EP2343721A1 - Gasisolierter Hochspannungsschalter - Google Patents

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EP2343721A1
EP2343721A1 EP10150168A EP10150168A EP2343721A1 EP 2343721 A1 EP2343721 A1 EP 2343721A1 EP 10150168 A EP10150168 A EP 10150168A EP 10150168 A EP10150168 A EP 10150168A EP 2343721 A1 EP2343721 A1 EP 2343721A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
volume
pressure relief
relief valve
insulating gas
expansion volume
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP10150168A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Daniel Ohlsson
Martin Kriegel
Navid Mahdizadeh
Timo Kehr
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
ABB Research Ltd Switzerland
ABB Research Ltd Sweden
Original Assignee
ABB Research Ltd Switzerland
ABB Research Ltd Sweden
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ABB Research Ltd Switzerland, ABB Research Ltd Sweden filed Critical ABB Research Ltd Switzerland
Priority to EP10150168A priority Critical patent/EP2343721A1/de
Priority to US12/983,035 priority patent/US20110163069A1/en
Priority to CN2010106246312A priority patent/CN102117713A/zh
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H01H33/70—Switches with separate means for directing, obtaining, or increasing flow of arc-extinguishing fluid
    • H01H33/88—Switches with separate means for directing, obtaining, or increasing flow of arc-extinguishing fluid the flow of arc-extinguishing fluid being produced or increased by movement of pistons or other pressure-producing parts
    • H01H33/90—Switches with separate means for directing, obtaining, or increasing flow of arc-extinguishing fluid the flow of arc-extinguishing fluid being produced or increased by movement of pistons or other pressure-producing parts this movement being effected by or in conjunction with the contact-operating mechanism
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Definitions

  • the present invention relates to a high voltage switch according to the preamble of claim 1.
  • a switch of the aforementioned type is generally a circuit breaker, which dominated in the voltage range of about 70 kV breaking currents of more than 10 kA.
  • Such a switch has a switch housing which is filled with an arc-containing insulating gas, such as based on sulfur hexafluoride and / or nitrogen and / or carbon dioxide, of generally up to a few bar pressure.
  • an arc-containing insulating gas such as based on sulfur hexafluoride and / or nitrogen and / or carbon dioxide, of generally up to a few bar pressure.
  • a arc zone receiving the switching arc is blown with quenching gas, which is generated by compression of insulating gas in a driven by the drive of the switch piston-cylinder compression device.
  • additional extinguishing gas stored in a heating volume is used, which is compressed as a result of the thermal effect of the switching arc.
  • the described switches each contain an insulating gas filled with an arc-quenching properties, a housing forming a storage space for the insulating gas, and a drive.
  • a housing forming a storage space for the insulating gas
  • a drive In the housing an actuatable by the drive contact arrangement and a heating volume and a frictionally coupled to the contact arrangement piston-cylinder compression device are arranged.
  • the heating volume and the Compression space of the compression device are connected to each other via a check valve and communicate with each other if the pressure in the compression chamber is higher than in the heating volume. If the pressure in the compression chamber exceeds a predetermined pressure limit, as is generally the case when a large short-circuit current is interrupted, then a pressure relief valve is activated, and compressed insulating gas is expanded from the compression space into the storage space after the response has been triggered.
  • the object is to provide a switch of the type mentioned, which is characterized by a good switching capability despite a weakly dimensioned drive.
  • the compression volume is small and can thus provide for interrupting a small current with a low driving force sufficient for successful thermal blowing of the switching arc amount of compressed, used as extinguishing gas insulating gas.
  • compressed insulating gas from the compression space communicates with the expansion volume above a response pressure of the first pressure relief valve holding the driving force at a low level.
  • a larger amount of extinguishing gas is then available when the driving force is kept low than when a small current is interrupted, and thus the arc zone can be successfully solidified dielectrically even when a large current is interrupted.
  • a second pressure relief valve may be provided.
  • the first expansion volume can be connected via the second pressure relief valve directly to the storage space.
  • the first expansion volume via the second pressure relief valve may be directly connected to a second expansion volume.
  • the second expansion volume can be connected via a third pressure relief valve directly to the storage space or with a third expansion volume.
  • At least two axially spaced cylinder barrels may be secured to a cylinder radially outwardly bounding the compression space, of which the first separates the compression space and the first extension volume and, together with the second cylinder base, determines the height of the first extension volume extended along the axis.
  • the first pressure relief valve and the second check valve may be held on the first cylinder bottom
  • a second pressure relief valve and the third check valve may be held on the second cylinder bottom.
  • At least one third cylinder bottom may be fastened to the hollow cylinder, which together with the second cylinder bottom determines the height of a second expansion volume which extends along the axis and holds a fourth check valve and an optionally provided third pressure relief valve.
  • FIGS. 1 to 3 Two embodiments of the high-voltage switch according to the invention are each designed as a circuit breaker and each contain a substantially tubular housing 10 and a housing 10 received, largely axially symmetrical contact arrangement with two along an axis A relative to each other sliding contact pieces 20 and 30th
  • the housing 10 is filled with a compressed insulating gas, such as based on sulfur hexafluoride or a gas mixture containing sulfur hexafluoride, thus forming a storage space 11 for the insulating gas.
  • a compressed insulating gas such as based on sulfur hexafluoride or a gas mixture containing sulfur hexafluoride, thus forming a storage space 11 for the insulating gas.
  • the contactor 20 has in coaxial arrangement a hollow arcing contact 21 and a hollow arcing contact surrounding the hollow rated current contact 22, whereas the contact piece 30 in a coaxial arrangement embodied as a pin arcing contact 31 and the arcing contact 31 surrounding hollow rated current contact 32.
