EP2387057A1 - Gasisolierter Hochspannungsschalter - Google Patents

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EP2387057A1
EP2387057A1 EP10162647A EP10162647A EP2387057A1 EP 2387057 A1 EP2387057 A1 EP 2387057A1 EP 10162647 A EP10162647 A EP 10162647A EP 10162647 A EP10162647 A EP 10162647A EP 2387057 A1 EP2387057 A1 EP 2387057A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
contact
arc
pressure chamber
piston
arcing
Prior art date
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Granted
Application number
EP10162647A
Other languages
English (en)
French (fr)
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EP2387057B1 (de
Inventor
Javier Mantilla
Nicola Gariboldi
Stephan Grob
Oliver Cossalter
Mathias-Dominic Buergler
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 Technology AG
Original Assignee
ABB Technology AG
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Publication date
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Priority to US13/105,377 priority patent/US8766131B2/en
Priority to CN201110134060.9A priority patent/CN102280306B/zh
Priority to JP2011107237A priority patent/JP5174210B2/ja
Publication of EP2387057A1 publication Critical patent/EP2387057A1/de
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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
    • H01H33/88—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
    • H01H33/901—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 making use of the energy of the arc or an auxiliary arc
    • H01H33/903—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 making use of the energy of the arc or an auxiliary arc and assisting the operating mechanism

Definitions

  • the present invention relates to a high voltage switch according to the preamble of claim 1.
  • Switches of the aforementioned type are designed as a circuit breaker and have a rated current carrying capacity of at least a few kA in the voltage range of more than a few kV.
  • these switches are used as a generator switch and therefore contain a loadable with high rated currents contact arrangement with two - each with a rated current and an arc contact containing - switching pieces, of which a Isolierdüse is attached to a first.
  • the arc contact of the second contact piece is axially displaceable against the action of a preloaded spring in a fixed contact carrier. When the contact arrangement is closed, free ends of the two arcing contacts are supported on one another to form a contact force generated by the preloaded spring.
  • the two arc contacts separate only after a predetermined stroke of the contact pieces from each other. This results in a compressed arc gas receiving arc zone, which is bounded by the free ends of the two arcing contacts axially and radially from the insulating nozzle to the outside.
  • a switch of the type mentioned is described in CH 519238 ,
  • This switch comprises a housing which is filled with an insulating gas having arc extinguishing properties and accommodates a contact arrangement comprising two contact pieces movable relative to each other along an axis, each having a rated current contact and an arc contact formed as a nozzle tube.
  • One of a drive movable first two contact pieces carries an insulating nozzle through which the arc contact of the second contact piece is guided when the switch is closed.
  • This arcing contact is designed as a follow-up contact and is loaded with a prestressed spring.
  • the follow-up contact is based on forming the formation of a sufficient contact force with its remote from the spring free end on the side facing away from the drive free end of the arcing contact of the first contact piece.
  • the object is to provide a switch of the type mentioned above, which requires only a small drive energy and yet characterized by a high reliability and a long service life.
  • gas-insulated high-voltage switch comprises a contact arrangement having two along an axis relative to each other movable contact pieces each having an arcing contact and a fixed to the first of both contact pieces insulating.
  • the arc contact of the second contact piece is mounted axially displaceable against the action of a preloaded spring in a fixed contact carrier, with the contact assembly closed free ends of the two arcing contacts to form a contact force generated by the prestressed spring supported each other and separate the two arcing contacts Opening the contact arrangement only after a predetermined stroke of the contact pieces from each other.
  • a resulting, compressed arc gas receiving arc zone is bounded by the free ends of the two arcing contacts axially and radially from the insulating nozzle to the outside.
  • the second contact piece has a restoring device which communicates with the arc zone, and generates the restoring force assisting the restoring force of the preloaded spring with increasing pressure of the arc gas generated in the arc zone.
  • the restoring force and the restoring force act in the same direction . Both forces therefore act as a harder spring, as if the preloaded spring had a larger spring constant.
