöffnungen, Ausströmöffnungen mit unterschiedlichen Durchmessern, mit unterschiedlichen Mittenabständen, Ausströmöffnungen optimiert hinsichtlich ihrer Form, Grösse, Anordnung (z. B. überwiegend im oberen Teil des Auspuffbereichs) und Anzahl. Für einen hohen Wirkungsgrad der Abkühlung wird für das Verhältnis von Abstand H der Blendenöffnungen zur gegenüberliegenden Wand zu ihrem Durchmesser D ein bevorzugter Bereich von 1,5<H/D<5 und insbesondere H/D=2 offenbart. Für den Mittenabstand S der Blendenöffnungen zu ihrem Durchmesser D wird ein Verhältnis von S/H=1,4 bevorzugt. Wenn dieser Abstand nicht unterschritten wird, ist sichergestellt, dass sich die um die Aufprallpunkte ausbildenden Verwirbelungen gegenseitig nicht negativ beeinflussen und das Gas wirksam gekühlt wird.
Der Düsenkörper 10 ist mit Vorteil eine Hülse 10, insbesondere aus Metall. Die Hülse 10 kann im Prinzip beliebige Gestalt haben und ist beispielsweise hohlzylindrisch (Fig. 1) oder kegelstumpfartig verjüngt (Fig. 2c) oder konisch zulaufend (Fig. 2d) geformt. In Fig. 1 ist ein unterer Deckel durch die erste Trennwand 19 zwischen Löschkammer 9 und erstem Auspuffbereich 7 gegeben und ein oberer Deckel durch eine Schaltkammerwand. Die Hülse 10 umschliesst ein Volumen V, wobei zusätzlich zu den Ausströmöffnungen 11 auch andere Öffnungen oder eine unvollständige Hülsenform prinzipiell zulässig sind, sofern genügend Staudruck aufgebaut werden kann und eine Jetbildung möglich ist. Mit Vorteil sind die Ausströmöffnungen 11 die einzigen Öffnungen. Das Verhältnis des eingeschlossenen Volumens V zur Gesamtfläche A der Ausströmöffnungen 11 soll mit Vorteil in einem Bereich 0,5 m < V/A < 1,5 m, bevorzugt 1 m < V/A < 1,4 m, besonders bevorzugt 1,2 m < V/A < 1,3 m, liegen.
Fig. 2c zeigt ein Ausführungsbeispiel, in dem die Ausströmöffnungen 11 an dem Körper 10 gehäuft in zwei radial gegenüberliegenden Bereichen 11a, 11b angeordnet sind. Dadurch kann im Schaltgas im äusseren Volumen 7b eine an der Prallwand 14, 140 geführte Strömung induziert werden. Typischerweise verläuft die geführte Strömung auf Kreisbahnen, Schraubenbahnen und/oder Spiralbahnen 11ab oder allgemein auf im wesentlichen rotationssymmetrischen Bahnen 11ab um die Schalterachse 1a. Die Art der Bahn kann durch die Anordnung der Ausströmöffnungen 11, durch strömungsführende Elemente und/oder durch die Gestalt des Düsenkörpers 11 und der Prallwand 14, 140, gewählt oder beeinflusst werden. Beispielsweise können bei axial gleichverteilten Ausströmöffnungen 11, bei einer hohlzylindrischen Prallwand 14, 140 und bei einer hohlzylindrischen Gestalt des Düsenkörpers 10 vorwiegend Kreisbahnen oder Schraubenbahnen und bei einer verjüngten Gestalt des Düsenkörpers 10 vorwiegend Spiralbahnen 11ab induziert werden.
Es wurde eine theoretische Analyse des Wirkungsgrads η der Anordnung mit Düsenkörper oder Hülse 10 und Prallwand 14, 140 durchgeführt. Der Wirkungsgrad oder die Kühleffizienz η der Hülse 10 ist definiert als Verhältnis der dem Schaltgas mit Hilfe der Hülse 10 entzogenen Wärmeenergie zur gesamten Wärmeenergie des heissen Schaltgases. Man kann zeigen, dass näherungsweise gilt $η (t) = (p_{2} - p_{2} ʹ) / p_{2},$
wobei p₂ = Schaltgasdruck ohne Hülse 10 im ersten Auspuffbereich 7 nach Schalterkontakttrennung; und p₂' = Schaltgasdruck bei Anwesenheit der Hülse 10 im ersten Auspuffbereich 7 gemittelt über das innere und äussere Volumen 7a, 7b, ebenfalls nach Schalterkontakttrennung. Experimentell wurde der Druck p₂ ohne Hülse 10 gemessen und der Druck p₂' mit Hülse 10 dadurch bestimmt, das ein erster Druck im äusseren Volumen 7b gemessen wurde, ein zweiter Druck im inneren Volumen 7a durch Simulation berechnet wurde und der erste und zweite Druck gewichtet mit den zugehörigen Volumina 7a, 7b gemittelt wurden. Fig. 3 zeigt den Druckverlauf 31 als Funktion der Zeit für einen Auspuff 7 ohne Metallhülse 10 und einen Druckverlauf 32 mit Metallhülse 32. Nach der Kontakttrennung 33 wird der Druckanstieg bei unveränderter Steilheit auf ca. 50% des früher üblichen Wertes begrenzt. Bei Durchschreiten des Stromnulldurchgangs 34 fällt nun der Druck bereits wieder, was insgesamt zu einer erheblichen Druckreduktion über den Schaltvorgang führt. In Fig. 4 ist die Kühleffizienz η(t) dargestellt, die nach dem Stromnulldurchgang 34 über 45% beträgt und kurzzeitig ein Maximum von 60% erreicht.