  • the contact piece 20 is guided in a gas-tight manner along the axis A in a fixed, metal hollow body 40 and is connected via a hollow contact carrier 23 of the arcing contact 21 with an insulator, not shown, located at ground potential drive D of the switch.
  • the hollow body 40 includes an axially aligned, the rated current contact 22 coaxially comprehensive, fixed hollow cylinder 41 and two cylinder bottoms 42, 43 which are mutually axially offset on the inner wall of the hollow cylinder 41 are fixed.
  • a central opening is provided in the cylinder bottoms, in which the hollow contact carrier 23 of the arcing contact 21 is mounted gas-tight while maintaining its axial displaceability.
  • a metal sleeve 24 is fixed, which carries at its the switching piece 30 facing the end of an insulating material, such as PTFE, existing auxiliary nozzle 51.
  • This Isolieragisdüse surrounds the arc-free trained free end of the arcing contact 21.
  • the drive D facing the end of the sleeve 24 is formed as a radially outwardly guided wall 25.
  • At the outer edge of the wall 25 of the hollow cylindrical rated current contact 22 is arranged. This contact can be seen jointlessly connected to the outer edge of the wall, but can also be attached directly to the edge of the wall 25.
  • the switching piece 30 facing the end of the rated current contact 22 carries on its inside a typically PTFE-containing insulating nozzle 50, the bottleneck is closed by the arcing contact 31 when the switch is closed.
  • the sleeve 24, the wall 25, the rated current contact 22 and held in the rated current contact 22 end of the Isolierdüse 50 limit a heating volume H for receiving hot, ionized gas, which is generated by a resulting upon opening of the switch switching arc S.
  • the heating volume H communicates via a limited by the insulating nozzle 50 and the Hilfsisolierdüse 51 heating channel 52 with one of the constriction and the diffuser of the insulating nozzle 50 radially and the two open arcing contacts 21 and 31 axially limited, the switching arc S receiving arc zone L.
  • the rated current contact 22 slides gas-tight and electrically conductive in the hollow cylinder 41.
  • the hollow cylinder 41, the cylinder base 42, the contact carrier 23 and the wall 25 of the sleeve 24 therefore limit a compression space K of a piston-cylinder compression device with one of the parts 41 and 42 fixed hollow cylinder and one of the parts 23 and 25 formed and moved by the drive D piston.
  • the compression chamber K communicates via a arranged in the wall 25 check valve RV 1 with the heating volume H, if the pressure in the compression chamber K is equal to or higher than in the heating volume H.
  • the switch according to FIGS. 1 and 2 acts as follows: Is the switch - as in the left half of Fig.1 respectively. Fig.2 shown - closed, the check valves RV 1 , RV 2 and RV 3 are open: Therefore, communicate the heating volume H, the compression space K and the expansion volume E 1 with storage space 11 and these spaces are filled with fresh insulating gas.
  • the two switching pieces 20, 30 separate and forms between the two arcing contacts 21, 31 a burning in the arc zone L switching arc S.
  • the heating power of the switching arc S is generally insufficient to be able to interrupt the current successfully.
  • the pressure built up by the switching arc S in the heating volume H is then too small to successfully blow through the switching arc S with the quenching gas present in the heating volume at the zero crossing of the current to be disconnected and thus be able to interrupt the current.
  • a sufficiently high pressure is generated by means of the piston-cylinder compression device.
  • the size of the compression space K decreases when turned off due to the downward movement of the contact carrier 23 and the associated, formed by the wall 25 and the contact carrier 23 piston. This reduction is also achieved if, when switched off by a drive D 'in the switching piece 30 initiated force is transmitted via a connected to the switching piece 30 and the insulating nozzle 50 deflection gear on the contact piece 20.
  • the pressure buildup of the quenching gas by mechanical forces depends on the size of the compression chamber K.
  • D At a given stroke of the piston of the compression device resp. of the drive D, D 'and for a given size of the heating volume H thus builds a higher pressure in the quenching gas when using a small sized compression chamber K than when using a larger compression space K. Since the successful interruption of a small current only a small Amount of sufficient compressed extinguishing gas is required, the size of the compression space K can be kept relatively small.
  • the overpressure valve OV 1 opens. After opening communicates the compression chamber K via this pressure relief valve with the expansion volume E 1 , thus limiting the pressure in the compression chamber K.
  • the compressed insulating gas flowing from the compression chamber K into the expansion volume E 1 increases the insulating gas pressure in the expansion volume E 1 and ensures that the check valve RV 3 closes.
  • the pressure in the heating volume H drops.
  • the check valve RV 1 opens as soon as the pressure in the compression chamber K and in the expansion volume E 1 communicating therewith is greater than the pressure in the heating volume H.
  • Compressed extinguishing gas now flows out of the compression space K enlarged by the expansion volume E 1 over the heating volume H and the heating channel 52 into the arc zone L. Quantity, pressure and quality of the thus provided extinguishing gas sufficient to cool the switching arc S at the zero crossing of the current by blowing sufficiently strong and thus successfully interrupt the large current.
  • the expansion volume E 1 therefore increases the relatively small volume of the compression space K optimized for switching off small currents when switching a large current current. Since this extinguishing gas is achieved by the large volume of the enlarged by the expansion volume E 1 compression space K and not by an excessively high pressure in the compression chamber K, a retroactive on the drive high pressure is avoided. In addition, it is thus avoided that when interrupting a large current compressed insulating gas from the compression chamber K is guided directly into the storage space 11.
