EP2198443B1

EP2198443B1 - Gasisolierter hochspannungs-leistungsschalter mit einem von einem überstromventil gesteuerten entlastungskanal

Info

Publication number: EP2198443B1
Application number: EP07821371A
Authority: EP
Inventors: Martin Seeger; Lutz Niemeyer; Arthouros Iordanidis; Christian Franck
Original assignee: ABB Research Ltd Switzerland; ABB Research Ltd Sweden
Current assignee: ABB Research Ltd Switzerland; ABB Research Ltd Sweden
Priority date: 2007-10-16
Filing date: 2007-10-16
Publication date: 2011-02-02
Anticipated expiration: 2027-10-16
Also published as: US20100219161A1; CN101828242A; DE502007006438D1; ATE497633T1; CN101828242B; WO2009049669A1; US8148660B2; EP2198443A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen gasisolierten Hochspannungs-Leistungsschalter nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
Gasisolierte Hochspannungsschalter dienen in einem hochspannungsführenden elektrischen Netzwerk dem Ein- und Ausschalten von Strömen, deren Stärke sich von sehr kleinen induktiven und kapazitiven Ströme über normale Lastströme bis hin zu mittleren und grossen Kurzschlussströmen erstreckt. Typischerweise können mit solchen Schaltern im Spannungsbereich von bis zu einigen hundert kV Kurzschlusströme im Bereich von 50 und mehr kA abgeschaltet werden.
Ein gasisolierter Hochspannungs-Leistungsschalter der vorgenannten Art enthält zwei längs einer Achse relativ zueinander bewegliche Lichtbogenkontakte, eine Isolierdüse, ein Heizvolumen zur Aufnahme von Löschgas, einen Heizkanal und ein Überdruckventil. Bei diesem Schalter ist der Druck der Löschgases durch die Energie eines beim Öffnen des Schalters gebildeten und Lichtbogengas erzeugenden Schaltlichtbogens bestimmt und mündet der Heizkanal axial ausgerichtet ins Heizvolumen. Zugleich verbindet der Heizkanal eine von den beiden Lichtbogenkontakten axial und der Isolierdüse radial begrenzte Lichtbogenzone mit dem Heizvolumen und begrenzt das Überdruckventil den Druck des Löschgases durch Öffnen eines in einen Expansionsraum mündenden Entlastungskanals.
Zur Löschung des Schaltlichtbogens wird hierbei ein Isoliergas mit guten Lichtbogenlöscheigenschaften verwendet, welches beim Ausschaltvorgang komprimiert wird und nachfolgend als Löschgas den Lichtbogen solange bebläst, bis dieser im Nulldurchgang des zu unterbrechenden Stroms erlischt. Als Kompressionsmittel dienen eine vom Schalterantrieb betätigte und daher Antriebsenergie benötigende Kompressionsvorrichtung und/oder der Schaltlichtbogen selber, dessen in der Hochstromphase des abzuschaltenden Stroms freigesetzte Energie ausgenutzt wird, um im Heizvolumen heisse Lichtbogengase unter Druck zu speichern (sogenanntes Selbstblasprinzip).
Nach dem Selbstblasprinzip arbeitende Schalter verbrauchen keine Antriebsenergie und führen zudem in vorteilhafter Weise Abbrandmaterial einer Isolierdüse ins Heizvolumen. Der Druck wie auch die Temperatur im Heizvolumen nehmen nichtlinear und fast quadratisch mit der Stromstärke des Lichtbogens zu. Im allgemeinen sind eine vom Schaltlichtbogen in der Lichtbogenzone ausgelöste Aufheizströmung und die Grösse des Heizvolumens auf Ströme kleiner und mittlerer Höhe optimal abgestimmt, da bei Abstimmung auf Ströme grosser Höhe die Aufheizströmung bei kleinen Strömen sonst viel zu gering wäre und keinen zur erfolgreichen Lichtbogenbeblasung ausreichend hohen Löschgasdruck im Heizvolumen aufbauen könnte.. Beim Schalten grosser Ströme kann sich daher in der Lichtbogenzone Lichtbogengas hohen Drucks und hoher Temperatur bilden, das sowohl die Isolierdüse wie auch das Heizvolumen mechanisch und thermisch stark belastet, und wegen der hohen Temperatur zugleich ungünstige Löschgaseigenschaften aufweist.

STAND DER TECHNIK

Ein Schalter der eingangs genannten Art ist in DE 44 12 249 A1 beschrieben. Dieser Schalter weist ein durch den Druck des Löschgases elastisch aufweitbares Heizvolumen mit einer gegen eine Rückstellkraft verstellbaren Begrenzungswand auf. Beim Auftreten stromstarker Lichtbögen wird das Heizvolumen durch Verschieben der Begrenzungswand vergrössert, so dass nun mehr heisses Löschgas im Heizvolumen gespeichert werden kann. Zur Begrenzung des im Heizvolumen entstehenden Löschgasdrucks ist bei sehr hohen Stromstärken ein in einer radial ausgerichteten Wand des Heizvolumens angeordnetes Überdruckventil vorgesehen, welches das Löschgas oberhalb eines Grenzwertes des Löschgasdrucks über einen axial erstreckten Entlastungskanal in einen Expansionsraum führt.
