EP2044604B1 - Isolierstoffdüse, welche ein erstes material und ein zweites material aufweist - Google Patents

Isolierstoffdüse, welche ein erstes material und ein zweites material aufweist Download PDF

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EP2044604B1
EP2044604B1 EP07787635A EP07787635A EP2044604B1 EP 2044604 B1 EP2044604 B1 EP 2044604B1 EP 07787635 A EP07787635 A EP 07787635A EP 07787635 A EP07787635 A EP 07787635A EP 2044604 B1 EP2044604 B1 EP 2044604B1
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EP
European Patent Office
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nozzle
insulating
insulating nozzle
cylindrical portion
contact piece
Prior art date
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Not-in-force
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EP07787635A
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English (en)
French (fr)
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EP2044604A1 (de
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Tommy Haberer
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Siemens AG
Siemens Corp
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
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Publication date
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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
    • H01H33/70—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 invention relates to an insulating material nozzle, which has a first material and a second material, wherein the first material has a lower erosion resistance than the second material and a Isolierstoffdüsenkanal limiting surface comprising the second material.
  • Such Isolierstoffdüse is for example from the published patent application DE 30 44 836 A1 known. There, a Isolierstoffdüse is described for a gas pressure switch, wherein the Isolierstoffdüse is formed to a large extent of an electrically insulating material and has a electrically conductive insert made of erosion-resistant material to the ceremonies'einer nozzle. It is envisaged that the conductive insert is designed for example as a solid solid ring, which is secured in a recess of the local insulating nozzle, so that the ring of erosion-resistant material itself forms a part of the insulating nozzle channel.
  • Another example is from the document EP-A-0 081 253 known.
  • a conductive insert By using a conductive insert, improved control of an electric field is achieved.
  • the use of conductive material assumes an unspecified electric potential. This electrical potential is to be electrically insulated against other components. Thus, it is necessary to dimension the insulating material generously.
  • the object is achieved with an insulating nozzle of the type mentioned above in that the Isolierstoffdüsenkanal has a hollow cylindrical portion, wherein an inner circumferential surface and an outer circumferential surface of the hollow cylindrical portion each having the second material.
  • Insulating nozzles are used in electrical switching devices, in particular the middle, high and extra high voltage level.
  • Such electrical switching devices are, for example, circuit breakers which serve to switch off operating currents and short-circuit currents.
  • the short-circuit currents can be a multiple of the operating currents.
  • a circuit breaker must be able to safely handle both relatively small currents and very large currents.
  • arcing occurs regularly.
  • Insulating nozzles surround, for example, a separating path between two contact pieces that are movable relative to one another, between which an occurrence of an arc is to be expected.
  • an insulating nozzle channel can be used to direct arc-heated and expanded gas in certain directions.
  • An expansion of larger gas volumes by the arc is quite desirable.
  • the insulating material nozzle is made of a suitable first material.
  • This material is usually an organic plastic such as PTFE.
  • the plastic When exposed to high heat, such as an arc, the plastic is gasified and there is additional Switching gas.
  • the resulting additional switching gas can be directed, for example, around one of the contact pieces and placed in a storage volume. It is advantageous to provide a coaxial structure of the switching path of the electrical switching device.
  • erosion-resistant material should on the one hand only have a low tendency to release soot. On the other hand, soot, possibly generated from other materials, preferably should not adhere. As a rule, erosion-resistant material is low-sorptive material.
  • a further advantageous embodiment may provide that a lateral surface has an annular region of the second material.
  • Ring-shaped structures are suitable to protect as large as possible in the hollow cylindrical portion of the Isolierstoffdüsenkanals there existing walls / surfaces.
  • Ring structures protect along the circumference of the corresponding lined zones of the hollow cylindrical portion of the insulating nozzle channel. It can also be provided that a plurality of axially successive rings are arranged in the inner and outer circumferential surface of the hollow cylindrical portion of the insulating nozzle channel. This makes it possible to allow erosion of the inter-ring areas at certain points.
  • a further advantageous embodiment can provide that regions of the inner circumferential surface and the outer lateral surface, which have the second material, overlap one another in the radial direction.
  • the insulating nozzle is part of an interrupter unit of an electrical switching device and the hollow cylindrical portion adjoins a cylindrical portion of the Isolierstoffdüsenkanals, wherein the cylindrical portion during a switching operation of the electrical switching device by means of a contact piece can be dammed.
  • cylindrical contact piece can be moved in a simple form.
  • the cylindrical contact piece may be slightly reduced in cross-section with respect to the cross section of the cylindrical portion of the Isolierstoffdüsenkanals.
  • the contact piece retracts, the insulating nozzle channel is then blocked. Only in the edge regions between the contact piece and the wall of the Isolierstoffdüsenkanals smaller amounts of gas can escape. This makes it possible to control the flow conditions in Isolierstoffdüsenkanal.
  • the heated gases can escape through the hollow cylindrical portion.
  • the hollow cylindrical section of the insulating nozzle channel then opens, for example, in a storage volume in which the heated gases are temporarily stored.
  • the second material is embedded in the first material.
  • the first material with its lower erosion resistance compared to the second material is, for example, an organic plastic which has a larger volume fraction of the insulating material nozzle than the second material. Therefore, it is advantageous to embed the second material in the first material in such a way that at least individual portions within the hollow cylindrical portion of the insulating nozzle channel are formed from the second material.
  • a second material for example, chemically or physically treated plastics are used whose carbon content has been reduced. This can be achieved for example by radioactive irradiation or a thermal treatment.
  • a wall of the insulating material nozzle is formed continuously from the second material.
  • a further advantageous embodiment can provide that the insulating material nozzle has a first nozzle body and a second nozzle body, which are arranged coaxially to each other and between which the hollow cylindrical portion is arranged.