  • the drive of the switch can therefore be dimensioned advantageously smaller than in a switch according to the prior art.
  • the pressure relief valve OV 2 limits the pressure in the expansion volume E 1 If this pressure exceeds a predetermined response value, which is typically equal to or slightly greater than the corresponding response value of the pressure relief valve OV 1 , it opens. After opening, the expansion volume E 1 communicates directly with the storage space 11 and thus limits the pressure in the compression space K.
  • a cylinder base 44 is additionally attached to the hollow cylinder 41, which together with the cylinder bottom 43, the aligned along the axis A height an expansion volume E 2 determined.
  • a check valve RV 4 and a pressure relief valve OV 3 are arranged in the cylinder bottom 44.
  • the pressure in the expansion volume E 1 a predetermined set pressure, opens - as in the right half of the Figure 3 is shown - also the pressure relief valve OV 2 . After opening this valve, the expansion volume E 1 communicates with the expansion volume E 2 and thus limits the pressure in the expansion volume E 1 . At the same time, the compressed insulating gas flowing into the expansion volume E 2 increases the insulating gas pressure in the expansion volume E 2 and ensures that the check valve RV 4 closes.
  • the response pressure of the pressure relief valve OV 2 is generally equal to the response value of the pressure relief valve OV. 1
  • an additional amount of extinguishing gas can be provided.
  • the overpressure valve OV 3 limits the pressure in the expansion volume E 2 . If this pressure exceeds a predetermined response value, which is typically equal to or slightly greater than the corresponding response value of the overpressure valve OV 2 , it opens. After opening, the expansion volume E 2 communicates directly with the storage space 11 or with an optionally provided further expansion volume and thus limits the pressure in the expansion volume E 2 .
  • the pressure relief valves OV 1 , OV 2 , OV 3 may have different response pressures, so that depending on the current strength or pressure build-up in the heating volume H resp. so that depending on the prevailing conditions when interrupting the current to be disconnected successively a different number of expansion volumes can be switched on.
  • the compression space K and the expansion volume E 1 respectively.
  • at least a first of the extension volumes may be coaxial with the compression space K and / or a second one of the extension volumes include.
  • the lying between the adjoining rooms, such as K and E 1 , valves, eg RV 2 and OV 1 can then be arranged in an axially aligned wall, for example, the hollow cylinder 41.

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  • Circuit Breakers (AREA)

Abstract

Der Hochspannungsschalter weist einen klein bemessenen Kompressionsraum (K) auf, in dem beim Unterbrechen eines Stroms Löscheigenschaften aufweisendes Isoliergas mit Hilfe eines Antriebs (D, D') des Schalters mechanisch zu Löschgas komprimiert wird. Beim Unterbrechen eines kleinen Stroms kann so mit geringer mechanische Antriebskraft eine ausreichende Menge an Löschgas bereitgestellt werden. Beim Unterbrechen eines grossen Stroms kommuniziert oberhalb eines die Antriebskraft gering haltenden Ansprechdrucks eines Überdruckventils (OV 1 ) Löschgas aus dem Kompressionsraum (K) in ein Erweiterungsvolumen (E 1 ). Zur erfolgreichen Unterbrechung eines grossen Stroms steht dann bei gering gehaltener Antriebskraft eine grosse Menge an Löschgas zur Verfügung.

Description

    TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Hochspannungsschalter nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
  • Ein Schalter der vorgenannten Art ist im allgemeinen ein Leistungsschalter, der im Spannungsbereich von über 70 kV Ausschaltströme von über 10 kA beherrscht.
  • Ein solcher Schalter weist ein Schaltergehäuse auf, das mit einem Lichtbogenlöscheigenschaften aufweisenden Isoliergas, etwa auf der Basis von Schwefelhexafluorid und/oder Stickstoff und/oder Kohlendioxid, von im allgemeinen bis zu einigen bar Druck gefüllt ist. Um beim Ausschalten eines Stroms eine rasche dielektrische Verfestigung einer zwischen den sich öffnenden Schaltstücken gebildeten Schaltstrecke zu erreichen, wird eine den Schaltlichtbogen aufnehmende Lichtbogenzone mit Löschgas beblasen, welches durch Kompression von Isoliergas in einer vom Antrieb des Schalters betätigten Kolben-Zylinder-Kompressionsvorrichtung erzeugt wird. Beim Ausschalten grosser Kurzschlussströme wird zusätzlich in einem Heizvolumen gespeichertes Löschgas verwendet, das infolge der thermischen Wirkung des Schaltlichtbogens komprimiert wird.
    • STAND DER TECHNIK
  • Ein Schalter der eingangs genannten Art ist beispielsweise beschrieben in US 6,207,917 B1 , JP 2003-197076 A , DE 199 10 166 A1 oder DE 197 36 708 C1 .