Ein in DE 198 59 764 A1 beschriebener Schalter weist Speichermittel auf, die in der Hochstromphase eines abzuschaltenden Wechselstroms einer Zwischenspeicherung von erwärmtem Gas dienen, das beim Abschalten des Stroms durch einen in einer Lichtbogenzone brennenden Schaltlichtbogen gebildet wird. Bei Annäherung des Stroms an einen Nulldurchgang lässt die Heizwirkung des Schaltlichtbogens nach und strömt das erwärmte Gas zunächst aus einem kleinen Steuervolumen der Speichermittel über einen Kanal und einen Spalt in die Lichtbogenzone. Da das Steuervolumen wesentlich kleiner als ein Löschvolumen der Speichermittel ist, entleert sich das Steuervolumen viel schneller als das Löschvolumen. Dadurch fällt der Gasdruck im Steuervolumen stark ab und wird eine die beiden Volumina voneinander trennende Wand verschoben, wodurch eine Löschöffnung freigegeben und der Kanal verschlossen wird.. Vergleichsweise kühles Gas aus dem Löschvolumen wird nun durch die Löschöffnung und den Spalt in die Lichtbogenzone geführt, in der es den Schaltlichtbogen bebläst und sich über eine Engstelle einer Isolierdüse und eine Engstelle eines hohlen Kontaktstücks in einen Expansionsraum entspannt.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Der Erfindung, wie sie in den Patentansprüchen angegeben ist, liegt die Aufgabe zugrunde, einen Schalter der eingangs genannten Art anzugeben, bei dem beim Schalten grosser Ströme der Druck der Lichtbogengase in der Lichtbogenzone begrenzt und zugleich die Qualität des im Heizvolumen gespeicherten Löschgases verbessert wird.
Beim Schalter nach der Erfindung weist der vom Überdruckventil gesteuerte Entlastungskanal einen in radialer Richtung erstreckten Abströmabschnitt auf Beim Schalten grosser Ströme kann daher nach Ansprechen des Überdruckventils heisses Lichtbogengas radial aus der Lichtbogenzone oder dem Heizvolumen herausgeführt werden Zum einen werden so die Isolierdüse und das Heizvolumen vor übermässiger thermischer und mechanischer Belastung durch das heisse Lichtbogengas geschützt. Zum anderen wird so aber auch im Heizvolumen ein Löschgas guter Qualität erreicht. Diese gute Löschgasqualität ist dadurch gewährleistet, dass durch Begrenzen des Drucks des Lichtbogengases in der Lichtbogenzone übermässig heisses und übermässig hoch verdichtetes Lichtbogengas vom Heizvolumen ferngehalten wird. Erfolgt die Begrenzung des Gasdrucks erst im Heizvolumen, so wird das axial ins Heizvolumen eintretende heisse Lichtbogengas radial aus dem Heizvolumen entfernt. Eine durch das axial einströmende heisse Lichtbogengas hervorgerufene Zirkulation des Löschgases im Heizvolumen wird so weitgehend unterdrückt und dadurch die Temperatur des im Heizvolumen bereitgestellten Löschgases niedrig gehalten. Darüber hinaus kann auch die Länge der Isolierdüse in axialer Richtung klein gehalten werden, da nun der maximale Druck des Lichtbogengases in der Lichtbogenzone begrenzt ist,
Zweigt der Abströmabschnitt von einer zylinderförmig ausgebildeten und axial erstreckten Engstelle der Isolierdüse ab, so wird der Druck des Lichtbogengases in der Lichtbogenzone und damit auch im Heizvolumen beim Auftreten sehr leistungsstarker Schaltlichtbögen besonders wirkungsvoll begrenzt. Spricht nämlich das Überdruckventil an, so erstreckt sich der Schaltlichtbogen im allgemeinen über die gesamte Länge der Düsenengstelle. Es bilden sich dann rechts und links des Abströmabschnitts in der Düsenengstelle zwei Staupunkte einer Lichtbogengasströmung aus, die mit einer zwischen den beiden Staupunkten gelegenen Teilströmung durch den Abströmabschnitt des geöffneten Entlastungskanals in den Expansionsraum entweicht. Durch die Bildung der zwei Staupunkte wird der Gasdruck in der Isolierdüse praktisch verzögerungsfrei reduziert und werden so die Isolierdüse und das Heizvolumen äusserst schnell vor unzulässig hoher Belastung durch heisses Lichtbogengas geschützt. Eine im allgemeinen ausreichend starke Reduktion des Gasdrucks wird erreicht, wenn der Strömungsquerschnitt des Abströmabschnitts gleich oder grösser als der Strömungsquerschnitt der Engstelle ist. Mit Vorteil ist der Abströmabschnitt in der Mitte der Engstelle angeordnet, da dann die Reduktion des Gasdrucks in der Lichtbogenzone nach Ansprechen des Überdruckventils besonders gross ist und nahezu 50% beträgt.
In einer besonders einfach zu realisierenden Ausführungsform ist der Abströmabschnitt als Teil des Heizkanals ausgerührt Bei dieser und bei der zuvor beschriebenen Ausführungsform mit dem in die Engstelle der Isolierdüse eingeformten Abströmabschnitt, schliesst sich mit Vorteil an den Abströmabschnitt mindestens ein axial erstreckter Abschnitt des Entlastungskanals an, und ist ein ringförmig ausgebildeter Ventilkörper, des Überdruckventils verschiebbar im axial erstreckten Kanalabschnitt gelagert. Das nach Ansprechen des Überdruckventils aus der Lichtbogenzone entfernte Lichtbogengas gelangt dann an einer dielektrisch unkritischen Stelle in den Expansionsraum.
Ein günstiges Abströmverhalten von heissem Lichtbogengas hohen Drucks aus der Lichtbogenzone wird mit einer Ausführungsform des Schalters nach der Erfindung erreicht, bei der der Abströmabschnitt konstanten Strömungsquerschnitt aufweist. Bei dieser Ausführungsform kann das Ventilorgan des Überdruckventils in fertigungstechnisch einfacher Weise als federbelastete Platte ausgebildet sein, welche den axial erstreckten Abschnitt des Entlastungskanals unterhalb des Ansprechdrucks verschliesst.