  • the arc zone communicates with the return device, a portion of the arc gas, which is formed when separating the arcing contacts by the switching arc, out of the arc zone to the reset device. It is built up in the reset device by the pressure of incoming gas from the arc zone, a restoring force. This restoring force is directed against the direction of the arc contact out of the arc zone out. At the beginning of a turn-off operation, therefore, the distance of the two arcing contacts from each other remains relatively small and is thus prevented that build up a high arc voltage and from this voltage, a large energy conversion in the switching arc can result.
  • the return device supports the biasing force of the spring when switching off a large short-circuit current, the stiffness of the spring can be kept relatively small. When closing the switch so an undesirably strong contact bounce is avoided, which would occur when using a spring of high stiffness.
  • the return device is designed as a piston-cylinder system and contains a communicating with the arc zone pressure chamber when the pressure chamber of a first end face of a piston of the piston-cylinder system is limited, and when a remote from the pressure chamber second end face of the piston with the smaller diameter than the piston having arc contact of the second contact piece is rigidly connected.
  • the arcing contact of the second contact piece is guided by a wall section of the contact carrier which shields the second end side of the piston from the arc gas.
  • a compact design of the switch according to the invention is ensured if a pressure chamber radially outwardly bounding hollow cylinder of the piston-cylinder system is held on the wall portion of the contact support.
  • a piston rod to the pressure chamber axially delimiting the first end face, and to mold into the arc contact of the second contact piece, the piston and the piston rod, an axially guided through the pressure chamber exhaust passage, which connects the arc zone to an exhaust space of the switch.
  • This piston rod can be guided in an axially displaceable manner by a bottom of the hollow cylinder axially delimiting the pressure chamber.
  • the prestressed spring may be disposed in the pressure space and supported at one end on the first end face of the piston and at the opposite end on the cylinder bottom.
  • the arc zone is connected via an annular expansion space with the pressure chamber.
  • the hot arc gas formed in the arc zone initially expands adiabatically into this expansion space on its way to the pressure chamber. Here it cools down and enters the pressure chamber at a comparatively low temperature. This low temperature contributes to the fact that the generally arranged in the pressure chamber spring has no relaxation.
  • the wall of the expansion space may be formed radially outwardly from a serving as a longitudinal guide of the insulating, held on the contact sleeve and radially inwardly from the arcing contact of the second contact piece, and it can be the expansion space via an annular gap between the Isolierdüse and the arcing contact of the second Switching piece is arranged to be connected to the arc zone and communicate via at least one channel with the pressure chamber, wherein the channel is guided through the wall portion of the contact carrier and the hollow cylinder.
  • the single figure shows a plan view of a guided along an axis A section through a preferred embodiment of a high voltage switch according to the invention, which is shown in the left part of the axis located part of the figure when interrupting a high short-circuit current and the right part of the axis part in the on state ,
  • the high-voltage circuit breaker according to the invention shown in the sole figure is designed as a generator switch and is typically designed for a rated voltage of 24 kV, a rated current of 6.3 kA, a permissible short-circuit current of 63 kA and a nominal frequency of 50/60 hertz.
  • This switch has a housing 10, which with a
  • Arc extinguishing properties having insulating gas, based on about Sulfur hexafluoride and / or nitrogen and / or carbon dioxide, is filled by generally up to several bar pressure.
  • the upper part of the housing shown in the figure has a hollow cylindrical insulator 11 and two metal plates 12, 13 each serving as a power connection, between which the insulator is flanged gas-tight.
  • contact arrangement is provided which has two along an axis A relatively movable switching pieces 20 and 30.
  • the switching piece 20 is connected to a drive, not shown, and - as indicated by a double arrow D - when closing along the axis A upwards and when opening along the axis A out.
  • the contactor 20 has in axially symmetrical arrangement a tubular arcing contact 21 and a contact surrounding this contact with rated current contact 22, whereas the contact piece 30 in axially symmetrical arrangement also includes a tubular arc-shaped contact 31 and the arcing contact 31 at a distance surrounding rated current contact 32, an external and an inner ring of contact fingers and therefore favors the transmission of high rated currents.
  • the arcing contact 31 is slidably mounted relative to the rated current contact 32 along the axis A and is at the switch closed (right half of the figure) with its arcuate free end by means of a preloaded spring 33 to form a sufficient contact force on the likewise arc-free free end of the Arc contact 21 supported.