Desweiteren wurden experimentelle Versuche mit einem Leistungsschalter 1 mit Metallhülse 10 und Schaltgehäuseprallwand 14 durchgeführt. Im Versuch betrug das Volumenzu-Flächenverhältnis der Metallhülse 10 1.05 m. Bei diesem Verhältnis wurde berücksichtigt, dass im vorliegenden Fall ca. 80 % der geometrischen Fläche A der Ausströmöffnungen 11 tatsächlich wirksam ist. Im Versuchslabor wurden Ströme im Bereich von mehr als 63 kA mit hoher Asymmetrie, langen Lichtbogenzeiten und einer daraus resultierenden Energieeinkopplung von ca. 1 MJ in den Leistungsschalter 1 fehlerfrei abgeschaltet. Damit ist experimentell und theoretisch nachgewiesen, dass durch die Erfindung die Wärmeabführung aus dem Schaltgas massiv verbessert werden kann. Zusätzlich kann das Schaltkammergehäuse 3 durch die Metallhülse 10 vor Heissgasen geschützt werden.
In weiteren, hier nicht dargestellten Ausführungsbeispielen sind im inneren Volumen 7a mindestens ein weiterer Körper mit weiteren Ausströmöffnungen zur Erzeugung weiterer Gasjets vorhanden und das innere Volumen 7a ist durch den weiteren Körper in ein inneres und äusseres Untervolumen unterteilt, wobei in dem äusseren Untervolumen mindestens eine weitere Prallwand derart angeordnet ist, dass die weiteren Gasjets gegen die weitere Prallwand gerichtet sind. Mit Vorteil sind mindestens je ein Körper 10 und mindestens je eine zugehörige Prallwand 14, 140 in einem ersten Auspuffbereich 7 des ersten Kontakts 4 und in einem zweiten Auspuffbereich 8 des zweiten Kontakts 5 vorhanden. Das Schaltkammergehäuse 3 kann ein druckdichtes Kapselungsgehäuse 3 für das Schaltgas, insbesondere das Löschgas und Auspuffgas, sein. Das Schaltkammergehäuse 3 kann von einem magnetfeldabschirmenden Aussengehäuse umgeben sein. Das Aussengehäuse kann zugleich als mechanische Halterung für das Schaltgerät 1 ausgelegt sein. Die Erfindung ist auf jeden Typ eines elektrischen Schaltgeräts 1 anwendbar, insbesondere in Generatorschaltern 1, in Schaltern mit rotierendem Lichtbogen, in Selbstblasschaltern, in Gas- oder SF₆-Schaltern und in Schaltern mit hohlem Kontaktrohr für Schaltgaswegführung aus der Lichtbogenlöschzone.
Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zur Kühlung eines Schaltgases in einem elektrischen Schaltgerät 1 für elektrische Energieversorgungsnetze, insbesondere in einem Generatorschalter 1, wobei das Schaltgerät 1 eine Schaltkammer 2 umfasst, die von einem Schaltkammergehäuse 3 umschlossen ist, wobei ferner bei einem Schaltvorgang das Schaltgas von einer Lichtbogenlöschzone 6 zu einem Auspuffbereich 7, 8 geströmt wird, dabei ein eine Vielzahl von Ausströmöffnungen 11 aufweisender Körper 10 durchströmt wird und das Schaltgas in eine Vielzahl gerichteter Gasjets 12 aufgeteilt wird, wobei ferner die Gasjets 12 in eine Vielzahl von Wirbeln 13 verwirbelt werden und den Wirbeln 13 durch Konvektion in einem Bereich 14a einer Prallwand 14, 140 von der Prallwand 14, 140 Wärmeenergie entzogen wird, wobei die Prallwand 14, 140 durch mindestens einen Abschnitt 14 des Schaltkammergehäuses 3 gebildet wird oder an einem Abschnitt des Schaltkammergehäuses 3 befestigt ist. Im folgenden werden einige Ausführungsbeispiele angegeben.
Die Prallwand 14, 140 kann auf dem Potential des Schaltkammergehäuses 3 gehalten werden. Die Prallwand 14, 140 kann auch durch Wärmeleitung auf einer Temperatur des Schaltkammergehäuses 3 gehalten werden. Die Bildung der Schaltgaswirbel 13 kann durch Wechselwirkung der Gasjets 12 untereinander vor Erreichen der Prallwand 14, 140 unterstützt werden. Insbesondere können im Körper 10 solche Gasjets 12 gebildet werden, deren Trajektorien 121, 122 einander vor Erreichen der Prallwand 14, 140 kreuzen. Auch kann eine Abstrahlcharakteristik der Ausströmöffnungen 11 so an einen Abstand H zur Prallwand 14, 140 angepasst werden, dass die Wirbel 13 an oder im Bereich 14a der Prallwand 14, 140 gebildet werden. Mit Vorteil wird oder werden das Schaltgas und insbesondere die Wirbel 13 auf Kreisbahnen, Schraubenbahnen oder auf Spiralbahnen um die zentrale Achse 1a des Schaltgeräts 1 entlang der Prallwand 14, 140 geführt.
Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Abschnitt einer elektrischen Hochspannungsanlage, die ein elektrisches Schaltgerät 1, insbesondere einen Generatorschalter 1, wie zuvor beschrieben und wie in den Ansprüchen 7-13 beansprucht aufweist.