  • Die beschriebenen Schalter enthalten jeweils ein mit einem Lichtbogenlöscheigenschaften aufweisenden Isoliergas gefülltes, einen Speicherraum für das Isoliergas bildendes Gehäuse und einen Antrieb. Im Gehäuse sind eine vom Antrieb betätigbare Kontaktanordnung sowie ein Heizvolumen und eine mit der Kontaktanordnung kraftschlüssig gekoppelte Kolben-Zylinder-Kompressionsvorrichtung angeordnet. Das Heizvolumen und der Kompressionsraum der Kompressionsvorrichtung sind über ein Rückschlagventil miteinander verbunden und kommunizieren miteinander falls der Druck im Kompressionsraum höher als im Heizvolumen ist. Übersteigt der Druck im Kompressionsraum einen vorgegebenen Druckgrenzwert, wie dies im allgemeinen beim Unterbrechen eines grossen Kurzschlussstroms der Fall ist, so spricht ein Überdruckventil an und wird nach dem Ansprechen komprimiertes Isoliergas aus dem Kompressionsraum in den Speicherraum expandiert. Die vom Antrieb zum Komprimieren des expandierten Gases aufgewendete Energie dient daher nicht der Erzeugung von Löschgas. Um dennoch eine ausreichende Menge an Löschgas bereitzustellen, muss daher entweder der Rauminhalt des Kompressionsraum gross bemessen sein oder der Antrieb muss sehr leistungsstark sein, um bei hohen Druckspitzen nicht zu blockieren.
    • DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
  • Der Erfindung, wie sie in den Patentansprüchen angegeben ist, liegt die Aufgabe zugrunde, einen Schalter der eingangs genannten Art zu schaffen, der sich trotz eines schwach bemessenen Antriebs durch ein gutes Schaltvermögen auszeichnet.
  • Der in Patentanspruch 1 definierte Hochspannungsschalter nach der Erfindung enthält folgende Komponenten:
    • ein mit einem Lichtbogenlöscheigenschaften aufweisenden Isoliergas gefülltes Gehäuse, das einen Speicherraum für das Isoliergas begrenzt,
    • eine im Gehäuse gehaltene Kontaktanordnung mit zwei Schaltstücken, die bei einem Schaltvorgang mit Hilfe eines Antriebs längs einer Achse relativ zueinander bewegt werden,
    • ein am ersten beider Schaltstücke befestigtes, ringförmig um einen hohlen Lichtbogenkontakt des ersten Schaltstücks geführtes und der Aufnahme von Schaltlichtbogengasen dienendes Heizvolumen, das beim Ausschalten mit einer den Schaltlichtbogen aufnehmenden Lichtbogenzone kommuniziert,
    • eine beim Ausschalten vom ersten Schaltstück betätigte Kolben-Zylinder-Kompressionsvorrichtung mit einem ringförmig um den hohlen Lichtbogenkontakt geführten Kompressionsraum zur Aufnahme von komprimiertem Isoliergas,
    • ein im Heizvolumen angeordnetes erstes Rückschlagventil, durch das beim Einschalten Isoliergas aus dem Kompressionsraum ins Heizvolumen geführt wird, ein erstes Überdruckventil zum Begrenzen des Drucks des komprimierten Isoliergases im Kompressionsraum,
    • ein im Kompressionsraum angeordnetes zweites Rückschlagventil, durch das beim Einschalten Isoliergas in den Kompressionsraum geführt wird, und mindestens ein der Aufnahme von komprimiertem Gas dienendes erstes Erweiterungsvolumen, welches nach dem Öffnen des ersten Überdruckventils mit dem Kompressionsvolumen kommuniziert und dann gegenüber dem Speicherraum durch ein drittes Rückschlagventil abgesperrt ist.
  • Beim erfindungsgemässen Schalter ist das Kompressionsvolumen klein bemessen und kann so beim Unterbrechen eines kleinen Stroms mit einer geringen Antriebskraft eine zur erfolgreichen thermischen Beblasung des Schaltlichtbogens ausreichende Menge an komprimiertem, als Löschgas benutztem Isoliergas bereitstellen. Beim Unterbrechen eines grossen Stroms kommuniziert oberhalb eines die Antriebskraft gering haltenden Ansprechdrucks des ersten Überdruckventils komprimiertes Isoliergas aus dem Kompressionsraum ins Erweiterungsvolumen. Zur thermischen Beblasung des Schaltlichtbogens steht dann bei gering gehaltener Antriebskraft eine grössere Menge an Löschgas zur Verfügung als beim Unterbrechen eines kleinen Stroms und kann so die Lichtbogenzone auch beim Unterbrechen eines grossen Stroms dielektrisch erfolgreich verfestigt werden.
  • Um den Druck im ersten Erweiterungsvolumen zu begrenzen, kann ein zweites Überdruckventil vorgesehen sein.
  • Das erste Erweiterungsvolumen kann über das zweite Überdruckventil unmittelbar mit dem Speicherraum verbunden sein. Alternativ kann das erste Erweiterungsvolumen über das zweite Überdruckventil unmittelbar mit einem zweiten Erweiterungsvolumen verbunden sein.
  • Das zweite Erweiterungsvolumen kann über ein drittes Überdruckventil unmittelbar mit dem Speicherraum oder mit einem dritten Erweiterungsvolumen verbunden sein.
  • An einem den Kompressionsraum radial nach aussen begrenzenden Hohlzylinder können mindestens zwei axial voneinander beabstandete Zylinderböden befestigt sein, von denen der erste den Kompressionsraum und das erste Erweiterungsvolumen voneinander trennt und zusammen mit dem zweiten Zylinderboden die längs der Achse erstreckte Höhe des ersten Erweiterungsvolumens bestimmt. Das erste Überdruckventil und das zweite Rückschlagventil können am ersten Zylinderboden, ein zweites Überdruckventil und das dritte Rückschlagventil können am zweiten Zylinderboden gehalten sein. Am Hohlzylinder kann mindestens einen dritten Zylinderboden befestigt sein, der zusammen mit dem zweiten Zylinderboden die längs der Achse erstreckte Höhe eines zweiten Erweiterungsvolumens bestimmt und ein viertes Rückschlagventil sowie ein gegebenenfalls vorgesehenes drittes Überdruckventil hält.
    • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Anhand von Zeichnungen wird die Erfindung nachfolgend näher erläutert. Hierbei zeigt:
    • Fig.1
    eine Aufsicht auf einen längs einer Achse A geführten Schnitt durch eine erste Ausführungsform eines Hochspannungsschalters nach der Erfindung, in der der Schalter links der Achse geschlossen ist und rechts der Achse gerade einen kleinen Strom unterbricht,
    Fig.2
    der Schalter nach Fig.1 beim Unterbrechen eines grossen Stroms, und
    Fig.3
    eine gegenüber der ersten Ausführungsform abgewandelte zweite Ausführungsform des Hochspannungsschalters nach der Erfindung.
    WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
  • In allen Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen auch gleichwirkende Teile. Die in den Figuren 1 bis 3 dargestellten beiden Ausführungsformen des Hochspannungsschalters nach der Erfindung sind jeweils als Leistungsschalter ausgeführt und enthalten jeweils ein weitgehend rohrförmiges Gehäuse 10 sowie eine vom Gehäuse 10 aufgenommene, weitgehend axialsymmetrisch gestaltete Kontaktanordnung mit zwei längs einer Achse A relativ zueinander verschiebbaren Schaltstücken 20 und 30.
  • Das Gehäuse 10 ist mit einem komprimierten Isoliergas, etwa auf der Basis Schwefelhexafluorid oder eines Schwefelhexafluorid enthaltenden Gasgemischs, gefüllt und bildet so einen Speicherraum 11 für das Isoliergas. Das Schaltstück 20 weist in koaxialer Anordnung einen hohlen Lichtbogenkontakt 21 und einen den hohlen Lichtbogenkontakt umgebenden hohlen Nennstromkontakt 22 auf, wohingegen das Schaltstück 30 in koaxialer Anordnung einen als Stift ausgeführten Lichtbogenkontakt 31 und einen den Lichtbogenkontakt 31 umgebenden hohlen Nennstromkontakt 32 enthält.
  • Das Schaltstück 20 ist längs der Achse A gasdicht gleitend in einem feststehenden, metallenen Hohlkörper 40 geführt und ist über einen hohlen Kontaktträger 23 des Lichtbogenkontakts 21 mit einem nicht dargestellten Isolator eines auf Erdpotential befindlichen Antriebs D des Schalters verbunden.
  • Der Hohlkörper 40 enthält einen axial ausgerichteten, den Nennstromkontakt 22 koaxial umfassenden, feststehenden Hohlzylinder 41 sowie zwei Zylinderböden 42, 43, die gegeneinander axial versetzt an der Innenwand des Hohlzylinders 41 befestigt sind. In den Zylinderböden ist jeweils eine zentrale Öffnung vorgesehen, in der der hohle Kontaktträger 23 des Lichtbogenkontakts 21 unter Beibehaltung seiner axialen Verschiebbarkeit gasdicht gelagert ist.
  • Auf der Aussenfläche des Kontaktträgers 23 ist eine metallene Hülse 24 befestigt, die an ihrem dem Schaltstück 30 zugewandten Ende eine aus Isoliermaterial, wie PTFE, bestehende Hilfsdüse 51 trägt. Diese Isolierhilfsdüse umgibt das lichtbogenfest ausgebildete freie Ende des Lichtbogenkontakts 21. Das dem Antrieb D zugewandte Ende der Hülse 24 ist als radial nach aussen geführte Wand 25 ausgebildet. Am Aussenrand der Wand 25 ist der hohlzylindrisch ausgebildete Nennstromkontakt 22 angeordnet. Dieser Kontakt ist ersichtlich fugenlos mit dem Aussenrand der Wand verbunden, kann aber auch unmittelbar an den Rand der Wand 25 angesetzt sein. Das dem Schaltstück 30 zugewandte Ende des Nennstromkontakts 22 trägt auf seiner Innenseite eine typischerweise PTFE enthaltenden Isolierdüse 50, deren Engstelle bei geschlossenem Schalter durch den Lichtbogenkontakt 31 verschlossen ist.
  • Die Hülse 24, die Wand 25, der Nennstromkontakt 22 und das im Nennstromkontakt 22 gehaltene Ende der Isolierdüse 50 begrenzen ein Heizvolumen H zur Aufnahme von heissem, ionisiertem Gas, welches von einem beim Öffnen des Schalters entstehenden Schaltlichtbogen S erzeugt wird. Das Heizvolumen H kommuniziert über einen von der Isolierdüse 50 und der Hilfsisolierdüse 51 begrenzten Heizkanal 52 mit einer von der Engstelle und dem Diffusor der Isolierdüse 50 radial und den beiden geöffneten Lichtbogenkontakten 21 und 31 axial begrenzten, den Schaltlichtbogen S aufnehmenden Lichtbogenzone L.
  • Der Nennstromkontakt 22 gleitet gasdicht und elektrisch leitend im Hohlzylinder 41. Der Hohlzylinder 41, der Zylinderboden 42, der Kontaktträger 23 und die Wand 25 der Hülse 24 begrenzen daher einen Kompressionsraum K einer Kolben-Zylinder-Kompressionsvorrichtung mit einem von den Teilen 41 und 42 gebildeten feststehenden Hohlzylinder und einem von den Teilen 23 und 25 gebildeten und vom Antrieb D bewegten Kolben. Der Kompressionsraum K kommuniziert über ein in der Wand 25 angeordnetes Rückschlagventil RV1 mit dem Heizvolumen H, falls der Druck im Kompressionsraum K gleich oder höher als im Heizvolumen H ist.