Ein gutes Abströmverhalten weist auch eine Ausführungsform des Schalters nach der Erfindung auf, bei der der Abströmabschnitt in Funktion des Drucks des in der Lichtbogenzone gebildeten Lichtbogengases oberhalb eines Grenzwerts des Lichtbogengasdrucks veränderlich ist. Der Abströmquerschnitt ist dann im allgemeinen Teil des Überdruckventils und kann zusammen mit diesem leicht in die Isolierdüse integriert werden, insbesondere dann, wenn ein beweglicher Ventilkörper des Überdruckventils Teil der Isolierdüse ist. Bildet ein axial erstreckter Abschnitt der Düsenengstelle diesen Ventilkörper, so wird ein Abströmabschnitt erreicht, der in der Isolierdüse angeordnet ist. Bildet hingegen die Düsenengstelle den Ventilkörper, so wird ein Abströmabschnitt erreicht, der als Einlass des mit der Lichtbogenzone verbundenen Heizkanals ausgebildet ist. An dem die Engstelle der Isolierdüse vollständig oder teilweise bildenden Ventilkörper sind mit Vorteil mindestens zwei radial nach aussen erstreckte Gleitkörper angebracht, die jeweils in einer von zwei in Umfangsrichtung gegeneinander versetzt angeordneten, axial ausgerichteten Führungsbahnen gelagert und mit einer Rückstellkraft beaufschlagt sind.
Um eine hohe mechanische Festigkeit der Isolierdüse zu erreichen, weist der Entlastungskanal im allgemeinen mehrere in Umfangsrichtung gleichmässig um die Achse verteilt angeordnete, axial erstreckte Kanalabschnitte auf.
Um das an der Isolierdüse wirkende elektrische Feld zu homogenisieren, trägt die Isolierdüse auf einem axial erstreckten Abschnitt ihrer Aussenseite eine elektrisch leitende Abschirmung. Im Überdruckventil gegebenenfalls verwendete metallene Bauteile und im Entlastungskanal oder in anderen Hohlräumen der Isolierdüse gegebenenfalls noch vorhandene heisse Lichtbogengase beeinträchtigen dann die dielektrische Festigkeit der Isolierdüse nicht.
Der Druck des Lichtbogengases in der Isolierdüse kann auch dadurch begrenzt werden, dass der Abströmabschnitt eine Öffnung enthält, die in einen rohrförmigen Kontaktträger eines mit der Isolierdüse starr verbundenen Lichtbogenkontakts eingeformt und unterhalb eines Grenzwertes des Löschgasdrucks mit einem auf Differenzdruck ansprechenden, beweglichen Ventilkörper des Überdruckventils verschlossen ist.
Ist die Öffnung an der Einmündung des Heizkanals ins Heizvolumen angeordnet und verbindet sie bei geöffnetem Überdruckventil das Heizvolumen mit dem Expansionsraum, so wird ein überwiegend axial aus dem Heizkanal tretender Strahl heissen Lichtbogengases an der Öffnung umgelenkt und in radialer Richtung durch die als Abströmabschnitt des Entlastungskanals wirkende Öffnung in den vom rohrförmigen Kontaktträger radial begrenzten Teil des Expansionsraums geführt.
Mit Vorteil ist der Ventilkörper als axial ausgerichtete Hülse ausgebildet und mit dem Differenzdruck zwischen Heizkanal und Heizvolumen oder zwischen Heizvolumen und Expansionsraum oder einem Kompressionsraum belastbar. Es reicht dann ein kleiner Differenzdruck aus, um die Hülse axial zu verschieben und um so mit geringer Kraft und mit kurzer Ansprechzeit das Überdruckventil anzusteuern, wodurch nach Erreichen des Ansprechdrucks auch kurzzeitig das Eindringen von heissem Lichtbogengas ins Heizvolumen verhindert wird.
Ein für eine sichere Ansteuerung des Überdruckventils ausreichend hoher Differenzdruck steht dann zur Verfügung, wenn der Ventilkörper als radial verschiebbares Teil ausgebildet und mit dem Differenzdruck zwischen Lichtbogenzone und Heizvolumen, zwischen Heizvolumen und Expansionsraum oder zwischen Lichtbogenzone und Expansionsraum belastbar ist..
Eine Druckentlastung der Lichtbogenzone und damit auch des Heizvolumens wird auch dadurch erreicht, dass der Entlastungskanal von der Lichtbogenzone durch einen von einer Hilfsdüse und dem Lichtbogenkontakt begrenzten, axial erstreckten Abschnitt des Entlastungskanals und den als Öffnung des Kontaktträgers ausgebildeten Abströmabschnitt in den Expansionsraum geführt ist, und dass der Ventilkörper als axial ausgerichtete Hülse ausgebildet und mit dem Differenzdruck zwischen dem axial erstreckten Kanalabschnitt des Entlastungskanals und dem Heizvolumen, einem Kompressionsraum oder dem Expansionsraum belastbar ist.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Anhand von Zeichnungen werden nachfolgend Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Hierbei zeigen die Figuren 1 bis 13 sieben verschiedene Ausführungsformen des Hochspannungs-Leistungsschalters nach der Erfindung, von denen
die Figuren 1, 4, 7, 9, 10, 11 und 13 jeweils eine Aufsicht auf einen axial geführten Schnitt durch einen oberhalb einer Achse gelegenen Teil einer von sieben Ausführungsformen des Schalters beim Ausschalten zeigen,
die Figuren 2, 5, 8 und 12 der Reihe nach jeweils eine der Ausführungsformen des Schalters nach den Figuren 1, 4, 7 und 11 beim Begrenzen eines Überdrucks während des Ausschaltens zeigen, und
die Fig. 3 bzw. 6 eine Aufsicht auf einen längs III - III bzw. VI - VI geführten Schnitt durch den Schalter nach Fig.1 bzw. 4 zeigt..

WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

In allen Figuren beziehen sich gleiche Bezugszeichen auf gleichwirkende Teile. Die meisten dieser Teile sind in Fig.1 mit einem Bezugszeichen versehen. In den nachfolgenden Figuren 2 bis 13 sind die Bezugszeichen teilweise weggelassen. Die in den Figuren dargestellten sieben Ausführungsformen des Hochspannungs-Leistungsschalters nach der Erfindung enthalten jeweils ein mit einem komprimierten Isoliergas, etwa auf der Basis von Schwefelhexafluorid, Stickstoff, Sauerstoff oder Kohlendioxid oder von Mischungen dieser Gase untereinander, beispielsweise Luft, gefülltes Löschkammergehäuse 1 sowie eine vom Löschkammergehäuse 1 aufgenommene Kontaktanordnung 2. Von der während eines Abschaltvorgangs dargestellte Kontaktanordnung 2 sind zwei Lichtbogenkontakte 3, 4 dargestellt, von denen der als Düsenrohr ausgebildete Lichtbogenkontakt 3 längs einer Achse 5 bewegbar angeordnet und der Lichtbogenkontakt 4 feststehend im Gehäuse 1 gehalten ist. Der Lichtbogenkontakt 4 muss nicht notwendigerweise feststehend, er kann auch beweglich ausgebildet sein. Die beiden Lichtbogenkontakte 3, 4 sind von einer Isolierdüse 6 und einem Heizvolumen 7 zum Speichern von Löschgas koaxial umfasst. Das Heizvolumen 7 ist nach Art eines Torus mit einem rechteckigen Querschnitt in Umfangsrichtung ausgeführt. Bei einem für Nennspannungen von typischerweise 200 bis 300 kV und für einen Nenn-Kurzschlussausschaltstrom von typischerweise 50 bis 70 kA bestimmten Schalter kann das Heizvolumen 7 im allgemeinen ca. 1 bis 2 Liter unter Druck stehendes Löschgas aufnehmen.
In der nicht dargestellten Einschaltposition der Kammer ist das linke Ende des Lichtbogenkontakts 4 in stromleitender Weise in das rechte Ende des rohrförmig ausgebildeten Lichtbogenkontakts 3 eingeschoben. Beim Ausschalten trennen sich die beiden Lichtbogenkontakte 3, 4 voneinander und bildet sich hierbei ein auf den beiden Enden der Lichtbogenkontakte fussender Lichtbogen 8, der in einer Lichtbogenzone 9 brennt. Die Lichtbogenzone 9 ist von den beiden Lichtbogenkontakten 3, 4 axial und von der Isolierdüse 6 und einer Isolierhilfsdüse 11 radial begrenzt. Die Lichtbogenzone 9 kommuniziert über einen Heizkanal 10 mit dem Heizvolumen 7. Der Heizkanal 10 ist zwischen der Isolierdüse 6 und der Isolierhilfsdüse 11 teilweise axial geführt und mündet an einer Öffnung 12 ins Heizvolumen 7.
In einer Halbwelle des abzuschaltenden Stroms ist der Druck in der Lichtbogenzone 9 im allgemeinen grösser als im Heizvolumen 7. Der Heizkanal 10 führt dann einen von der Energie des Lichtbogens 8 gebildeten Lichtbogengasstrom 13, der über die Öffnung 12 ins Heizvolumen 7 eintritt. Lässt die Heizwirkung des Lichtbogens 8 bei Annäherung an den Nulldurchgang des Stroms nach, so erfolgt eine Strömungsumkehr. Im Heizvolumen 7 gespeichertes Löschgas 14 strömt durch die Öffnung 12 in den Heizkanal 7, wird zur Lichtbogenzone 9 geführt und bebläst dort den Lichtbogen 8 mindestens solange bis dieser im Stromnulldurchgang gelöscht ist. Nach der Beblasung expandiert das Löschgas in einen durch den Behälter 1 begrenzten Expansionsraum 15.
Die Stärke des Lichtbogengasstroms 13 und damit des Energieflusses ins Heizvolumen 7 ist bestimmt durch die Energie des Lichtbogens 8. Typischerweise wächst der Druck des Lichtbogengases in der Lichtbogenzone 9 mit dem Quadrat des Strommaximums des Halbwelle des abzuschaltenden Stroms. Bei höchsten Kurzschlussströmen kann der Druck in der Isolierdüse 6 sehr hoch werden und kann dann zu Schäden an der Düse führen. Zudem strömt dann sehr heisses Lichtbogengas ins Heizvolumen, welches die Qualität des dort gespeicherten Löschgases wesentlich herabsetzt..
Um den Druck des Lichtbogengases in der Lichtbogenzone 9 und damit zugleich den Druck und die Temperatur des Löschgases im Heizvolumen 7 nach oben zu begrenzen, weist der Schalter nach der Erfindung einen in den Expansionsraum 15 mündenden Entlastungskanal 20 und ein Überdruckventil 30 auf, mit dem der Druck des Lichtbogengases 13 und damit auch der Druck des Löschgases oberhalb eines bestimmten Werts des Drucks der Lichtbogengases 13 in der Lichtbogenzone 9 resp. des Löschgases 14 im Heizvolumen 7 durch Öffnen des Entlastungskanals 20 begrenzt wird.