  • the two nozzle bodies By providing two nozzle bodies, it is possible in a simple manner to provide the surfaces of the two nozzle bodies, which form the hollow-cylindrical section, in a suitable form with the second material. As a result, simplified manufacturing processes can be used. Furthermore, there is a good flexibility in terms of adaptation of flow characteristics of the insulating nozzle channel in a simple form. Through a plurality of nozzle main body, which can be assembled to form an insulating nozzle, it is possible, the dimensioning of the insulating nozzle channel, for example, with regard to the cross sections of the individual regions of the insulating nozzle channel to vary or to change the length of the individual sections accordingly.
  • the two materials are electrically insulating materials.
  • the first material is organic plastics, in particular polytetrafluoroethylene (PTFE).
  • PTFE polytetrafluoroethylene
  • Suitable as a second material are organic plastics which have been subjected to a special treatment, for example plastics which have been treated with erosion-resistant particles or plastics from whose surface carbon has already been removed by thermal treatment.
  • the plastics may also have been modified by special chemical processes, for example impregnations, in their erosion resistance behavior.
  • ceramics can be used as the second material, which have good dielectric properties and have a high erosion resistance.
  • a suitable ceramic is, for example, AL 2 O 3 .
  • a further object of the invention is to provide suitable methods which enable cost-effective production of insulating nozzles according to the invention.
  • the object is achieved in that from the second or the first material, a shaped body is formed and on the molded body, the first or second material is applied.
  • Shaped bodies can be produced for example by sintering of granules. Moldings produced in this way can then be applied to the further material in a second step. This makes it possible to create an intimate bond between the first and the second material. For example, in a further sintering process, a compound of the two materials can be produced. In particular, when embedding portions of the second material in the first material, wherein the second material does not completely form a wall of the insulating material, such a method is advantageously applicable.
  • a further method for producing an insulating nozzle of the type mentioned in which the first and the second material are each formed into shaped bodies and the moldings are joined together.
  • the moldings for the first and the second material they can be made independently.
  • sintering methods, casting methods or other suitable shaping methods can be used.
  • Advantage of this manufacturing method is that a completion of the insulating material can be done using different moldings. This allows the Isolierstoffdüse be made relatively flexible from different material combinations in different dimensions.
  • Embodiments of the invention are shown schematically in a drawing and described in more detail below.
  • the FIG. 1 shows a section through a separation point of a high-voltage circuit breaker.
  • the separation point of the high-voltage circuit breaker has a first variant of an insulating nozzle 1a.
  • the first variant of the insulating material 1a is formed coaxially to a longitudinal axis 2a.
  • a first contact piece 3 and a second contact piece 4 are arranged.
  • the first contact piece 3 is movable along the longitudinal axis 2a relative to the second contact piece 4.
  • the second contact piece 4 is connected rigid angle with the first variant of the insulating material 1a.
  • the second contact piece 4a has a tulip-shaped contact region, which faces the first contact piece 3.
  • the first contact piece 3 is bolt-shaped and dimensioned such that it can retract into the tulip-shaped contact region of the second contact piece 4.
  • the first variant of the insulating material nozzle 1a has an auxiliary nozzle 5 and a main nozzle 6.
  • the auxiliary nozzle 5 is aligned coaxially with the second contact piece 4 and connected in an angle-rigid manner with this.
  • the auxiliary nozzle 5 surrounds the tulip-shaped contact region of the second contact piece 4 and surrounds it.
  • a storage body 7 is connected in a rigid angle with the second contact piece 4. The storage body 7 provides a storage volume for heated gas.
  • the main nozzle 6 is aligned coaxially with the longitudinal axis 2a and surrounds the auxiliary nozzle 5 in large parts.
  • the main nozzle 6 is fixed to the storage body 7, so that there is a connection between the auxiliary nozzle 5 and the main nozzle 6 and the first variant of the insulating material 1a is formed.
  • the main nozzle 6 has a cylindrical portion 8 of a Isolierstoffdüsenkanals.
  • the cylindrical section 8 widens in the direction of the first contact piece 3.
  • the cylindrical section 8 has a slightly enlarged cross section relative to the cross section of the first contact piece 3.
  • the Isolierstoffdüsenkanal goes into a hollow cylindrical section, which opens into the space provided by the storage body 7 available storage volume. Due to the coaxial covering regions of the auxiliary nozzle 5 and the main nozzle 6 of the hollow cylindrical portion of the insulating nozzle channel is formed.
  • On the outer surface of the auxiliary nozzle 5 and the inner circumferential surface of the main nozzle 6 in the overlapping region 6 inserts made of a second material are inserted into the auxiliary nozzle 5 and into the main nozzle.
  • the auxiliary nozzle 5 and the main nozzle 6 are based on their volume for the most part of polytetrafluoroethylene, a first material formed.
  • the inserts are formed of a second material which has an increased erosion resistance, for example by a ceramic such as AL 2 O 3 .
  • the inserts are annular and overlap each other in a larger area of the hollow cylindrical portion of the insulating nozzle channel.
  • a shaped body is produced, either from the first material or from the second material and the corresponding portions of the insulating material nozzle, which are formed from the second or first material, on the already existing molded body or introduced. This can be done for example by two sintering processes.
  • the portion of the auxiliary nozzle 5 extending beyond the tulip-shaped contact region also in the direction of the cylindrical portion 8 is eroded. Due to the dimensioning of the first contact piece 3 of the cylindrical portion 8 of Isolierstoffdüsenkanals is dammed. The heated and expanded gas or switching gas must therefore forcibly flow out via the hollow cylindrical section 9 of the first variant of the insulating material nozzle 1 into the storage volume of the storage body 7. Due to the continuous reheating of the arc and thus the additional generation and expansion of gases, the pressure inside increases Storage body 7. After a release of the hollow cylindrical portion 9 through the first contact piece 3 (corresponds approximately to the representation in the FIG.