BEZUGSZEICHENLISTE

1: Elektrisches Schaltgerät
1a: Zentrale Achse, Schalterachse
2: Schaltkammer
3: Schaltkammergehäuse, Schaltkammerwand
3a: Erstes Auspuffgehäuse
3b: Zweites Auspuffgehäuse
3c: Löschkammergehäuse, Löschkammerisolator
4: Erster Kontakt, (Lichtbogen-) Schaltstift
5: Zweiter Kontakt, (Lichtbogen-) Kontakttulpe
6: Lichtbogenlöschzone
6a: Lichtbogen
7: Erster Auspuffbereich
7a: Inneres Volumen
7b: Äusseres Volumen
7c: Strömungsumlenkelement
8: Zweiter Auspuffbereich
9: Löschkammer
10: Körper, Düsenkörper, Hülse, Metallhülse
100: Schaltgasströmung aus Löschzone
101: Rezirkulationsströmung im inneren Volumen
11: Ausströmöffnungen
11a, 11b: Radial gegenüberliegende Bereiche
11ab: Kreisbahnen, Schraubenbahnen, Spiralbahnen
110, 111, 112: Düsenformen
12: Gasjets
12a: Ablösebereich
12b: Verwirbelungsbereich
121, 122: Trajektorien
13: Wirbel
130: Wirbelbereich, Bereich der konvektiven turbulenten Wärmeübertragung, Wirbelgrenzschicht
131: Ausströmbereich
132: Nachströmbereich, Ansaugbereich
14: Prallwand, Schaltkammergehäuseabschnitt
140: Prallwand, Platte, Kühlkörper
14a: Prallwandbereich
15: Strombahn
16: Erster feststehender Nennstromkontakt
17: Zweiter feststehender Nennstromkontakt
18: Beweglicher Nennstromkontakt
19: Erste Trennwand
20: Abbrandschaltanordnung
21: Isolierstoffdüse
22: Gleitführung
23: Zweite Trennwand
24: Heizvolumen
25: Blasschlitz
26: Wand
27: Blaszylinder
28: Blaskolben
29: Blaskanal
30: Rückschlagventil
31: Druckverlauf (Stand der Technik)
32: Druckverlauf mit Körper und Prallwand
33: Kontakttrennung
34: Stromnulldurchgang

D: Durchmesser von Ausströmöffnungen
H: Abstand Ausströmöffnung zu Prallwand
S: Mittenabstand zwischen Ausströmöffnungen
t: Zeit
η: Wirkungsgrad