Bei allen Ausführungsformen erfolgt die Druckentlastung aus der Lichtbogenzone 9 und/oder aus dem Heizvolumen 7 durch einen in radialer Richtung erstreckten Abströmabschnitt 21 des Entlastungskanals 20. Da so der Druck der Lichtbogengase 13 im Lichtbogenraum 9 unterhalb eines Druckgrenzwertes gehalten wird, kann die Isolierdüse, deren Länge in axialer Richtung proportional dem maximal wirkenden Druck zu dimensionieren ist, in vorteilhafter Weise eine kurze Baulänge aufweisen. Zudem werden so die Isolierdüse 6 und das Heizvolumen 7 vor übermässiger thermischer und mechanischer Belastung durch das heisse Lichtbogengas 13 geschützt. Ausserdem wird so im Heizvolumen 7 ein Löschgas 14 guter Qualität erreicht, da durch das Begrenzen des Drucks des Lichtbogengases 13 in der Lichtbogenzone 9 oberhalb eines Grenzwerts des Gasdrucks übermässig heisses und hoch komprimiertes Lichtbogengas vom Heizvolumen weitgehend ferngehalten wird. Unterhalb des Druckgrenzwertes kann dann weiterhin eine axial ausgerichtete Strömung von heissem Lichtbogengas 13 ins Heizvolumen 7 eintreten, welche sich mit dort bereits vorhandenem kühlem Isoliergas zum Löschgas 14 vermischt. Beim Erreichen oder Überschreiten des Druckgrenzwerts, wird das axial ins Heizvolumen eintretende heisse Lichtbogengas 13 radial aus dem Heizvolumen 7 entfernt. Eine durch das axial einströmende heisse Lichtbogengas unterhalb des Druckgrenzwertes hervorgerufene Zirkulation des Löschgases 14 im Heizvolumen hört dann auf. Die Temperatur des im Heizvolumen bereitgestellten Löschgases 14 bleibt daher niedrig, so dass seine gute Qualität auch beim Auftreten besonders leistungsstarker Schaltlichtbögen beibehalten wird.
Bei der Ausführungsform des erfindungsgemässen Schalters nach den Figuren 1 bis 3 wird die in radialer Richtung erfolgende Druckentlastung dadurch erreicht, dass der Abströmabschnitt 21 von der zylinderförmig ausgebildeten und axial erstreckten Engstelle 16 der Isolierdüse 6 abzweigt. Ersichtlich schliesst an den Abströmabschnitt 21 ein in der Isolierdüse 6 axial geführter Abschnitt 22 des Entlastungskanals 20 an, der unterhalb des Druckgrenzwertes des Lichtbogengases 13 mit dem Überdruckventil 30 verschlossen ist. Das Überdruckventil 30 weist einen mit einer vorgespannten Rückstellfeder 32 belasteten, ringscheibenförmigen Ventilkörper 31 auf, der in einer an den Kanalabschnitt 22 sich anschliessenden, axial ausgerichteten Ausnehmung der Isolierdüse 6 entgegen der Kraft der Feder 32 verschiebbar gelagert ist.
Beim Abschalten kleiner Ströme (typischerweise höchstens ca. 5 bis ca. 15% des maximal zulässigen Kurzschlussabschaltstroms) bzw. mittlerer Ströme (typischerweise zwischen mindestens ca. 5 bis ca. 15% und ca 30 bis ca. 60% des maximal zulässigen Kurzschlussabschaltstroms) reicht der vorwiegend durch Aufheizen des Isoliergases und Freisetzen von Gasen aus dem Material der Isolierdüse erzeugte Druck des Lichtbogengases 13 nicht aus, um das Überdruckventil 30 zu öffnen Gemäss Fig.1 wird ein Teil des Gases 13 durch den Heizkanal ins Heizvolumen 7 geführt und vermischt sich dort mit kühlem Isoliergas unter Bildung von komprimiertem Löschgas 14. Nähert sich der abzuschaltenden Strom einem Nulldurchgang, so strömt das Löschgas 14 aus dem Heizvolumen 7 über den Heizkanal 10 in die Lichtbogenzone 9 und bebläst den Schaltlichtbogen 8 über den Nulldurchgang hinaus, bis der Strom definitiv unterbrochen ist.
Beim Abschalten eines grossen Stroms (typischerweise mindestens ca 30 bis ca 60% des maximal zulässigen Kurzschlussabschaltstroms) kann der Druck des Lichtbogengases 13 in der Lichtbogenzone 9 so gross werden (typische Werte sind 30 bis 150 bar), dass das Überdruckventil 30 öffnet und ein Teil des heissen Lichtbogengases 13 radial aus der Lichtbogenzone 9 entfernt wird und über den Entlastungskanal 20 und das geöffnete Überdruckventil 30 in den Expansionsraum 15 strömt (Fig.2). Da sich der Schaltlichtbogen 8 ersichtlich über die gesamte Länge der Düsenengstelle 16 erstreckt, bilden sich rechts und links des Abströmquerschnitts 21 in der Düsenengstelle zwei (ringförmig um die Achse 5 erstreckte) Staupunkte S₁ und S₂ der Lichtbogengasströmung 13 aus, die mit einer zwischen den beiden Staupunkten gelegenen Teilströmung durch den Abströmabschnitt 21 des geöffneten Entlastungskanals 20 in den Expansionsraum 15 entweicht. Durch die Bildung der zwei Staupunkte wird der Gasdruck in der Isolierdüse 6 praktisch verzögerungsfrei reduziert und werden so die Isolierdüse 6 und dementsprechend auch das Heizvolumen 7 sehr schnell vor unzulässig hoher mechanischer und thermischer Belastung durch heisses Lichtbogengas 13 geschützt. Um eine im allgemeinen ausreichend starke Reduktion des Gasdrucks zu erreichen, ist der Strömungsquerschnitt des Abströmabschnitts 21 gleich oder grösser als der Strömungsquerschnitt der Engstelle 16. Durch Anordnen des Abströmabschnitts 21 in der Mitte der Engstelle 16 kann eine besonders grosse Reduktion des Gasdrucks in der Lichtbogenzone 9 von bis zu 50% erreicht werden.