  • FIG. 2 illustrated second variant of a Isolierstoffdüse 1b has basically the same structure as that in the FIG. 1 illustrated first variant of an insulating nozzle. The same components are therefore provided with the same reference numerals. Only the design of the hollow cylindrical portion 9 with a second material has been made in an alternative manner.
  • the FIG. 2 shows a section through a second variant of a Isolierstoffdüse 1b.
  • the second variant 1b has a main nozzle 6b and an auxiliary nozzle 5b.
  • the cylindrical portion 8, the expanding portion of the insulating nozzle channel of the main nozzle 6b, and the portion of the auxiliary nozzle 5b protruding beyond the contact portion of the second contact piece are formed of the first material, that is, polytetrafluoroethylene.
  • the portion of the main nozzle 6b which coaxially surrounds the auxiliary nozzle 5b is formed of a second material, that is, walls of this portion of the main nozzle 6b are formed entirely of a material having an increased erosion resistance.
  • auxiliary nozzle 5b is formed of the material having increased erosion resistance. This is the one between the main nozzle 6b and the auxiliary nozzle 5b formed hollow cylindrical region of the insulating nozzle channel limited to essential parts of material with increased erosion resistance.
  • a production method can provide, for example, that rotationally symmetrical shaped bodies are produced separately from material with increased erosion resistance and material with reduced erosion resistance, and these shaped bodies are connected to one another at the corresponding end-face sections with an angular stiffness, for example by cohesive joining processes.

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  • Circuit Breakers (AREA)

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Isolierstoffdüse, welche ein erstes Material und ein zweites Material aufweist, wobei das erste Material eine geringere Abbrandfestigkeit aufweist als das zweite Material und eine einen Isolierstoffdüsenkanal begrenzende Fläche das zweite Material aufweist.
  • Eine derartige Isolierstoffdüse ist beispielsweise aus der Offenlegungsschrift DE 30 44 836 A1 bekannt. Dort ist eine Isolierstoffdüse für einen Druckgasschalter beschrieben, wobei die Isolierstoffdüse zu großen Teilen aus einem elektrisch isolierenden Material gebildet ist und zur Bildung'einer Düsenengstelle einen elektrisch leitfähigen Einsatz aus abbrandfestem Material aufweist. Dabei ist es vorgesehen, dass der leitfähige Einsatz beispielsweise als massiver Vollring ausgeführt ist, welcher in einer Ausnehmung der dortigen Isolierstoffdüse befestigt ist, so dass der Ring aus abbrandfestem Material selbst einen Teil des Isolierstoffdüsenkanals bildet.
  • Ein anderes beispiel ist aus dem Dokument EP-A-0 081 253 bekannt.
  • Durch die Verwendung eines leitfähigen Einsatzes wird eine verbesserte Steuerung eines elektrischen Feldes bewirkt. Dabei nimmt der Einsatz aus leitfähigem Material ein nicht näher definierbares elektrisches Potential an. Dieses elektrische Potential ist gegen weitere Baugruppen elektrisch zu isolieren. Somit ist es nötig, die Isolierstoffdüse entsprechend großzügig zu dimensionieren.
  • Daher ergibt sich als Aufgabe der Erfindung eine Isolierstoffdüse anzugeben, welche bei kompakten Abmessungen gute Betriebseigenschaften aufweist.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Isolierstoffdüse der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass der Isolierstoffdüsenkanal einen hohlzylindrischen Abschnitt aufweist, wobei eine Innenmantelfläche und eine Außenmantelfläche des hohlzylindrischen Abschnittes jeweils das zweite Material aufweisen.
  • Isolierstoffdüsen werden in elektrischen Schaltgeräten insbesondere der Mittel-, Hoch- und Höchstspannungsebene eingesetzt. Derartige elektrische Schaltgeräte sind beispielsweise Leistungsschalter, welche dem Ausschalten von Betriebsströmen und Kurzschlussströmen dienen. Die Kurzschlussströme können dabei ein Vielfaches der Betriebsströme betragen. So muss ein Leistungsschalter in der Lage sein, sowohl relativ kleine Ströme als auch sehr große Ströme sicher zu beherrschen. Bei einem Ausschaltvorgang treten regelmäßig Lichtbögen auf. Zur Steuerung einer Beblasung eines brennenden Lichtbogens mit Gasen werden Isolierstoffdüsen eingesetzt. Isolierstoffdüsen umgeben beispielsweise eine Trennstrecke zwischen zwei relativ zueinander bewegbaren Kontaktstücken, zwischen denen ein Auftreten eines Lichtbogens zu erwarten ist. Je nach Bedarf kann ein Isolierstoffdüsenkanal dazu genutzt werden, um von dem Lichtbogen erhitztes und expandiertes Gas in bestimmte Richtungen zu lenken. Ein Expandieren von größeren Gasvolumina durch den Lichtbogen ist dabei durchaus erwünscht. Aus diesem Grunde wird die Isolierstoffdüse aus einem geeigneten ersten Material gefertigt. Dieses Material ist im Regelfall ein organischer Kunststoff wie beispielsweise PTFE. Bei einem Einwirken von großer Hitze, beispielsweise durch einen Lichtbogen, wird der Kunststoff vergast und es entsteht zusätzliches