  • the switching piece 20 is a typically PTFE-containing insulating nozzle 40 is fixed, which is arranged between the arcing contact 21 and the rated current contact 22 and projects beyond the free ends.
  • the arc contact 21 and the rated current contact 22 are electrically conductively connected via a radially extending wall 23 and define, together with the wall 23 and the nozzle 40, a heating volume 24 which communicates with an arc zone L when the switch is opened (left half of the figure) a switching arc S receives and is bounded by the facing free ends of the two arcing contacts 21, 31 axially and the insulating nozzle 40 radially outward.
  • the heating volume 24 serves to receive compressed arc gas, which is formed when the switch is opened by the switching arc S in the arc zone and is supplied via a heating channel 25.
  • the switching piece 20 is guided gas-tight sliding and electrically conductive in a fixed, metal hollow cylinder 14 along the axis A.
  • the hollow cylinder is electrically conductively attached to the plate 12 serving as a power connection.
  • the hollow cylinder 14 and a central portion of the plate 12 form a fixed cylinder of a piston-cylinder compression device having a compression space 26.
  • insulating gas is compressed when opening the switch with the help of the then downwardly acting as a piston switching piece 20. If the gas pressure in the heating volume 24 is smaller than in the compression space 26, the compressed insulating gas is conducted from the compression space 26 into the heating volume 24.
  • the contact piece 30 has a contact carrier 50 in the form of a pot.
  • the contact carrier is attached to its acting as an edge of the pot end electrically conductive on the serving as a power connection metal plate 13.
  • a acting as the bottom of the pot wall portion 51 of the contact carrier 50 has a central opening 51 a and carries a disposed inside the pot, the central opening coaxially surrounding hollow cylinder 52.
  • In the wall portion 51 facing away from the end portion of the hollow cylinder 52 is a radially inward extended cylinder bottom 53 integrated, in which a central opening 53 a is formed.
  • the nominal current contact 32 and inside a sleeve 34 are electrically conductively attached in a coaxial arrangement outside.
  • the hollow cylinder 52 is part of a piston-cylinder system 60 which has a communicating with the arc zone L pressure chamber 61.
  • This pressure chamber is bounded in the axial direction by the cylinder bottom 53 and by an end face 62 a of a piston 62 guided in the hollow cylinder 52. In the radial direction, it is limited to the outside by the hollow cylinder 52 and inwardly by a piston rod 63 attached to the end face 62a.
  • the piston rod is guided through the opening 53 a in an exhaust space P of the switch, which communicates via openings, not shown, with the interior of the housing 10.
  • the Piston 62 is rigidly connected at its end face 62b remote from the pressure chamber 61 to the arcing contact 31 having a smaller diameter than the piston 62.
  • the arcing contact 31 is led out through the opening 51 a from the space enclosed by the hollow cylinder 52 space.
  • the wall portion 51 therefore shields the end face 62 b from arc gas which expands through the insulating nozzle 40.
  • the piston 62 and the piston rod 63 an axially guided through the pressure chamber 61, nozzle function exhibiting exhaust channel 35 is formed, which connects the arc zone L with the exhaust chamber P of the switch.
  • the prestressed spring 33 is arranged in the pressure chamber 61 and is supported on the cylinder bottom 53 with the formation of the contact force with its lower end on the end face 62a and with the opposite upper end.
  • the reference symbol E designates an expansion space whose wall is formed radially outward from the sleeve 34 and radially inward from the arcing contact 31.
  • the bottom of the expansion space is formed by the insulating nozzle 40 and the ceiling of the wall portion 51.
  • the expansion space E is connected to the arc zone L via an annular gap 41, which is bounded radially outward by the insulating nozzle 40 and radially inward by the arcing contact 31.
  • guided channels 54 connect the expansion space E with the pressure chamber 61st
  • the switch When the switch is closed, the current is conducted mainly from the terminal 12 via the hollow cylinder 14, a sliding contact, not shown, the rated current contacts 22, 32 and the contact carrier 50 to the terminal 13.
  • the drive D leads the contact piece 20 down.
  • the in the switch-on position (right half of the figure) supported on the arcing contact 21 arc contact 31 is in this case tracked by the biased contact spring 33 while maintaining the required contact force.
