EP1831906B1 - Hochleistungsschalter mit abbrandfester kurzschlusstromführung - Google Patents

Hochleistungsschalter mit abbrandfester kurzschlusstromführung Download PDF

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EP1831906B1
EP1831906B1 EP05812736A EP05812736A EP1831906B1 EP 1831906 B1 EP1831906 B1 EP 1831906B1 EP 05812736 A EP05812736 A EP 05812736A EP 05812736 A EP05812736 A EP 05812736A EP 1831906 B1 EP1831906 B1 EP 1831906B1
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EP
European Patent Office
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current
carrying element
heavy
contact
contact piece
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EP05812736A
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English (en)
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David Saxl
Markus Vestner
Thomas Nordstroem
Tomas Borg
Tomas Strom
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ABB Technology AG
Original Assignee
ABB Technology AG
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Publication date
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
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    • 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
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    • 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 an electric arc on the arc contact piece arc and flows through the contact tulip and 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 maintain similar outflow rates, a larger contact tulip and a larger current-carrying element must be provided (for the same, the short-circuit current available cross sections), so that an overall larger high-power switch is the result.
  • a compact, so low external dimensions exhibiting high-performance switch is to be created, which has a low, not by hot gas-induced contact degradation with 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 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 burn-off protection element the current-carrying element is substantially shielded from the flow near the planar contact.
  • the current-carrying element has an axial region in which a radial inner dimension of the current-carrying element increases progressively or continuously with increasing distance measured parallel to the axis relative to the flat contact.
  • the high-performance switch is characterized in that the axial region for receiving the Abbrandterrorismides is provided and that in the axial region, a radial outer dimension of the Abbrandtikides is adapted to the radial inner dimension of the current-carrying element, wherein the Abbrandtikelement. Is fitted in the current-carrying element. As a result, the radial outer dimension of the high-power switch can be kept very small.
  • the high-performance switch is characterized in that the current-carrying element has an axial (that is, defined by its axial extent) region, at its end facing the flat contact, a radial inner dimension of the current-carrying element is smaller than at the flat contact opposite 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 the 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 construction of the high-performance circuit-breaker and a long service life are 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 current-carrying element and the erosion protection element are designed substantially rotationally symmetrical.
  • the entire high-power switch is designed substantially rotationally symmetrical.
  • the radial outer dimension of the erosion protection element is preferably its outer diameter.
  • 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 the arcing contact piece and erosion protection element touch one another) or beyond (until there is an area in which the erosion protection element and the arcing contact piece overlap axially).
  • the erosion protection element may also be axially extended (only) to the axial extent of the arcing contact piece (so that the areas of 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 erosion-resistant material preferably, the whole erosion protection element is made of such a material.
  • Near the planar contact that part of the current-carrying element is arranged, which, if it were exposed to a hot gas flow, particularly rapidly led to a degradation of the contact between the arcing contact piece and 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.
  • Particularly advantageous are (within Manufacturing tolerances), the radial inner dimension of the current-carrying element and the radial outer dimension of Abbrandtikettis in the axial region of equal size.
  • a radial inner dimension of the burn-off protection element is substantially the same size as a radial inner dimension of the arcing contact piece.
  • 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 or hold an insulating nozzle arrangement (comprising at least one main nozzle and at least one auxiliary nozzle), or the current-carrying element is firmly connected or integrally formed with such a support or holder.
  • the surface contact is advantageously aligned 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, the short-circuit current carrying arc is ignited. It is also possible that the arcing contact together with another arcing contact forms a rated current contact system.
  • a high-performance switch is typically designed to carry short-circuit currents between 2 kA and 80 kA at nominal voltages between 10 kV and over 1000 kV, preferably between 30 kV and 550 kV.
  • 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, see FIG in that a current flowing through the switch commutates on an arc contact piece system consisting of two arcing contact pieces 1, 1b. After the separation of the two arcing contact pieces 1,1b, an arc 5 burns between them, and a short-circuit current 1, symbolized by thin open arrows, flows through the two arcing contact pieces 1,1b.
  • 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 oriented 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 pipe 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 arcing contact piece 1 can be made, for example, from 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 in Fig. 1 shown, 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 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 1,1 b 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 cut possible embodiments of the area near the surface contact F, as 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 are possible.
  • Fig. 2 shows the embodiment 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 issue is discussed.
  • the contact piece 1 also, instead of being connected by a thread to the current-carrying element 2, be pressed into this.
  • This is an example of a positive connection.
  • the bevel of Abbrandstoffides 3a may be formed less strong than the chamfer of the current-carrying element 2, as in Fig. 3 is shown.
  • the contact tulip 1 can also have a bevel, as a result of which manufacturing tolerance-related fitting problems of the erosion protection element 3a are prevented. Moreover, in Fig. 3 shown that a blunt-trained end of Abbrandstoffimplantations 3a is providable.
  • Fig. 4 shows a further exemplary realization, as a leading to a low contact resistance contact pressure at the contact surface 6 can be achieved.
  • the arcing contact piece 1 is pressed by means of a union nut 10 or a flange 10 against the current-carrying element.
  • the burn-off protection element 3a can also be arranged separately from the outflow pipe 3.
  • Fig. 5 shows that it is also possible to provide multiple bevels of 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 extension of the arcing contact piece 1.
  • Fig. 7 shows a further embodiment in which the burn-off protection element 3a 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.
  • the Switch is only up to the axis of symmetry A, half the inner diameter, as d2 / 2, indicated.
  • Fig. 8 shows an embodiment in which the erosion protection element 3a and the current-carrying element 2, starting from the flat contact F and in the predetermined by the coordinate z direction first has a constant outer or inner diameter and then a tapered portion in the direction of larger radial coordinates. As a result, improved burn-up resistance is ensured at the expense of a slightly reduced contact surface F.
  • Fig. 9 is similar to the one in Fig. 8 but shows that the surface 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 in Fig. 9 shown, be negative, but also positive angles ⁇ are possible.
  • Fig. 10 shows an embodiment in which the inner diameter d3 of Abbrandtikiatas 3a is slightly smaller than the inner diameter d 1 of the arcing contact piece 1.
  • the erosion protection element 3a extends from that side of the contact surface F, to which predominantly adjoins the current-carrying element 3, except for the side of the contact surface F, to which predominantly the arcing contact piece 1 adjoins. 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)