Schaltgas. Durch den Einsatz eines hohlzylindrischen Abschnittes kann das entstehende zusätzliche Schaltgas beispielsweise um eines der Kontaktstücke herum gelenkt werden und in ein Speichervolumen verbracht werden. Vorteilhaft ist dabei, einen koaxialen Aufbau der Schaltstrecke des elektrischen Schaltgerätes vorzusehen. Durch eine Ausbildung zumindest von Teilen der Innen- bzw. Außenmantelfläche des hohlzylindrischen Abschnittes des Isolierstoffdüsenkanals aus einem zweiten abbrandfestem Material ist dort ein Erzeugen von zusätzlichem Schaltgas nicht mehr ohne weiteres möglich, da diese Bereiche aufgrund der erhöhten Abbrandfestigkeit des zweiten Materials eine erhöhte Widerstandskraft gegenüber thermischen Wirkungen haben. Das abbrandfeste Material sollte dabei zum einen nur eine geringe Neigung zur Abgabe von Ruß aufweisen. Zum anderen sollte Russ, gegebenenfalls aus anderen Materialien generiert, möglichst nicht anhaften. Im Regelfall ist abbrandfestes Material verussungsarmes Material. Durch diese Konstruktion ist es möglich, in dem Isolierstoffdüsenkanal gezielt Abschnitte vorzuhalten, die beispielsweise durch entsprechend voluminös ausgestaltete Wandungen für einen Isolierstoff-Abtrag bzw. ein Vergasen vorgesehen sind, während andere Bereiche, beispielsweise ein hohlzylindrischer Abschnitt des Isolierstoffdüsenkanals, zur Lenkung und Leitung von Schaltgasen vorgesehen sind. Durch eine derartige Konstruktion ist es möglich, den hohlzylindrischen Abschnitt des Isolierstoffdüsenkanals mit vergleichsweise dünnen Wandungen zu versehen. Insbesondere, wenn der hohlzylindrische Abschnitt des Isolierstoffdüsenkanals koaxial zu einem Kontaktstück angeordnet ist, kann so eine im Umfang reduzierte Außenkontur der Isolierstoffdüse erzeugt werden. Hingegen kann im Bereich, in welchem das Brennen eines Lichtbogens vorgesehen ist, beispielsweise in einem zylindrischen Abschnitt des Isolierstoffdüsenkanals, bei gleich bleibendem oder sogar verringertem äußerem Umfang der Isolierstoffdüse eine größere Wandstärke zur Verfügung gestellt werden, aus welcher Schaltgas durch thermische Einwirkung herausgelöst wird. Dadurch ist es möglich, an einem schlanken Isolierstoffdüsenkörper ein vergleichsweise großes Volumen an Isolierstoff zur Verfügung zu stellen, welches problemlos vergast werden kann, ohne die Stabilität und Funktionalität der Isolierstoffdüse nachteilig zu beeinflussen. Weiterhin kann durch die Nutzung eines hohlzylindrischen Abschnittes der Isolierstoffdüse ein ausreichender Querschnitt zur Verfügung gestellt, um von dem Lichtbogen erhitztes und expandiertes Gas in ein Speichervolumen zu lenken.
  • Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung kann vorsehen, dass eine Mantelfläche einen ringförmigen Bereich aus dem zweiten Material aufweist.
  • Ringförmige Strukturen sind geeignet, möglichst großflächig im hohlzylindrischen Abschnitt des Isolierstoffdüsenkanals die dort vorhandenen Wandungen/Flächen zu schützen. Die bereits von dem Lichtbogen erhitzten Schaltgase, welche durch den hohlzylindrischen Abschnitt der Isolierstoffdüse geleitet werden müssen, weisen immer noch eine derartige Hitze auf, dass diese an Kunststoffen geringerer Abbrandfestigkeit eine Oberflächenerosion hervorrufen können. Ringstrukturen schützen dabei entlang des Umfanges die entsprechend ausgekleideten Zonen des hohlzylindrischen Abschnittes des Isolierstoffdüsenkanals. Es kann auch vorgesehen sein, dass mehrere in axialer Abfolge hintereinander liegende Ringe in der Innen- bzw. Außenmantelfläche des hohlzylindrischen Abschnittes des Isolierstoffdüsenkanals angeordnet sind. Dadurch ist es möglich, an bestimmten Punkten eine Erosion der zwischen den Ringen liegenden Bereiche zuzulassen. Dadurch kann eine feinere Steuerung einer Erzeugung des in dem Speichervolumen zwischenzuspeichernden expandierten Schaltgases erfolgen. So ist es möglich, beispielsweise ein überhitztes Schaltgas durch einzelne erodierbare Bereiche im hohlzylindrischen Abschnitt des Isolierstoffdüsenkanals zu beruhigen. Überhitzte Schaltgase können beispielsweise bei energiereichen Kurzschlussströmen auftreten. Derartige Kurzschlussströme sind mit sehr energiereichen Lichtbögen verbunden, die einer besonders intensiven Kühlung auszusetzen sind. Bei entsprechend kleinen auszuschaltenden Strömen und daraus resultierenden geringeren Lichtbogenleistungen ist das in den hohlzylindrischen Abschnitt des Isolierstoffdüsenkanals eingeleitete Löschgas nicht derartig überhitzt, dass die zwischen den Ringen angeordneten Abschnitte zusätzlich erodiert werden. Somit ist es möglich, mit einer erfindungsgemäß ausgestalteten Isolierstoffdüse ausgerüstete Schaltgeräte sehr häufig zum Schalten von Betriebsströmen einzusetzen. Weiterhin ist die Isolierstoffdüse zu der Beherrschung von während der Lebensdauer eines elektrischen Schaltgerätes selten auftretenden Kurzschlussströme geeignet.
  • Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung kann vorsehen, dass Bereiche der Innenmantelfläche und der Außenmantelfläche, welche das zweite Material aufweisen, in radialer Richtung einander überdecken.