  • This contact force is also present after disconnecting the rated current contacts 22, 32 and after commutation of the current in a connecting wall 23, the arc contacts 21, 31, a sliding contact, not shown, and the wall portion 51 containing current path.
  • the two arc contacts 21, 31 separate and form between the mutually opposite free ends of the switching arc S.
  • the arc S generates hot, pressurized gas, which on the one hand via the heating channel 25th expands into the heating volume 24 and passes to the other via the exhaust passage 35 and a formed in the arc contact 21, nozzle function having exhaust passage 27 into the interior of the housing 10.
  • the gas stored in the heating volume 24 assisted by compressed insulating gas from the compression space 26, inflates the arc S, which leads to an interruption of the current.
  • This gas builds up a pressure in the pressure chamber 61, which acts on the piston 62 and thus also the contact 31 with a restoring force.
  • This restoring force is proportional to the pressure of the arc gas present in the arc zone L and supports the biasing force of the spring 33.
  • the flow cross section of the annular gap 41 is substantially smaller than the flow cross section of the expansion space E respectively. that of the flow channels 54. Therefore, the arc gas guided from the arc zone L into the pressure space 51 expands adiabatically into the expansion space after leaving the ring gap. As a result, the pressure and the temperature of the arc gas expanding into the expansion space E are reduced.
  • the spring 33 Because of the strong cooling of the arc gas in the expansion space E and because of the comparatively short residence time of the cooled arc gas in the pressure chamber 61, the spring 33 has no relaxation and can fulfill their after-running and contacting comprehensive functions easily. Since the piston-cylinder system 60 acting as a return device supports the biasing force of the spring 33 when switching off a large, in particular asymmetric, short-circuit currents, the stiffness of the spring can be kept relatively small. When the switch is closed, this avoids undesirably strong contact bounce that would occur when using a spring of high rigidity.

Landscapes

  • Circuit Breakers (AREA)
  • Arc-Extinguishing Devices That Are Switches (AREA)

Abstract

Der Hochspannungsschalter weist eine Kontaktanordnung mit zwei Lichtbogenkontakten (21, 31) auf, von denen der eine (31) entgegen der Wirkung einer vorgespannten Feder (33) verschiebbar gelagert ist. Bei geschlossener Kontaktanordnung sind die freien Enden der beiden Lichtbogenkontakte (21, 31) aufeinander abgestützt. Beim Öffnen der Kontaktanordnung trennen sich die beiden Lichtbogenkontakte erst nach einem vorbestimmten Schalthub. Eine hierbei entstehende, komprimiertes Lichtbogengas aufnehmende Lichtbogenzone (L) ist dann von freien Enden der beiden Lichtbogenkontakte (21, 31) axial und von einer Isolierdüse (40) radial nach aussen begrenzt. Um beim Unterbrechen eines grossem Kurzschlussstroms den Rücklauf des verschiebbar gelagerten Lichtbogenkontakts (21) entgegen der Wirkung der vorgespannten Feder (33) zu verhindern, weist der Schalter eine Rückstellvorrichtung (60) auf, die mit der Lichtbogenzone (L) kommuniziert und die mit zunehmendem Druck des in der Lichtbogenzone (L) entstehenden, komprimierten Lichtbogengases eine die rücktreibende Kraft der vorgespannten Feder (33) unterstützende Rückstellkraft erzeugt.

Description

    TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Hochspannungsschalter nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
  • Schalter der vorgenannten Art sind als Leistungsschalter ausgeführt und weisen im Spannungsbereich von mehr als einigen kV eine Nennstromtragfähigkeit von mindestens einigen kA auf. Im allgemeinen werden diese Schalter als Generatorschalter eingesetzt und enthalten daher eine mit hohen Nennströmen belastbare Kontaktanordnung mit zwei - jeweils einen Nennstrom- und einen Lichtbogenkontakt enthaltenden - Schaltstücken, von denen an einem ersten eine Isolierdüse befestigt ist. Der Lichtbogenkontakt des zweiten Schaltstücks ist entgegen der Wirkung einer vorgespannten Feder in einem feststehenden Kontaktträger axial verschiebbar gelagert. Bei geschlossener Kontaktanordnung sind freie Enden der beiden Lichtbogenkontakte unter Bildung einer von der vorgespannten Feder erzeugten Kontaktkraft aufeinander abgestützt. Beim Öffnen der Kontaktanordnung trennen sich die beiden Lichtbogenkontakte erst nach einem vorbestimmten Hub der Schaltstücke voneinander. Hierbei entsteht eine komprimiertes Lichtbogengas aufnehmende Lichtbogenzone, die von den freien Enden der beiden Lichtbogenkontakte axial und von der Isolierdüse radial nach aussen begrenzt ist.