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 Kurzschlussstromes 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 jenseits 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 Kurzschlussstrom zur Verfügung stehenden Querschnitten) eine grössere Kontakttulpe und ein grösseres Stromführungselement vorgesehen werden, so dass ein insgesamt grösserer Hochleistungsschalter die Folge ist.
  • Aus der EP 0 642 145 A ist ein Leistungsschalter mit männlichem Kontaktstift und Kontakttulpe bekannt, bei dem die Kontaktfinger der Tulpe eine axiale Aussparung aufweisen um darin ein Rohr aufzunehmen, welches als Radialwegbegrenzer für die Kontaktfinger dient. Zum thermischen Schutz vor Abbrand ist im inneren der Kontakttulpe ein weiteres Schutzrohr gegen Heissgas vorgesehen.
  • In der EP 0 290 950 A ist ein Druckgasschalter beschrieben, der als Lichtbogenkontaktstück tulpenförmige Kontaktfinger aufweist, welche mit einem zylinderförmigen Abbrandkontakt die Lichtbogenkontakte bilden. Innerhalb der Kontakttulpe wird ein axial verschiebbarer rohrförmiger Körper geführt, der beim Ausschaltvorgang durch eine Feder in Richtung des Abbrandkontaktes gedrückt wird.
  • Des Weiteren ist aus der EP 0 932 172 A2 ein Leistungsschalter mit einem Tulpenkontaktstück bekannt, dessen federnde Lichtbogenkontakte und das daran angeordnete Rohrstück durch einen lichtbogenfesten Einsatz gegen Abbrand geschützt werden. Nachteilig wird der Strömungsquerschnitt im Tulpenkontaktstück dadurch verringert, dass der Einsatz innen auf den Lichtbogenkontakten und dem Rohrstück aufliegt.
  • Es ist daher 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 elektrischen 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 Kurzschlussstromes bildet es mit dem Stromführungselement einen flächigen Kontakt. Durch das Abbrandschutzelement ist das Stromführungselement nahe dem flächigen Kontakt im Wesentlichen von der Strömung abgeschirmt. Das Stromführungselement weist einen axialen Bereich auf, in welchem eine radiale Innenabmessung des Stromführungselementes mit zunehmendem parallel zur Achse gemessenem Abstand zu dem flächigen Kontakt schrittweise oder kontinuierlich zunehmend ist.
  • Der Hochleistungsschalter ist dadurch gekennzeichnet, dass der axiale Bereich zur Aufnahme des Abbrandschutzelementes vorgesehen ist und dass in dem axialen Bereich eine radiale Aussenabmessung des Abbrandschutzelementes an die radiale Innenabmessung des Stromführungselementes angepasst ist, wobei das Abbrandschutzelement. In das Stromführungselement eingepasst ist. Dadurch kann die radiale Aussendimension des Hochleistungsschalters sehr klein gehalten werden.
  • 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 grossflächigen 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 werden 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.
  • 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 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 gefertigt. 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 ist 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 löschender, den Kurzschlussstrom 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 Kurzschlussströmen 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;
    Fig. 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 wesentliche 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 Lichtbogenkontaktstücken 1,1b bestehendes Lichtbogenkontaktstücksystem kommutiert. Nach dem Trennen der zwei Lichtbogenkontaktstücke 1,1b brennt zwischen diesen ein Lichtbogen 5, und ein Kurzschlussstrom 1, symbolisiert durch dünne offene Pfeile, fliesst durch die beiden Lichtbogenkontaktstücke 1,1b.
  • 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 Kurzschlussstrom 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 Lichtbogenkontaktstück 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 nahe an der Kontaktfläche F, insbesondere an der Kontaktfläche F beginnenden Bereich 2a vergrössert 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 Kurzschlussstrom 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 1,1 b 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 eingepresst 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.)
  • Es kann durchaus auch eine Ausführungsform vorteilhaft sein, in der sich in einem ersten Bereich der Innendurchmesser d2 schrittweise, wie in Figur 7 dargestellt, vergrössert und sich in einem zweiten Bereich in Abschrägungen, wie in Figur 5 dargestellt, vergrössert. Es ist aber auch umgekehrt möglich, dass sich in einem ersten Bereich der Innendurchmesser d2 in Abschrägungen und in einem zweiten Bereich schrittweise vergrössert.
  • 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 Koordinate 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, Kurzschlussstrom, Lichtbogenstrom
    F
    flächiger Kontakt, Kontaktfläche
    r
    radiale Richtung, radiale Koordinate
    z
    axiale Richtung, axiale Koordinate
    α
    Winkel