  • Durch das Vorsehen radialer Überdeckungen von Bereichen, die aus dem zweiten Material erhöhter Abbrandfestigkeit gebildet sind, können strömungstechnisch günstige Verhältnisse im Bereich des hohlzylindrischen Abschnittes des Isolierstoffdüsenkanals erzeugt werden. Gegenüber durch Erosionserscheinungen zunehmend mit Oberflächenrauhigkeiten versehenen Abschnitten weisen die einander gegenüberliegenden Bereiche aus dem zweiten Material mit erhöhter Erosionsfestigkeit eine glatte Oberfläche auf. Dadurch ist es möglich, dass durch den hohlzylindrischen Abschnitt geleitete Gase diesen rasch passieren, da der Strömungswiderstand dieses Abschnittes gering ist. Durch das radial gegenüberliegende Anordnen von zweiten Materialien an den Innen- und Außenmantelflächen weisen diese Bereiche des Isolierstoffdüsenkanals annähernd gleich bleibende Strömungsverhältnisse auf. Derartige Bereiche können beispielsweise durch ringförmig in den Mantelflächen umlaufende Abschnitte gebildet werden, die in axialer Richtung der Hohlzylinderachse einander zumindest teilweise überdecken.
  • Weiterhin kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass die Isolierstoffdüse Teil einer Unterbrechereinheit eines elektrischen Schaltgerätes ist und der hohlzylindrische Abschnitt sich an einen zylindrischen Abschnitt des Isolierstoffdüsenkanals anschließt, wobei der zylindrische Abschnitt während eines Schaltvorganges des elektrischen Schaltgerätes mittels eines Kontaktstückes verdämmbar ist.
  • In einen zylindrischen Abschnitt des Isolierstoffdüsenkanals kann in einfacher Form ein beispielsweise zylinderförmiges Kontaktstück hineinbewegt werden. Dabei kann das zylinderförmige Kontaktstück in seinem Querschnitt gegenüber dem Querschnitt des zylindrischen Abschnittes des Isolierstoffdüsenkanals geringfügig vermindert sein. Bei einem Einfahren des Kontaktstückes ist dann der Isolierstoffdüsenkanal verdämmt. Lediglich in den Randbereichen zwischen dem Kontaktstück und der Wandung des Isolierstoffdüsenkanals können geringere Mengen von Gas entweichen. Dadurch ist es möglich, die Strömungsverhältnisse im Isolierstoffdüsenkanal zu steuern. Während eines Verdämmens des Isolierstoffdüsenkanals durch das Kontaktstück ist es beispielsweise möglich, dass innerhalb des zylindrischen Abschnittes des Isolierstoffdüsenkanals ein Lichtbogen brennt, welcher im Bereich des zylindrischen Abschnittes Gase erhitzt und Schaltgase durch Verdampfen von den Isolierstoffdüsenkanal begrenzenden Materialien zusätzlich erzeugt und expandiert werden. Über den hohlzylindrischen Abschnitt, welcher sich an der Seite des zylindrischen Abschnittes des Isolierstoffkanals anschließt, welcher von der Seite des Isolierstoffdüsenkanals abgewandt ist, an welchem das Kontaktstück den Isolierstoffdüsenkanal verdämmt, können die erhitzten Gase durch den hohlzylindrischen Abschnitt entweichen. Der hohlzylindrische Abschnitt des Isolierstoffdüsenkanals mündet dann beispielsweise in einem Speichervolumen, in welchem die erhitzten Gase zwischengespeichert werden. Durch ein beständiges Nachströmen von Gasen, getrieben durch den Lichtbogen, erhöht sich der Druck innerhalb des Speichervolumens. Mit einem Entfernen des Kontaktstückes und damit einem Öffnen des Isolierstoffdüsenkanals wird eine Möglichkeit des Abströmens von heißen Gasen aus dem Isolierstoffdüsenkanal heraus ermöglicht. Unterstützt von dem unter erhöhtem Druck innerhalb des Speichervolumens stehenden Gas strömen diese in umgekehrter Richtung durch den hohlzylindrischen Abschnitt des Isolierstoffdüsenkanals hindurch in Richtung des zylindrischen Abschnittes des Isolierstoffdüsenkanals. Ein gegebenenfalls dort noch brennender Lichtbogen wird mit dem nunmehr abströmenden Gas beblasen. Gegebenenfalls im Isolierstoffdüsenkanal befindliche Plasmawolken werden aus dem Isolierstoffdüsenkanal ausgestoßen.
  • Vorteilhafterweise kann weiter vorgesehen sein, dass das zweite Material in das erste Material eingebettet ist.
  • Das erste Material mit seiner gegenüber dem zweiten Material geringeren Abbrandfestigkeit ist beispielsweise ein organischer Kunststoff, welcher einen größeren Volumenanteil an der Isolierstoffdüse aufweist, als das zweite Material. Daher ist es vorteilhaft, das zweite Material in das erste Material derart einzubetten, dass zumindest einzelne Abschnitte innerhalb des hohlzylindrischen Abschnittes des Isolierstoffdüsenkanals aus dem zweiten Material gebildet sind. Als zweites Material sind beispielsweise chemisch oder physikalisch behandelte Kunststoffe einsetzbar, deren Kohlenstoffanteil reduziert wurde. Dies kann beispielsweise durch radioaktive Bestrahlung oder eine thermische Behandlung erzielt werden.
  • Darüber hinaus kann weiterhin vorteilhaft vorgesehen sein, dass eine Wandung der Isolierstoffdüse durchgehend aus dem zweiten Material gebildet ist.
  • Bei dem Einsatz des zweiten Materials zur Bildung einer homogenen Wandung der Isolierstoffdüse, sind Fügestellen im Innern einer Wandung vermieden. Dadurch wird eine homogene Struktur gebildet, welche hohen dielektrischen Anforderungen genügt. Lediglich über entsprechende Anschlussflächen ist das zweite Material mit dem ersten Material zu verbinden. Dazu können verschiedene Fügeverfahren eingesetzt werden.
  • Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung kann vorsehen, dass die Isolierstoffdüse einen ersten Düsenkörper und einen zweiten Düsenkörper aufweist, die koaxial zueinander angeordnet sind und zwischen denen der hohlzylindrische Abschnitt angeordnet ist.
  • Durch das Vorsehen zweier Düsenkörper ist es in einfacher Weise möglich, die Oberflächen der beiden Düsenkörper, welche den hohlzylindrischen Abschnitt bilden, in geeigneter Form mit dem zweiten Material zu versehen. Dadurch können vereinfachte Fertigungsverfahren zum Einsatz gelangen. Weiterhin ist eine gute Flexibilität hinsichtlich einer Anpassung von Strömungseigenschaften des Isolierstoffdüsenkanals in einfacher Form gegeben. Durch mehrere Düsengrundkörper, die zu einer Isolierstoffdüse zusammengesetzt werden können, ist es möglich, die Dimensionierung des Isolierstoffdüsenkanals, beispielsweise hinsichtlich der Querschnitte der einzelnen Bereiche des Isolierstoffdüsenkanals, zu variieren oder auch die Länge der einzelnen Abschnitte entsprechend zu verändern.
  • Weiterhin kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass die beiden Materialien elektrisch isolierende Materialien sind.
  • Durch die Verwendung von elektrisch isolierenden Materialien wird trotz der verbesserten Widerstandsfähigkeit des hohlzylindrischen Abschnittes der Isolierstoffdüse gegenüber heißen Schaltgasen die Isolierwirkung der Isolierstoffdüse an sich kaum negativ beeinflusst. Als erstes Material eignen sich organische Kunststoffe, insbesondere Polytetrafluorethylen (PTFE). Als zweites Material eignen sich organische Kunststoffe, die einer speziellen Behandlung unterzogen wurden, beispielsweise Kunststoffe, welche mit abbrandfesten Partikeln versetzt wurden oder Kunststoffe, aus deren Oberfläche durch eine thermische Behandlung bereits Kohlenstoff herausgelöst wurde. Darüber hinaus können die Kunststoffe auch durch spezielle chemische Verfahren, beispielsweise Imprägnierungen, in ihrem Abbrandfestigkeitsverhalten verändert worden sein. Weiterhin können als zweites Material Keramiken zum Einsatz gelangen, welche über gute dielektrische Eigenschaften verfügen und eine hohe Abbrandfestigkeit aufweisen. Eine geeignete Keramik ist beispielsweise AL2O3.
  • Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, geeignete Verfahren anzugeben, die ein kostengünstiges Herstellen von erfindungsgemäßen Isolierstoffdüsen ermöglichen.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass aus dem zweiten oder dem ersten Material ein Formkörper geformt wird und auf den Formkörper das erste oder zweite Material aufgebracht wird.
  • Formkörper können beispielsweise durch Sinterverfahren aus Granulaten hergestellt werden. So hergestellte Formkörper können dann in einem zweiten Schritt mit dem weiteren Material beaufschlagt werden. Dadurch ist es möglich, einen innigen Verbund zwischen dem ersten und dem zweiten Material zu erzeugen. Beispielsweise kann in einem weiteren Sinterprozess eine Verbindung der beiden Materialien hergestellt werden. Insbesondere bei einem Einbetten von Abschnitten des zweiten Materials in das erste Material, wobei das zweite Material eine Wandung der Isolierstoffdüse nicht vollständig ausbildet, ist ein derartiges Verfahren vorteilhaft anwendbar.
  • Erfindungsgemäß ist ein weiteres Verfahren zur Herstellung einer Isolierstoffdüse der eingangs genannten Art vorgesehen, bei welchem das erste und das zweite Material jeweils zu Formkörpern geformt werden und die Formkörper miteinander verbunden werden.
  • Durch das Vorsehen unterschiedlicher Formkörper für das erste und das zweite Material können diese unabhängig voneinander gefertigt werden. Dabei können beispielsweise Sinterverfahren, Gussverfahren oder andere geeignete Formgebungsverfahren verwendet werden. Vorteil dieses Herstellungsverfahrens ist, dass eine Komplettierung der Isolierstoffdüse unter Nutzung verschiedener Formkörper erfolgen kann. Dadurch kann die Isolierstoffdüse relativ flexibel aus verschiedenen Materialkombinationen in verschiedenen Abmessungen hergestellt werden.
  • Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch in einer Zeichnung gezeigt und nachfolgend näher beschrieben.
  • Dabei zeigt die
    • Figur 1
    eine erste Ausgestaltungsvariante einer Isolier- stoffdüse und die
    Figur 2
    eine zweite Ausgestaltungsvariante einer Isolier- stoffdüse.
  • Die Figur 1 zeigt einen Schnitt durch eine Trennstelle eines Hochspannungs-Leistungsschalters. Die Trennstelle des Hochspannungs-Leistungsschalters weist eine erste Variante einer Isolierstoffdüse 1a auf. Die erste Variante der Isolierstoffdüse 1a ist koaxial zu einer Längsachse 2a ausgebildet. Ebenfalls koaxial zu der Längsachse 2a einander stirnseitig gegenüberliegend sind ein erstes Kontaktstück 3 sowie ein zweites Kontaktstück 4 angeordnet. Das erste Kontaktstück 3 ist längs der Längsachse 2a relativ zu dem zweiten Kontaktstück 4 bewegbar. Das zweite Kontaktstück 4 ist winkelsteif mit der ersten Variante der Isolierstoffdüse 1a verbunden. Das zweite Kontaktstück 4a weist einen tulpenförmigen Kontaktbereich auf, welcher dem ersten Kontaktstück 3 zugewandt ist. Das erste Kontaktstück 3 ist bolzenförmig ausgebildet und derartig dimensioniert, dass es in den tulpenförmigen Kontaktbereich des zweiten Kontaktstückes 4 einfahren kann.