    • STAND DER TECHNIK
  • Ein Schalter der eingangs genannten Art ist beschrieben in CH 519238 . Dieser Schalter weist ein Gehäuse auf, das mit einem Lichtbogenlöscheigenschaften aufweisenden Isoliergas gefüllt ist und eine Kontaktanordnung aufnimmt, die zwei längs einer Achse relativ zueinander bewegbare Schaltstücke mit jeweils einem Nennstromkontakt und einem als Düsenrohr ausgebildeten Lichtbogenkontakt aufweisen. Ein von einem Antrieb bewegbares erstes beider Schaltstücke trägt eine Isolierdüse, durch die bei geschlossenem Schalter der Lichtbogenkontakt des zweiten Schaltstücks geführt ist. Dieser Lichtbogenkontakt ist als Nachlaufkontakt ausgebildet und ist mit einer vorgespannten Feder belastet. Bei geschlossenem Schalter stützt sich der Nachlaufkontakt unter Bildung einer ausreichenden Kontaktkraft mit seinem von der Feder abgewandten freien Ende auf dem vom Antrieb abgewandten freien Ende des Lichtbogenkontakts des ersten Schaltstücks ab. Beim Ausschalten führt die vorgespannte Feder den Nachlaufkontakt über eine definierte Strecke dem ersten Schaltstück nach, wodurch der Hub des ersten Schaltstücks gering gehalten wird und zudem in der Anfangsphase des Ausschaltvorgangs Antriebsenergie gegenüber einem Schalter eingespart wird, bei dem sich beide Lichtbogenkontakte mit Reibschluss überlappen.
    • DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
  • Der Erfindung, wie sie in den Patentansprüchen angegeben ist, liegt die Aufgabe zugrunde, einen Schalter der eingangs genannten Art anzugeben, der lediglich eine geringe Antriebsenergie benötigt und sich dennoch durch eine grosse Zuverlässigkeit und eine hohe Lebensdauer auszeichnet.
  • Der in Patentanspruch 1 definierte gasisolierte Hochspannungsschalter nach der Erfindung enthält eine Kontaktanordnung, die zwei längs einer Achse relativ zueinander bewegbare Schaltstücke mit jeweils einem Lichtbogenkontakt und eine am ersten beider Schaltstücke befestigte Isolierdüse aufweist. Bei diesem Schalter ist der Lichtbogenkontakt des zweiten Schaltstücks entgegen der Wirkung einer vorgespannten Feder in einem feststehenden Kontaktträger axial verschiebbar gelagert, sind bei geschlossener Kontaktanordnung freie Enden der beiden Lichtbogenkontakte unter Bildung einer von der vorgespannten Feder erzeugten Kontaktkraft aufeinander abgestützt und trennen sich die beiden Lichtbogenkontakte beim Öffnen der Kontaktanordnung erst nach einem vorbestimmten Hub der Schaltstücke voneinander. Eine hierbei entstehende, komprimiertes Lichtbogengas aufnehmende Lichtbogenzone ist von den freien Enden der beiden Lichtbogenkontakte axial und von der Isolierdüse radial nach aussen begrenzt. Das zweite Schaltstück weist eine Rückstellvorrichtung auf, die mit der Lichtbogenzone kommuniziert und die mit zunehmendem Druck des in der Lichtbogenzone entstehenden, komprimierten Lichtbogengases eine_die rücktreibende Kraft der vorgespannten Feder unterstützende Rückstellkraft erzeugt. Die rücktreibende Kraft und die Rückstellkraft wirken in die gleiche Richtung. Beide Kräfte wirken daher wie eine härtere Feder, also als ob die vorgespannte Feder eine grössere Federkonstante hätte.