  • Die beiden mit Abstand in axialer Richtung voneinander im Hohlzylinder 41 feststehend gehaltenen Zylinderböden 42 und 43 begrenzen ein ringförmig um die Achse A resp. den Kontaktträger 23 geführtes Erweiterungsvolumen E1, dessen Höhe durch den vorgenannten axialen Abstand bestimmt ist. Im Zylinderboden 42 sind ein Rückschlagventil RV2 und ein Überdruckventil OV1 und im Zylinderboden 43 ein Rückschlagventil RV3 und ein Überdruckventil OV2 angeordnet.
  • Der Schalter gemäss den Figuren 1 und 2 wirkt wie folgt: Ist der Schalter - wie in der linken Hälfte von Fig.1 resp. Fig.2 dargestellt - geschlossen, so sind die Rückschlagventile RV1, RV2 und RV3 geöffnet: Daher kommunizieren das Heizvolumen H, der Kompressionsraum K und das Erweiterungsvolumen E1 mit Speicherraum 11 und sind diese Räume sind mit frischem Isoliergas gefüllt.
  • Beim Ausschalten eines Stroms trennen sich die beiden Schaltstücke 20, 30 und es bildet sich zwischen den beiden Lichtbogenkontakten 21, 31 ein in der Lichtbogenzone L brennende Schaltlichtbogen S. Vom Schaltlichtbogen erzeugte Lichtbogengase strömen durch den Diffusor der Isolierdüse 50 und den hohlen Lichtbogenkontakt 21 in den Speicherraum 11, gelangen aber auch über den Heizkanal 52 ins Heizvolumen H und mischen sich dort mit dem bereits vorhandenen Isoliergas zu (komprimiertem) Löschgas (Figuren 1 und 2, jeweils rechte Hälfte).
  • Wird lediglich ein kleiner Strom abgeschaltet, so reicht die Heizleistung des Schaltlichtbogens S im allgemeinen nicht aus, um den Strom erfolgreich unterbrechen zu können. Der durch den Schaltlichtbogen S im Heizvolumen H aufgebaute Druck ist dann zu klein, um im Nulldurchgang des abzuschaltenden Stroms den Schaltlichtbogen S mit dem im Heizvolumen anstehenden Löschgas erfolgreich beblasen und den Strom so unterbrechen zu können.
  • Ein ausreichend hoher Druck wird hingegen mit Hilfe der Kolben-Zylinder-Kompressionsvorrichtung erzeugt. Wie in der rechten Hälfte von Fig.1 dargestellt ist, verkleinert sich die Grösse des Kompressionsraums K beim Ausschalten infolge der Abwärtsbewegung des Kontaktträgers 23 und des damit verbundenen, von der Wand 25 und dem Kontaktträger 23 gebildeten Kolbens. Diese Verkleinerung wird auch erreicht, wenn beim Ausschalten vom einem Antrieb D' in das Schaltstück 30 eingeleitete Kraft über ein mit dem Schaltstück 30 und der Isolierdüse 50 verbundenes Umlenkgetriebe auf das Schaltstück 20 übertragen wird. In jedem Fall erhöht sich beim Ausschalten der Druck des im Kompressionsraum K befindlichen Isoliergases und schliesst das Rückschlagventil RV2. Da sich der Druck des im Heizvolumen H vorhandenen Gases wegen der geringen Menge an zuströmendem Gas aus der Lichtbogenzone L nicht wesentlich erhöht, bleibt das Rückschlagventil RV1 hingegen geöffnet und kommunizieren das Heizvolumen H und der Kompressionsraum K miteinander. Komprimiertes Isoliergas strömt daher aus dem Kompressionsraum K ins Heizvolumen H und gelangt über den Heizkanal 52 in die Lichtbogenzone L. Es wird so ein Löschgas bereitgestellt, dessen Menge, Druck und Qualität ausreichen, um den Schaltlichtbogen S am Nulldurchgang durch thermische Beblasung ausreichend stark zu kühlen und dementsprechend den Strom erfolgreich zu unterbrechen.
  • Der durch mechanische Kräfte erfolgende Druckaufbau des Löschgases ist abhängig von der Grösse des Kompressionsraums K. Bei vorgegebenem Hub des Kolbens der Kompressionsvorrichtung resp. des Antriebs D, D' und bei vorgegebener Grösse des Heizvolumens H baut sich demnach bei der Verwendung eines klein bemessenen Kompressionsraums K ein höherer Druck im Löschgas auf als bei der Verwendung eines grösser bemessenen Kompressionsraums K. Da zur erfolgreichen Unterbrechung eines kleinen Stroms lediglich eine geringe Menge an ausreichend komprimiertem Löschgas benötigt wird, kann die Grösse des Kompressionsraums K relativ klein gehalten werden.
  • Beim Ausschalten eines grossen Stroms ist wegen der starken Heizwirkung des Schaltlichtbogens S der Druckaufbau im Heizvolumen H wesentlich stärker als im Kompressionsraum K. Daher schliesst nun auch das Rückschlagventil RV1. Übersteigt der Druck im Kompressionsraum K einen vorgegebenen Grenzwert, so öffnet das Überdruckventil OV1. Nach dem Öffnen kommuniziert der Kompressionsraum K über dieses Überdruckventil mit dem Erweiterungsvolumen E1 und begrenzt so den Druck im Kompressionsraum K. Wie in der rechten Hälfte von Fig.2 dargestellt, erhöht das aus dem Kompressionsraum K ins Erweiterungsvolumen E1 einströmende, komprimierte Isoliergas den Isoliergasdruck im Erweiterungsvolumen E1 und sorgt dafür, dass das Rückschlagventil RV3 schliesst.