  • Die erste Variante der Isolierstoffdüse 1a weist eine Hilfsdüse 5 sowie eine Hauptdüse 6 auf. Die Hilfsdüse 5 ist koaxial zu dem zweiten Kontaktstück 4 ausgerichtet und winkelsteif mit diesem verbunden. Die Hilfsdüse 5 umgibt den tulpenförmigen Kontaktbereich des zweiten Kontaktstückes 4 und umschließt diesen. Neben der winkelsteifen Verbindung der Hilfsdüse 5 mit dem zweiten Kontaktstück 4 ist ein Speicherkörper 7 winkelsteif mit dem zweiten Kontaktstück 4 verbunden. Der Speicherkörper 7 stellt ein Speichervolumen für erhitztes Gas zur Verfügung.
  • Die Hauptdüse 6 ist koaxial zu der Längsachse 2a ausgerichtet und umgibt die Hilfsdüse 5 zu großen Teilen. Die Hauptdüse 6 ist an dem Speicherkörper 7 befestigt, so dass zwischen der Hilfsdüse 5 und der Hauptdüse 6 eine Verbindung besteht und die erste Variante der Isolierstoffdüse 1a gebildet ist. Die Hauptdüse 6 weist einen zylinderförmigen Abschnitt 8 eines Isolierstoffdüsenkanals auf. Der zylinderförmige Abschnitt 8 erweitert sich in Richtung des ersten Kontaktstückes 3. Der zylinderförmige Abschnitt 8 weist einen geringförmig vergrößerten Querschnitt gegenüber dem Querschnitt des ersten Kontaktstückes 3 auf. An dem dem zweiten Kontaktstück 4 zugewandten Ende des zylinderförmigen Abschnittes 8 des Isolierstoffdüsenkanals geht der Isolierstoffdüsenkanal in einen hohlzylindrischen Abschnitt über, welcher in das durch den Speicherkörper 7 zur Verfügung gestellte Speichervolumen mündet. Aufgrund der einander koaxial überdeckenden Bereiche der Hilfsdüse 5 und der Hauptdüse 6 ist der hohlzylindrische Abschnitt des Isolierstoffdüsenkanals gebildet. Auf der äußeren Mantelfläche der Hilfsdüse 5 und der inneren Mantelfläche der Hauptdüse 6 im einander überdeckenden Bereich sind in die Hilfsdüse 5 und in die Hauptdüse 6 Einlagen aus einem zweiten Material eingelegt. Die Hilfsdüse 5 sowie die Hauptdüse 6 sind bezogen auf ihr Volumen zum größten Teil aus Polytetrafluorethylen, einem ersten Material, gebildet. Die Einlagen sind aus einem zweiten Material, welches eine erhöhte Abbrandfestigkeit aufweist, gebildet, beispielsweise durch eine Keramik wie AL2O3. Die Einlagen sind ringförmig ausgebildet und überdecken einander in einem größeren Bereich des hohlzylindrischen Abschnittes des Isolierstoffdüsenkanals.
  • Zur Fertigung der ersten Variante der Isolierstoffdüse 1a kann vorgesehen sein, dass zunächst ein Formkörper hergestellt wird, entweder aus dem ersten oder aus dem zweiten Material und die entsprechenden Abschnitte der Isolierstoffdüse, die aus dem zweiten bzw. ersten Material gebildet sind, auf den bereits bestehenden Formkörper auf- oder eingebracht werden. Dies kann beispielsweise durch zwei Sinterprozesse erfolgen.
  • Im Folgenden soll der Ablauf eines Ausschaltvorganges prinzipiell beschrieben werden.
  • Im eingeschalteten Zustand ist das in der Figur 1 bereits aus dem zylindrischen Abschnitt 8 des Isolierstoffdüsenkanals herausbewegte erste Kontaktstück 3 in den tulpenförmigen Kontaktbereich des zweiten Kontaktstückes 4 eingefahren. Bei einer Trennbewegung wird das erste Kontaktstück 3 aus dem tulpenförmigen Kontaktbereich des zweiten Kontaktstückes 4 herausgefahren. Dabei entsteht nach einer galvanischen Trennung der beiden Kontaktstücke 3, 4 aufgrund einer hohen elektrischen Feldstärke ein Lichtbogen. Auch bei einem weiteren Entfernen des ersten Kontaktstückes 3 von dem zweiten Kontaktstück 4, bleibt dieser Lichtbogen brennen. Der Lichtbogen expandiert im zylindrischen Abschnitt 8 des Isolierstoffdüsenkanals Gas. Zusätzlich löst er in diesem Bereich aus den Wandungen des Isolierstoffdüsenkanals Schaltgas. Dabei wird auch der sich über den tulpenförmigen Kontaktbereich hinaus in Richtung des zylindrischen Abschnittes 8 erstreckende Abschnitt der Hilfsdüse 5 erodiert. Aufgrund der Dimensionierung des ersten Kontaktstückes 3 ist der zylinderförmige Abschnitt 8 des Isolierstoffdüsenkanals verdämmt. Das erhitzte und expandierte Gas bzw. Schaltgas muss daher zwangsweise über den hohlzylindrischen Abschnitt 9 der ersten Variante der Isolierstoffdüse 1 in das Speichervolumen des Speicherkörpers 7 hinein abströmen. Aufgrund des stetigen Nachheizens des Lichtbogens und des damit zusätzlichen Erzeugens und Expandierens von Gasen, erhöht sich der Druck im Innern des Speicherkörpers 7. Nach einer Freigabe des hohlzylindrischen Abschnittes 9 durch das erste Kontaktstück 3 (entspricht etwa der Darstellung in der Figur 1) strömt das im Speichervolumen zwischengespeicherte heiße Schaltgas in umgekehrter Richtung durch den hohlzylindrischen Abschnitt in Richtung des zylinderförmigen Abschnittes 8 ab und aus dem sich erweiternden Bereich des Isolierstoffdüsenkanals hinaus. Dabei entsteht eine rasche Gasströmung, welche ggf. zwischen den Kontaktstücken befindliche Plasmawolken ausstößt und den Lichtbogen kühlt, bis er schließlich erlischt.