  • Dadurch, dass die Lichtbogenzone mit der Rückstellvorrichtung kommuniziert, wird ein Teil des Lichtbogengases, das beim Trennen der Lichtbogenkontakte durch den Schaltlichtbogen gebildet wird, aus der Lichtbogenzone zur Rückstellvorrichtung geführt. Es wird so in der Rückstellvorrichtung durch den Druck von einströmendem Gas aus der Lichtbogenzone eine Rückstellkraft aufgebaut. Diese Rückstellkraft ist entgegen der Laufrichtung des Lichtbogenkontakts aus der Lichtbogenzone heraus gerichtet. Zu Beginn eines Ausschaltvorgangs bleibt daher der Abstand der beiden Lichtbogenkontakte voneinander verhältnismässig klein und wird so verhindert, dass sich eine hohe Lichtbogenspannung aufbauen und aus dieser Spannung ein grosser Energieumsatz im Schaltlichtbogen resultieren kann. Beim Unterberechen eines grossen, insbesondere asymmetrischen, Kurzschlussstroms werden somit zu Beginn des Unterbrechungsvorgangs übermässiger Kontaktabbrand und starke Kontamination des Lichtbogengases infolge eines grossen Energieumsatzes im Schaltlichtbogen vermieden. Die Zuverlässigkeit und die Lebensdauer des Schalters sind daher gegenüber einem vergleichbaren Schalter nach dem Stand der Technik erheblich verbessert.
  • Da die Rückstellvorrichtung die Vorspannkraft der Feder beim Abschalten eines grossen Kurzschlussstroms unterstützt, kann die Steifigkeit der Feder relativ klein gehalten werden. Beim Schliessen des Schalters wird so ein unerwünscht starkes Kontaktprellen vermieden, das bei Verwendung einer Feder hoher Steifigkeit auftreten würde.
  • Abgesehen vom Lichtbogenkontakt des zweiten Schaltstücks werden im Schalter nach der Erfindung keine weiteren bewegten Teile benötigt, falls die Rückstellvorrichtung als Kolben-Zylinder-System ausgebildet ist und einen mit der Lichtbogenzone kommunizierenden Druckraum enthält, wenn der Druckraum von einer ersten Stirnseite eines Kolbens des Kolben-Zylinder-Systems begrenzt ist, und wenn eine vom Druckraum abgewandte zweite Stirnseite des Kolbens mit dem einen kleineren Durchmesser als der Kolben aufweisenden Lichtbogenkontakt des zweiten Schaltstücks starr verbunden ist.
  • Um das Eindringen von Lichtbogengas in ein vom Druckraum durch den Kolben getrenntes Volumen des Kolben-Zylinder-Systems zu verhindern, ist der Lichtbogenkontakt des zweiten Schaltstücks durch einen die zweite Stirnseite des Kolbens gegenüber dem Lichtbogengas abschirmenden Wandabschnitt des Kontaktträgers geführt.
  • Ein kompakter Aufbau des Schalters nach der Erfindung ist gewährleistet, wenn am Wandabschnitt des Kontaktträges ein den Druckraum radial nach aussen begrenzender Hohlzylinder des Kolben-Zylinder-Systems gehalten ist.
  • Um den Druckraum mit einfachen Mitteln radial nach innen zu begrenzen, ist es vorteilhaft, an der den Druckraum axial begrenzenden ersten Stirnseite eine Kolbenstange anzubringen, und in den Lichtbogenkontakt des zweiten Schaltstücks, den Kolben und die Kolbenstange einen axial durch den Druckraum geführten Auspuffkanal einzuformen, der die Lichtbogenzone mit einem Auspuffraum des Schalters verbindet. Diese Kolbenstange kann axial verschiebbar durch einen den Druckraum axial begrenzenden Boden des Hohlzylinders geführt sein.
  • Die vorgespannte Feder kann im Druckraum angeordnet und mit einem Ende auf der ersten Stirnseite des Kolbens und mit dem entgegensetzten Ende auf dem Zylinderboden abgestützt sein.