  • Bei Annäherung an den Stromnulldurchgang fällt der Druck im Heizvolumen H ab. Das Rückschlagventil RV1 öffnet sobald der Druck im Kompressionsraum K und im damit kommunizierenden Erweiterungsvolumen E1 grösser ist als der Druck im Heizvolumen H. Komprimiertes Löschgas strömt nun aus dem um das Erweiterungsvolumen E1 vergrösserten Kompressionsraum K übers Heizvolumen H und den Heizkanal 52 in die Lichtbogenzone L. Menge, Druck und Qualität des so bereitgestellten Löschgases reichen aus, um den Schaltlichtbogen S am Stromnulldurchgang durch thermische Beblasung ausreichend stark zu kühlen und so den grossen Strom erfolgreich zu unterbrechen.
  • Das Erweiterungsvolumen E1 vergrössert daher beim Schalten eines grossen Stroms den für das Abschalten kleiner Ströme optimierten, verhältnismässig kleinen Rauminhalt des Kompressionsraums K. Für die Kühlung des beim Unterbrechen eines grossen Stroms entstehenden, leistungsstarken Lichtbogens steht daher mehr Löschgas zur Verfügung als beim Unterbrechen eines kleinen Stroms. Da dieses Löschgas durch den grossen Rauminhalt des um das Erweiterungsvolumen E1 vergrösserten Kompressionsraums K und nicht durch einen übermässig hohen Druck im Kompressionsraum K erreicht wird, wird so ein auf den Antrieb rückwirkender hoher Druck vermieden. Zudem wird so vermieden, dass beim Unterbrechen eines grossen Stroms komprimiertes Isoliergas aus dem Kompressionsraum K unmittelbar in den Speicherraum 11 geführt wird. Der Antrieb des Schalters kann daher in vorteilhafter Weise kleiner bemessen sein als bei einem Schalter nach dem Stand der Technik.
  • Beim Einschalten werden der Kontaktträger 23 und daher auch der Kolben der Kompressionsvorrichtung nach oben bewegt. Hierbei entsteht im Kompressionsraum K Unterdruck und wird frisches Isoliergas aus dem Speicherraum 11 über die geöffneten Rückschlagventil RV3 und RV2 ins Erweiterungsvolumen E1 und in den Kompressionsraum K eingesaugt.
  • Das Überdruckventil OV2 begrenzt den Druck im Erweiterungsvolumen E1 Überschreitet dieser Druck einen vorgegebenen Ansprechwert, der typischerweise gleich oder etwas grösser als der entsprechende Ansprechwert des Überdruckventils OV1 ist, so öffnet es. Nach dem Öffnen kommuniziert das Erweiterungsvolumen E1 unmittelbar mit dem Speicherraum 11 und begrenzt so den Druck im Kompressionsraum K.
  • In der aus Fig.3 ersichtlichen zweiten Ausführungsform des Schalters nach der Erfindung ist am Hohlzylinder 41 zusätzlich ein Zylinderboden 44 befestigt, der zusammen mit dem Zylinderboden 43 die längs der Achse A ausgerichtete Höhe eines Erweiterungsvolumen E2 bestimmt. Im Zylinderboden 44 sind ein Rückschlagventil RV4 und ein Überdruckventil OV3 angeordnet.
  • Übersteigt beim Unterbrechen eines grossen Stroms der Druck im Erweiterungsvolumen E1 einen vorgegebenen Ansprechdruck, so öffnet - wie in der rechten Hälfte der Fig.3 dargestellt ist - auch das Überdruckventil OV2. Nach dem Öffnen dieses Ventils kommuniziert das Erweiterungsvolumen E1 mit dem Erweiterungsvolumen E2 und begrenzt so den Druck im Erweiterungsvolumen E1. Zugleich erhöht das ins Erweiterungsvolumen E2 einströmende, komprimierte Isoliergas den Isoliergasdruck im Erweiterungsvolumen E2 und sorgt dafür, dass das Rückschlagventil RV4 schliesst.
  • Der Ansprechdruck des Überdruckventils OV2 ist im allgemeinen gleich dem Ansprechwert des Überdruckventils OV1. Bei besonders leistungsstarken Schaltlichtbögen S kann so gegenüber der Ausführungsform nach Fig.1 noch eine zusätzliche Menge an Löschgas bereitgestellt werden.
  • Das Überdruckventil OV3 begrenzt den Druck im Erweiterungsvolumen E2. Überschreitet dieser Druck einen vorgegebenen Ansprechwert, der typischerweise gleich oder etwas grösser als der entsprechende Ansprechwert des Überdruckventils OV2 ist, so öffnet es. Nach dem Öffnen kommuniziert das Erweiterungsvolumen E2 unmittelbar mit dem Speicherraum 11 oder mit einem gegebenenfalls vorgesehenen weiteren Erweiterungsvolumen und begrenzt so den Druck im Erweiterungsvolumen E2.
  • Die Überdruckventile OV1, OV2, OV3 können unterschiedliche Ansprechdrücke aufweisen, so dass je nach Stromstärke bzw. Druckaufbau im Heizvolumen H resp. so dass je nach den herrschenden Bedingungen beim Unterbrechen des abzuschaltenden Stroms sukzessive eine unterschiedliche Anzahl an Erweiterungsvolumina zugeschaltet werden kann. Wie in den Ausführungsbeispielen dargestellt, sind der Kompressionsraum K und das Erweiterungsvolumen E1 resp. die Erweiterungsvolumina E1, E2 sowie gegebenenfalls vorgesehene weitere Erweiterungsvolumina entlang der Achse A aufgereiht. Alternativ kann zumindest ein erstes der Erweiterungsvolumina den Kompressionsraum K und/oder ein zweites der Erweiterungsvolumina koaxial umfassen. Die zwischen den aneinandergrenzenden Räumen, z.B. K und E1, liegenden Ventile, z.B. RV2 und OV1, können dann in einer axial ausgerichteten Wand, z.B. dem Hohlzylinder 41, angeordnet sein.