Im Entlastungskanal 20 oder in anderen Hohlräumen der Isolierdüse 6 noch vorhandenes heisses Lichtbogengas oder im Überdruckventil verwendete metallene Bauteile können die dielektrische Festigkeit der Isolierdüse 6 gegebenenfalls herabsetzen Daher trägt die Isolierdüse 6 auf einem axial erstreckten Abschnitt ihrer Aussenseite eine elektrisch leitende Abschirmung 40, die das bei einem Schaltvorgang wirkende elektrische Feld in der Isolierdüse 6 homogenisiert und deren radiale Komponente abschirmt.
Aus Fig.3 ist ersichtlich, dass der Entlastungskanal mehrere, hier vier, in Umfangsrichtung gleichmässig um die Achse verteilt angeordnete, axial erstreckte Kanalabschnitte 22 aufweist. Hierdurch werden ein für eine ausreichend hohe Druckabsenkung geeignet dimensionierter Strömungsquerschnitt des Entlastungskanals und eine hohe mechanische Festigkeit der Isolierdüse 6 errecht Aus Fig.3 ist auch ersichtlich, dass in fertigungstechnisch günstiger Weise der Ventilkörper 31 als flacher Ring ausgebildet ist.
Bei der Ausführungsform des erfindungsgemässen Schalters nach den Figuren 4 bis 6 erfolgt die radiale Druckentlastung ebenfalls in der Engstelle 16 der Isolierdüse 6. Jedoch weist nun der Abströmabschnitt 21 keinen konstanten Strömungsquerschnitt auf, sondern ist in Funktion des Drucks des in der Lichtbogenzone 9 gebildeten Lichtbogengases oberhalb eines Grenzwerts des Lichtbogengasdrucks veränderlich, Wie den Figuren 4 bis 6 zu entnehmen ist, gehört der Abströmabschnitt 21 nun zum Überdruckventil 30 und ist daher wie dieses in die Isolierdüse 6 integriert.. Der Ventilkörper 31 wird von einem ringförmigen Teil der Isolierdüse gebildet, welches die Engstelle 16 der Düse 6 umfasst. Am Ventilkörper 31 sind mehrere, hier vier, radial nach aussen erstreckte Gleitkörper 33 angebracht, die jeweils in einem von mehreren, hier vier, in Umfangsrichtung gegeneinander gleichmässig versetzt angeordneten, axial erstreckten Führungskanälen 34 gelagert und über mehrere Federn 32 mit Rückstellkraft beaufschlagt sind.
Die Federn 32 sind so eingestellt, dass oberhalb eines vorgegebenen Wert des Drucks des Lichtbogengases 13 der mit dem Druck des Lichtbogengases 13 belastete Ventilkörper 31 unter Bildung des radialen Abströmabschnitts 21 nach rechts verschoben wird und die Führungskanäle 34 freigibt. Wie aus Fig.5 ersichtlich ist, kann dann das Lichtbogengas 13 über den Abströmabschnitt 21, die Führungskanäle 34 und den Kanalabschnitt 22 in den Expansionsraum 15 abströmen.
Bei der Ausführungsform des erfindungsgemässen Schalters gemäss den Figuren 7 und 8 bildet der Abströmabschnitt 21 einen in die Lichtbogenzone 13 übergehenden, kreisringförmigen Mündungsabschnitt des Heizkanals 10. Der Abströmabschnitt 21 weist ersichtlich konstanten Strömungsquerschnitt auf und ist über den axial erstreckten Abschnitt 22 bzw mehrere axial erstreckte Abschnitte 22 des Entlastungskanals 20 und das Überdruckventil 30 mit dem Expansionsraum 15 verbindbar. Beim Ansprechen des Überdruckventils 30 (Fig.8) fliesst das heisse Lichtbogengas 13 auch über den Mündungsabschnitt 21 des Heizkanals 7, den mindestens einen axial erstreckten Abschnitt 22 und das nun geöffnete Überdruckventil 30 in den Expansionsraum 15 ab Bei dieser Ausführungsform wird der Druck des Lichtbogengases 13 in der Lichtbogenzone 9 nicht so stark reduziert wie bei den zuvor beschriebenen Ausführungsformen, jedoch ist diese Ausführungsform leicht zu fertigen und ermöglicht den Transport des gesamten zwischen dem Staupunkt der Isolierhilfsdüse 11 und dem Staupunkt der Isolierdüse 6 gebildeten Lichtbogengases 13 durch den Entlastungskanal 20, falls der Druck des Löschgases im Heizvolumen 7 höher ist als der Druck des Lichtbogengases 13 im Lichtbogenraum 9.