Claims

Verfahren zur Kühlung eines Schaltgases in einem elektrischen Schaltgerät (1) für elektrische Energieversorgungsnetze, insbesondere in einem Generatorschalter (1), wobei das Schaltgerät (1) eine Schaltkammer (2) umfasst, die von einem Schaltkammergehäuse (3) umschlossen ist, wobei ferner bei einem Schaltvorgang das Schaltgas von einer Lichtbogenlöschzone (6) zu einem Auspuffbereich (7, 8) strömt, dabei einen eine Vielzahl von Ausströmöffnungen (11) aufweisenden Körper (10) passiert und in eine Vielzahl gerichteter Gasjets (12) aufgeteilt wird, wobei ferner die Gasjets (12) in eine Vielzahl von Wirbeln (13) verwirbelt werden und den Wirbeln (13) durch Konvektion im Bereich einer Prallwand (14, 140) von der Prallwand (14, 140) Wärmeenergie entzogen wird,
a) eine Abstrahlcharakteristik der Ausströmöffnungen (11) so an einen Abstand (H) zur Prallwand (14, 140) angepasst wird, dass die Wirbel (13) an oder im Bereich (14a) der Prallwand (14, 140) gebildet werden, und

b) die Wärmeenergie in der Prallwand (14, 140) gespeichert wird oder an eine mit der Prallwand (14, 140) thermisch verbundene Wärmesenke weitergeleitet wird wobei dadurch gekennzeichnet, dass

c) die Prallwand (14, 140) durch mindestens einen Abschnitt (14) des Schaltkammergehäuses (3) gebildet wird oder an einem Abschnitt des Schaltkammergehäuses (3) befestigt ist, und

d) das Schaltgerät gemäß Anspruch 7 ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
a) die Prallwand (14, 140) auf dem Potential des Schaltkammergehäuses (3) gehalten wird und/oder

b) die Prallwand (14, 140) durch Wärmeleitung auf einer Temperatur des Schaltkammergehäuses (3) gehalten wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
a) die Bildung der Wirbel (13) durch Wechselwirkung der Gasjets (12) untereinander vor Erreichen der Prallwand (14, 140) unterstützt wird und

b) insbesondere dass im Körper (10) solche Gasjets (12) gebildet werden, deren Trajektorien (121, 122) einander vor Erreichen der Prallwand (14, 140) kreuzen.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltgas und insbesondere die Wirbel (13) auf Kreisbahnen, Schraubenbahnen oder auf Spiralbahnen entlang der Prallwand (14, 140) geführt wird oder werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus der Lichtbogenzone (6) eine heisse Schaltgasströmung (100) in den ersten Auspuffbereich (7) geströmt wird, von einem Strömungsumlenkelement (7c) in eine radiale Richtung umgelenkt wird, entlang einer Innenwand des Körpers (10) zurückgeströmt wird und so eine Rezirkulationsströmung (101) gebildet wird, durch welche im inneren Volumen (7a) des Körpers (10) ein Staudruck aufgebaut wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Prallwandbereich (14a) sich eine Wirbelgrenzschicht (130) ausbildet, in welcher der Wirbel (13) der Prallwand (14, 140) entlangstreicht, dort einen Teil seiner Wärmeenergie deponiert, in einem Ausströmbereich (131) des Wirbels (13) von der Prallwand (14, 140) wegströmt, rezirkuliert und in einem Nachströmbereich (132) weiteres Schaltgas einsaugt und der Prallwand (14, 140) zur Kühlung zuführt.
Elektrisches Schaltgerät (1) für ein elektrisches Energieversorgungsnetz, insbesondere Generatorschalter (1), umfassend eine Schaltkammer (2), die von einem Schaltkammergehäuse (3) umschlossen ist und eine zentrale Achse (1a) sowie einen ersten Kontakt (4) und einen zweiten Kontakt (5) aufweist, wobei in einem Auspuffbereich (7, 8) des ersten oder zweiten Kontakts (4, 5) ein Körper (10) mit Ausströmöffnungen (11) zum Durchströmen von Schaltgas vorhanden ist, der Auspuffbereich (7, 8) durch den Körper (10) in ein inneres Volumen (7a) und ein äusseres Volumen (7b) unterteilt ist und im äusseren Volumen (7b) eine Prallwand (14, 140) zur Kühlung des Schaltgases vorhanden ist, wobei ferner die Ausströmöffnungen (11) des Körpers (10) zur Erzeugung einer Vielzahl gerichteter Gasjets (12) dienen, die Gasjets (12) auf die Prallwand (14, 140) gerichtet sind und eine Vielzahl von Wirbeln (13) ausbilden und die Wirbel (13) einen konvektiven Wärmeübergang vom Schaltgas in die Prallwand (14, 140) bewirken,
a) die Ausströmöffnungen (11) des Körpers (10) Düsen (110, 111, 112) sind, die aufgrund ihrer Anordnung, Form und/oder Ausrichtung den Gasjets (12) eine gewünschte Strahlcharakteristik und/oder Ausrichtung vorgeben, wobei die Gasjets (12) in den Düsen (110, 111, 112) eine Kollimierung, Aufweitung oder Fokussierung erfahren, die so an einen Abstand (H) zur Prallwand (14, 140) angepasst ist, dass die Wirbelbildung an der Prallwand (14, 140) oder in einem Bereich (14a) der Prallwand (14, 140) erfolgt, und