    • BEZUGSZEICHENLISTE
    • 10
    Schaltergehäuse
    11
    Speicherraum
    20
    Schaltstück
    21
    Lichtbogenkontakt
    22
    Nennstromkontakt
    23
    Kontaktträger des Lichtbogenkontakts 21
    24
    Hülse
    25
    Wand
    30
    Schaltstück
    31
    Lichtbogenkontakt
    32
    Nennstromkontakt
    40
    Hohlkörper
    41
    Hohlzylinder
    42, 43, 44
    Zylinderböden
    50
    Isolierdüse
    51
    Isolierhilfsdüse
    52
    Heizkanal
    A
    Achse
    D, D'
    Schalterantriebe
    E1, E2
    Erweiterungsvolumina
    H
    Heizvolumen
    K
    Kompressionsraum
    L
    Lichtbogenzone
    OV1, OV2, OV3
    Überdruckventile
    RV1, RV2, RV3, RV4
    Rückschlagventile
    S
    Schaltlichtbogen

Claims (8)

  1. Hochspannungsschalter, enthaltend:
    ein mit einem Löscheigenschaften aufweisenden Isoliergas gefülltes Gehäuse (10), das einen Speicherraum (11) für das Isoliergas begrenzt,
    eine im Gehäuse (10) gehaltene Kontaktanordnung mit zwei Schaltstücken (20, 30), die bei einem Schaltvorgang mit Hilfe eines Antriebs (D, D') längs einer Achse (A) relativ zueinander bewegt werden,
    ein am ersten Schaltstück (20) befestigtes, ringförmig um einen hohlen Lichtbogenkontakt (21) des ersten Schaltstücks geführtes und der Aufnahme von Lichtbogengasen dienendes Heizvolumen (H), das beim Ausschalten mit einer einen Schaltlichtbogen (S) aufnehmenden Lichtbogenzone (L) kommuniziert,
    eine beim Ausschalten vom ersten Schaltstück (20) betätigte Kolben-Zylinder-Kompressionsvorrichtung mit einem ringförmig um den hohlen Lichtbogenkontakt (21) geführten Kompressionsraum (K) zum Bereitstellen von komprimiertem Isoliergas,
    ein im Heizvolumen (H) angeordnetes erstes Rückschlagventil (RV1), durch das beim Einschalten Isoliergas aus dem Kompressionsraum (K) ins Heizvolumen (H) geführt wird,
    einem ersten Überdruckventil (OV1) zum Begrenzen des Druck des komprimierten Isoliergases im Kompressionsraum (K), und
    ein im Kompressionsraum (K) angeordnetes zweites Rückschlagventil (RV2), durch das beim Einschalten Isoliergas in den Kompressionsraum (K) geführt wird,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Schalter ferner mindestens ein der Aufnahme von komprimiertem Isoliergas dienendes erstes Erweiterungsvolumen (E1) enthält, welches nach dem Öffnen des ersten Überdruckventils (OV1) mit dem Kompressionsvolumen (K) kommuniziert und dann gegenüber dem Speicherraum (11) durch ein drittes Rückschlagventil (RV3) abgesperrt ist.
  2. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein den Druck im ersten Erweiterungsvolumen (E1) begrenzendes zweites Überdruckventil (OV2) vorgesehen ist.
  3. Schalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Erweiterungsvolumen (E1) über das zweite Überdruckventil (OV2) unmittelbar mit dem Speicherraum (11) verbunden ist.
  4. Schalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Erweiterungsvolumen (E1) über das zweite Überdruckventil (OV2) unmittelbar mit einem zweiten Erweiterungsvolumen (E2) verbunden ist.
  5. Schalter nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Erweiterungsvolumen (E2) über ein drittes Überdruckventil (OV3) unmittelbar mit dem Speicherraum (11) oder einem dritten Erweiterungsvolumen verbunden ist.
  6. Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass an einem den Kompressionsraum (K) radial nach aussen begrenzenden Hohlzylinder (41) mindestens zwei axial voneinander beabstandete Zylinderböden (42, 43) befestigt sind, von denen der erste (42) den Kompressionsraum (K) und das erste Erweiterungsvolumen (E1) voneinander trennt und zusammen mit dem zweiten Zylinderboden (43) die längs der Achse (A) erstreckte Höhe des ersten Erweiterungsvolumens (E1) bestimmt.
  7. Schalter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Überdruckventil (OV1) und das zweite Rückschlagventil (RV2) am ersten Zylinderboden (42) und ein zweites Überdruckventil (OV2) und das dritte Rückschlagventil (RV3) am zweiten Zylinderboden (43) gehalten sind.
  8. Schalter nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass am Hohlzylinder (41) mindestens ein dritter Zylinderboden (44) befestigt ist, der zusammen mit dem zweiten Zylinderboden (43) die längs der Achse (a) erstreckte Höhe eines zweiten Erweiterungsvolumens (E2) bestimmt und ein viertes Rückschlagventil (RV4) sowie ein gegebenenfalls vorgesehenes drittes Überdruckventil (OV3) hält.
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