Auch bei der Ausführungsform des erfindungsgemässen Schalters gemäss Fig.9 bildet der Abströmabschnitt 21 den in die Lichtbogenzone 13 übergehenden Mündungsabschnitt des Heizkanals 10, jedoch weist der Abströmabschnitt 21 nun oberhalb eines Grenzwerts des Lichtbogengasdrucks einen in Funktion des Lichtbogengasdrucks veränderlichen Stömungsquerschnitt auf. Entsprechend der Ausführungsform des erfindungsgemässen Schalters gemäss den Figuren 4 bis 6 ist der Abströmabschnitt 21 nun Teil des Überdruckventils 30 und ist daher wie dieses in die Isolierdüse 6 integriert.
Bei den drei Ausführungsformen des erfindungsgemässen Schalters gemäss den Figuren 10 bis 13 enthält der Abströmabschnitt 21 eine Öffnung, die in einen rohrförmigen Kontaktträger des mit der Isolierdüse 6 starr verbundenen Lichtbogenkontakts 3 eingeformt ist. Unterhalb eines Grenzwertes des Löschgasdrucks ist die Öffnung mit einem auf Differenzdruck ansprechenden, beweglichen Ventilkörper 31 des Überdruckventils 30 verschlossen..
Bei der Ausführungsform nach Fig. 10 ist der Entlastungskanal 20 von der Lichtbogenzone 9 durch einen von der Hilfsdüse 11 und dem Lichtbogenkontakt 3 begrenzten, axial erstreckten Abschnitt 23 des Entlastungskanals 20 und den als Öffnung des Kontaktträgers ausgebildeten Abströmabschnitt 21 in den Expansionsraum 15 geführt. Der Ventilkörper 31 ist als axial ausgerichtete Hülse ausgebildet und ist mit dem Differenzdruck zwischen dem Kanalabschnitt 23 und einem Kolben-Zylinder-Kompressionsraum 50 zur Erzeugung einer geringen Zusatzmenge an Löschgas belastbar.. Ein ausreichend hoher Differenzdruck steht auch dann an der Hülse resp. dem Ventilkörper 31 an, wenn die Hülse 31 durch den Raum 50 hindurch in den Expansionsraum 15 oder lediglich ins Heizvolumen 7 geführt ist.
Bei der Ausführungsform nach den Figuren 11 und 12 ist die Öffnung 21 an der Einmündung 12 des Heizkanals 10 ins Heizvolumen 7 angeordnet. Bei geöffnetem Überdruckventil 30 (Fig.12) ist dann das Heizvolumen 7 mit dem Expansionsraum 15 verbunden. Ein überwiegend axial aus dem Heizkanal 10 tretender Strahl heissen Lichtbogengases 13 wird dann bei geöffnetem Ventil 30 an der Öffnung 21 umgelenkt und in radialer Richtung durch die als radialer Abströmabschnitt 21 des Entlastungskanals wirkende Öffnung in den vom rohrförmigen Kontaktträger des Lichtbogenkontakts 3 radial begrenzten Teil des Expansionsraums 15 geführt. Es wird so durch radiales Abströmen erreicht, dass oberhalb eines vorgegebenen Grenzwertes des Löschgasdrucks einerseits eine heisse Lichtbogengasströmung 13 vom Inneren des Heizvolumens 7 weitgehend ferngehalten und die Qualität des dort bereits vorhandenen Löschgases hoch gehalten wird und andererseits der Druck in der Lichtbogenzone begrenzt wird..
Ersichtlich ist der Ventilkörper 31 als axial ausgerichtete Hülse ausgebildet. Es können daher - wie dargestellt- leicht mehrere Öffnungen im Kontaktträger des Lichtbogenkontakts 3 vorhanden sein, welche den Abströmabschnitt 21 bilden und für ein gleichmässiges Abströmen der Lichtbogengase 13 sorgen. Der das Öffnen des Überdruckventils 30 hervorrufende Differenzdruck wirkt ersichtlich zwischen dem Heizvolumen 7 und dem Kolben- Zylinder-Kompressionsraum 50, in den die Hülse 21 in gasdichter Weise geführt ist Eine vergleichbare Steuerwirkung der Hülse 21 wird auch erreicht, wenn sie vom Heizvolumen 7 durch den Kolben-Zylinder-Kompressionsraum 50 hindurch in den Expansionsraum geführt ist oder wenn sie vom Heizkanal 10 lediglich ins Heizvolumen 7 oder durchs Heizvolumen hindurch in den Kompressionsraum 50 und gegebenenfalls durch diesen hindurch in den Expansionsraum 15 geführt ist.
Alternativ kann der Ventilkörper 31 auch als radial verschiebbares Teil ausgebildet sein, wie dies aus Fig.13 ersichtlich ist. Der Differenzdruck zwischen Heizvolumen 7 und Expansionsraum 15 wirkt bei dieser Ausführungsform des erfindungsgemässen Schalters auf den Ventilkörper 31. Bei entsprechender Anordnung des Ventilkörpers 31 kann auch der Differenzdruck zwischen Lichtbogenzone 9 und Expansionsraum 15 oder zwischen Heizvolumen 7 und Expansionsraum 15 den Ventilkörper 31 radial belasten.. Im Unterschied zur Ausführungsform nach den Figuren 11 und 12 wird für jede Öffnung 21 im Kontaktträger des Lichtbogenkontakts 3 als beweglicher Ventilkörper 31 ein separat anzusteuerndes Teil des Überdruckventils 30 benötigt.