b) die Prallwand (14, 140) eine grosse Wärmekapazität zur Kühlung des turbulenten Schaltgases aufweist, und/oder die Prallwand (14, 140) zur Kühlung des turbulenten Schaltgases eine grosse Wärmeleitfähigkeit aufweist und wärmeleitend mit dem Schaltkammergehäuse (3) verbunden ist

c) die Prallwand (14, 140) durch mindestens einen Abschnitt (14) des Schaltkammergehäuses (3) gebildet ist oder an einem Abschnitt des Schaltkammergehäuses (3) befestigt ist dadurch gekennzeichnet, daß

d) die Prallwand (14, 140) Teil einer Nennstrombahn oder Leistungsstrombahn (15) des Schaltgeräts (1) ist.
Elektrisches Schaltgerät (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (10) eine geringe Wärmekapazität und/oder geringe Wärmeleitfähigkeit aufweist.
Elektrisches Schaltgerät (1) nach einem der Ansprüche 7-8, dadurch gekennzeichnet, dass
a) die Düsen (110) in radialer Strömungsrichtung des Schaltgases trichterförmig verjüngt sind, und/oder

b) Düsen (111, 112) vorhanden sind, insbesondere einander benachbarte Düsen (111, 112), die gegeneinander gerichtet sind derart, dass die Trajektorien (121, 122) der zugehörigen Gasjets (12) einander vor Erreichen der Prallwand (14, 140) kreuzen und vor Erreichen der Prallwand (14, 140) Wirbel ausbilden.
Elektrisches Schaltgerät (1) nach einem der Ansprüche 7-9, dadurch gekennzeichnet, dass
a) der Körper (10) eine Hülse (10), insbesondere aus Metall, ist, deren eingeschlossenes Volumen V zur Gesamtfläche A der Ausströmöffnungen (11) ein Verhältnis bilden, das in einem Bereich 0, 5 m < V/A < 1,5 m, bevorzugt 1 m < V/A < 1,4 m, besonders bevorzugt 1,2 m < V/A < 1,3 m, liegt und/oder

b) die Ausströmöffnungen (11) an dem Körper (10) gehäuft in zwei radial gegenüberliegenden Bereichen (11a, 11b) angeordnet sind, um im Schaltgas im äusseren Volumen (7b) eine auf Kreisbahnen, Schraubenbahnen und/oder Spiralbahnen an der Prallwand (14, 140) geführte Strömung zu induzieren.
Elektrisches Schaltgerät (1) nach einem der Ansprüche 7-10, dadurch gekennzeichnet, dass
a) im inneren Volumen (7a) mindestens ein weiterer Körper mit weiteren Ausströmöffnungen zur Erzeugung weiterer Gasjets vorhanden ist oder sind und das innere Volumen (7a) durch den weiteren Körper in ein inneres und äusseres Untervolumen unterteilt ist und

b) in dem äusseren Untervolumen mindestens eine weitere Prallwand derart angeordnet ist, dass die weiteren Gasjets gegen die weitere Prallwand gerichtet sind.
Elektrisches Schaltgerät (1) nach einem der Ansprüche 7-11, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens je ein Körper (10) und mindestens je eine zugehörige Prallwand (14, 140) in einem ersten Auspuffbereich (7) des ersten Kontakts (4) und in einem zweiten Auspuffbereich (8) des zweiten Kontakts (5) vorhanden sind.
Elektrisches Schaltgerät (1) nach einem der Ansprüche 7-12, dadurch gekennzeichnet, dass
a) das Schaltkammergehäuse (3) ein druckdichtes Kapselungsgehäuse (3) für das Schaltgas ist, und/oder

b) das Schaltkammergehäuse (3) von einem magnetfeldabschirmenden Aussengehäuse umgeben ist, und/oder

c) das Schaltgerät (1) ein Generatorschalter (1) ist.