Claims (12)

  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 Kurzschlussstromes (1) 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 und wobei das Stromführungselement (2) einen axialen Bereich (2a) aufweist, in welchem eine radiale Innenabmessung (d2) des Stromführungselementes (2) mit zunehmendem parallel zur Achse (A) gemessenem Abstand von dem flächigen Kontakt (F) schrittweise oder kontinuierlich zunehmend ist, dadurch gekennzeichnet, dass der axiale Bereich (2a) zur Aufnahme des Abbrandschutzelementes (3a) vorgesehen ist und
    dass in dem axialen Bereich (2a) eine radiale Aussenabmessung (D3) des Abbrandschutzelementes (3a) an die radiale Innenabmessung (d2) des Stromführungselementes (2) angepasst ist, wobei das Abbrandschutzelement (3a) In das Stromführungselement (2) eingepasst ist
  2. Hochleistungsschalter nach Anspruch 1, 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.
  3. Hochleistungsschalter nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Abbrandschutzelement (3a) axial bis zu dem Lichtbogenkontaktstück (1) erstreckt ist.
  4. Hochleistungsschalter nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Abbrandschutzelement (3a) ein abbrandfesteres Material aufweist als das Stromführungselement (2) nahe dem flächigen Kontakt (F).
  5. Hochleistungsschalter nach 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)
  6. Hochleistungsschalter nach 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.
  7. Hochleistungsschalter nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Stromführungselement (2) fest verbunden ist mit einer das Lichtbogenkontaktstück (1) umgebenden Hilfsdüse (7)
  8. Hochleistungsschalter nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der flächige Kontakt (F) im Wesentlichen radial ausgerichtet ist.
  9. Hochlelstungsschalter nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zu dem Lichtbogenkontaktstück (1) noch ein Nennstromkontaktsystem (9) vorgesehen ist.
  10. Hochleistungsschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Innenabmessung (d2) des Stromführungselementes (2) in einem nahe der Kontaktfläche (F) beginnenden Bereich kontinulerlich oder kontinuierlich mit einer Stufe oder mehrstufig vergrössert
  11. Hochleistungsschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 10. dadurch gekennzeichnet, dass sich die Innenabmessung (d2) des Stromführungselementes (2) in einem nahe der Kontaktfläche (F) beginnenden Bereich in mehreren Abschrägungen vergrössert.
  12. Hochleistungsschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontakttulpe (1) in das Stromführungselement (2) eingeschraubt ist.
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