BEZUGSZEICHENLISTE

1: Löschkammergehäuse
2: Kontaktanordnung
3, 4: Lichtbogenkontakte
5: Achse
6: Isolierdüse
7: Heizvolumen
8: Schaltlichtbogen
9: Lichtbogenzone
10: Heizkanal
11: Isolierhilfsdüse
12: Mündungsöffnung
13: Lichtbogengas
14: Löschgas
15: Expansionsraum
16: Engstelle
20: Entlastungskanal
21: Abströmabschnitt
22, 23: Kanalabschnitte
30: Überdruckventil
31: Ventilkörper
32: Druckfeder
33: Gleitkörper
34: Führungskanal
40: Abschirmung
50: Kompressionsraum

Claims

Gasisolierter Hochspannungs-Leistungsschalter mit
zwei längs einer Achse (5) relativ zueinander beweglichen Lichtbogenkontakten (3, 4),
einer Isolierdüse (6),
einem Heizvolumen (7) zur Aufnahme von Löschgas (14), dessen Druck durch die Energie eines beim Öffnen des Schalters gebildeten und Lichtbogengas (13) erzeugenden Schaltlichtbogens (8) bestimmt ist, einem Heizkanal (10), der eine von den beiden Lichtbogenkontakten (3, 4) axial und der Isolierdüse (6) radial begrenzte Lichtbogenzone (9) mit dem Heizvolumen (7) verbindet und axial ausgerichtet ins Heizvolumen (7) mündet,
einem Expansionsraum (15), in den das Löschgas (14) beim Ausschalten nach einer Beblasung des Schaltlichtbogens (8) expandiert,
einem in den Expansionsraum (15) mündenden Entlastungskanal (20), und
einem Überdruckventil (30) zum Begrenzen des Drucks des Löschgases (14) durch Öffnen des Entlastungskanals (20),
dadurch gekennzeichnet, dass der Entlastungskanal (20) einen in radialer Richtung erstreckten Abströmabschnitt (21) aufweist.
Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abströmabschnitt (21) von einer zylinderförmig ausgebildeten und axial erstreckten Engstelle (16) der Isolierdüse (6) abzweigt.
Schalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungsquerschnitt des Abströmabschnitts (21) gleich oder grösser als der Strömungsquerschnitt der Engstelle (16) ist.
Schalter nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Abströmabschnitt (21) in der Mitte der Engstelle (16) angeordnet ist.
Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abströmabschnitt (21) Teil des Heizkanals (10) ist
Schalter nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass sich an den Abströmabschnitt (21) mindestens ein axial erstreckter Abschnitt (22) des Entlastungskanals (20) anschliesst, und dass ein ringförmig ausgebildeter Ventilkörper (31) des Überdruckventils (30) verschiebbar im axial erstreckten Kanalabschnitt (22) gelagert ist.
Schalter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Abströmabschnitt (21) in Funktion des Drucks des in der Lichtbogenzone (9) gebildeten Lichtbogengases (13) oberhalb eines Grenzwerts des Lichtbogengasdrucks veränderlich ist.
Schalter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkörper (31) Teil der Isolierdüse (7) ist und von einem axial erstreckten Abschnitt der Düsenengstelle (16) gebildet ist.
Schalter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkörper Teil der Isolierdüse (6) ist und die Düsenengstelle (16) bildet.
Schalter nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass am Ventilkörper (31) mindestens zwei radial nach aussen erstreckte Gleitkörper (33) angebracht sind, die jeweils in einer von zwei in Umfangsrichtung gegeneinander versetzt angeordneten, axial ausgerichteten Führungskanälen (34) gelagert und mit Rückstellkraft beaufschlagt sind.
Schalter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Abströmabschnitt (21) konstanten Strömungsquerschnitt aufweist.
Schalter nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Entlastungskanal (20) mehrere in Umfangsrichtung gleichmässig um die Achse (5) verteilt angeordnete, axial erstreckte Kanalabschnitte (22) aufweist.
Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierdüse (6) eine elektrisch leitende Abschirmung (40) trägt..
Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abströmabschnitt (21) eine Öffnung enthält, die in einen rohrförmigen Kontaktträger eines mit der Isolierdüse (6) starr verbundenen Lichtbogenkontakts (3) eingeformt und unterhalb eines Grenzwertes des Löschgasdrucks mit einem auf Differenzdruck ansprechenden, beweglichen Ventilkörper (31) des Überdruckventils (30) verschlossen ist.
Schalter nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung (21) an der Einmündung (12) des Heizkanals (10) ins Heizvolumen (7) angeordnet ist und bei geöffnetem Überdruckventil (30) das Heizvolumen (7) mit dem Expansionsraum (15) verbindet.
Schalter nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkörper (31) als axial ausgerichtete Hülse ausgebildet und mit dem Differenzdruck zwischen Heizkanal (10) und Heizvolumen (7) oder zwischen Heizvolumen (7) und Expansionsraum (15) oder einem Kompressionsraum (50) belastbar ist.
Schalter nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkörper (31) als radial verschiebbares Teil ausgebildet und mit dem Differenzdruck zwischen Lichtbogenzone (9) und Heizvolumen (7), zwischen Heizvolumen (7) und Expansionsraum (15) oder zwischen Lichtbogenzone (9) und Expansionsraum (15) belastbar ist.
Schalter nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Entlastungskanal (20) von der Lichtbogenzone (9) durch einen von einer Hilfsdüse (11) und dem Lichtbogenkontakt (3) begrenzten, axial erstreckten Abschnitt (23) des Entlastungskanals (20) und den als Öffnung des Kontaktträgers ausgebildeten Abströmabschnitt (21) in den Expansionsraum(15) geführt ist, und dass der Ventilkörper (31) als axial ausgerichtete Hülse ausgebildet und mit dem Differenzdruck zwischen dem axial erstreckten Kanalabschnitt (23) des Entlastungskanals (20) und dem Heizvolumen (7), einem Kompressionsraum (50) oder dem Expansionsraum (15) belastbar ist.