  • Die in Figur 2 dargestellte zweite Variante einer Isolierstoffdüse 1b weist prinzipiell denselben Aufbau auf, wie die in der Figur 1 dargestellte erste Variante einer Isolierstoffdüse. Die gleichen Baugruppen sind daher mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Lediglich die Ausgestaltung des hohlzylindrischen Abschnittes 9 mit einem zweiten Material ist in einer alternativen Art und Weise vorgenommen worden.
  • Die Figur 2 zeigt einen Schnitt durch eine zweite Variante einer Isolierstoffdüse 1b. Ebenso wie die erste Variante einer Isolierstoffdüse 1a weist die zweite Variante 1b eine Hauptdüse 6b und eine Hilfsdüse 5b auf. Der zylinderförmige Abschnitt 8, der sich erweiternde Abschnitt des Isolierstoffdüsenkanals der Hauptdüse 6b sowie der über den Kontaktbereich des zweiten Kontaktstückes hinausragende Bereich der Hilfsdüse 5b sind aus dem ersten Material, das heißt, aus Polytetrafluorethylen gebildet. Der Abschnitt der Hauptdüse 6b, welcher die Hilfsdüse 5b koaxial umgibt, ist aus einem zweiten Material gebildet, das heißt, Wandungen dieses Abschnittes der Hauptdüse 6b sind vollständig aus einem Material mit einer erhöhten Abbrandfestigkeit gebildet. Ebenso ist ein Großteil der Hilfsdüse 5b aus dem Material mit erhöhter Abbrandfestigkeit gebildet. Dadurch ist der zwischen der Hauptdüse 6b und der Hilfsdüse 5b gebildete hohlzylindrische Bereich des Isolierstoffdüsenkanals zu wesentlichen Teilen von Material mit erhöhter Abbrandfestigkeit begrenzt. Ein Herstellungsverfahren kann beispielsweise vorsehen, dass rotationssymmetrische Formkörper separat aus Material mit erhöhter Abbrandfestigkeit und Material verminderter Abbrandfestigkeit gefertigt werden und diese Formkörper an den entsprechenden stirnseitigen Abschnitten miteinander winkelsteif, beispielsweise durch stoffschlüssige Fügeverfahren, verbunden werden.
  • Es kann beispielsweise auch vorgesehen sei, Granulate von Materialien verschiedener Abbrandfestigkeiten zu einem gemeinsamen Sinterkörper zusammenzufügen. Beispielsweise können so mehrere Formkörper gebildet werden, die in einem Sinterverfahren aushärten und miteinander verbunden werden. Dies weist den Vorteil auf, dass ein Zusammenfügen mehrerer Formkörper nicht in einem separaten Schritt zu erfolgen braucht.

Claims (10)

  1. Isolierstoffdüse (1a, 1b), welche ein erstes Material und ein zweites Material aufweist, wobei das erste Material eine geringere Abbrandfestigkeit aufweist als das zweite Material und eine einen Isolierstoffdüsenkanal begrenzende Fläche das zweite Material aufweist,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Isolierstoffdüsenkanal einen hohlzylindrischen Abschnitt (9) aufweist, wobei eine Innenmantelfläche und eine Außenmantelfläche des hohlzylindrischen Abschnittes jeweils das zweite Material aufweisen.
  2. Isolierstoffdüse (1a, 1b) nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    eine Mantelfläche einen ringförmigen Bereich aus dem zweiten Material aufweist.
  3. Isolierstoffdüse (1a, 1b) nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    Bereiche der Innenmantelfläche und der Außenmantelfläche, welche das zweite Material aufweisen, in radialer Richtung einander überdecken.
  4. Isolierstoffdüse (1a, 1b) nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Isolierstoffdüse (1a, 1b) Teil einer Unterbrechereinheit eines elektrischen Schaltgerätes ist und der hohlzylindrische Abschnitt (9) sich an einen zylindrischen Abschnitt (8) des Isolierstoffdüsenkanals anschließt, wobei der zylindrische Abschnitt während eines Schaltvorganges des elektrischen Schaltgerätes mittels eines Kontaktstückes (39) verdämmbar ist.
  5. Isolierstoffdüse (1a, 1b) nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das zweite Material in das erste Material eingebettet ist.
  6. Isolierstoffdüse (1a, 1b) nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    eine Wandung der Isolierstoffdüse (1a, 1b) durchgehend aus dem zweiten Material gebildet ist.
  7. Isolierstoffdüse (1a, 1b) nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Isolierstoffdüse (1a, 1b) einen ersten Düsenkörper (5, 5b) und einen zweiten Düsenkörper (6, 6b) aufweist, die koaxial zueinander angeordnet sind und zwischen denen der hohlzylindrische Abschnitt (9) angeordnet ist.
  8. Isolierstoffdüse (1a, 1b) nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die beiden Materialien elektrisch isolierende Materialien sind.
  9. Verfahren zur Herstellung einer Isolierstoffdüse (1a, 1b) gemäß den Ansprüchen 1 bis 7,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    aus dem zweiten oder dem ersten Material ein Formkörper geformt wird und auf den Formkörper das erste oder zweite Material aufgebracht wird.
  10. Verfahren zur Herstellung einer Isolierstoffdüse (1a, 1b) gemäß den Ansprüchen 1 bis 7,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das erste und das zweite Material jeweils zu Formkörpern geformt werden und die Formkörper miteinander verbunden werden.
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