  • Mit Vorteil ist die Lichtbogenzone über einen ringförmig ausgebildeten Expansionsraum mit dem Druckraum verbunden. Das in der Lichtbogenzone gebildete heisse Lichtbogengas expandiert auf seinem Weg zum Druckraum zunächst adiabatisch in diesen Expansionsraum. Hierbei kühlt es sich ab und tritt mit einer vergleichsweise geringen Temperatur in den Druckraum ein. Diese geringe Temperatur trägt dazu bei, dass die im allgemeinen im Druckraum angeordnete Feder keine Relaxation aufweist.
  • Die Wand des Expansionsraums kann radial nach aussen von einer als Längsführung der Isolierdüse dienenden, am Kontaktträger gehaltenen Hülse und radial nach innen vom Lichtbogenkontakt des zweiten Schaltstücks gebildet sein, und es kann der Expansionsraum über einen Ringspalt, der zwischen der Isolierdüse und dem Lichtbogenkontakt des zweiten Schaltstücks angeordnet ist, mit der Lichtbogenzone verbunden sein und über mindestens einen Kanal mit dem Druckraum kommunizieren, wobei der Kanal durch den Wandabschnitt des Kontaktträgers und den Hohlzylinder geführt ist.
    • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
  • Anhand einer Zeichnung wird die Erfindung nachfolgend näher erläutert. Hierbei zeigt die einzige Figur eine Aufsicht auf einen längs einer Achse A geführten Schnitt durch eine bevorzugte Ausführungsform eines Hochspannungsschalters nach der Erfindung, der im links der Achse gelegenen Teil der Figur beim Unterbrechen eines hohen Kurzschlussstroms und im rechts der Achse gelegenen Teil im Einschaltzustand dargestellt ist.
  • Die in den Zeichnungen verwendeten Bezugszeichen und deren Bedeutung sind in der Bezugszeichenliste zusammengefasst aufgelistet. Grundsätzlich sind in den Figuren gleiche oder gleich wirkende Teile mit gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen versehen. Für das Verständnis der Erfindung nicht wesentliche Teile sind zum Teil nicht dargestellt. Das beschriebene Ausführungsbeispiel steht beispielhaft für den Erfindungsgegenstand und hat keine beschränkende Wirkung.
    • WEG ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
  • Der in der einzigen Figur dargestellte Hochspannungsschalters nach der Erfindung ist als Generatorschalter ausgebildet und ist typischerweise für eine Nennspannung von 24 kV, einen Nennstrom von 6,3 kA, einen zulässigen Kurzschlussstrom von 63 kA und eine Nennfrequenz von 50/60 Hertz ausgelegt.
  • Dieser Schalter weist ein Gehäuse 10 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. Der in der Figur dargestellte obere Teil des Gehäuse weist einen hohlzylindrischen Isolator 11 auf und zwei jeweils als Stromanschluss dienende Metallplatten 12, 13, zwischen denen der Isolator gasdicht eingeflanscht ist. Im Gehäuse 10 ist eine mit den Stromanschlüssen 12, 13 elektrisch leitend verbundene Kontaktanordnung vorgesehen, die zwei längs einer Achse A relativ zueinander bewegbare Schaltstücke 20 und 30 aufweist. Das Schaltstück 20 ist mit einem nicht dargestellten Antrieb verbunden und wird - wie durch einen Doppelpfeil D angegeben - beim Schliessen längs der Achse A nach oben und beim Öffnen längs der Achse A nach geführt.
  • Das Schaltstück 20 weist in axialsymmetrischer Anordnung einen rohrförmigen Lichtbogenkontakt 21 und einen diesen Kontakt mit Abstand umgebenden Nennstromkontakt 22 auf, wohingegen das Schaltstück 30 in axialsymmetrischer Anordnung einen ebenfalls rohrförmig ausgebildeten Lichtbogenkontakt 31 enthält und einen den Lichtbogenkontakt 31 mit Abstand umgebenden Nennstromkontakt 32, der einen äusseren und einen inneren Kranz von Kontaktfingern umfasst und daher die Übertragung hoher Nennströme begünstigt. Der Lichtbogenkontakt 31 ist gegenüber dem Nennstromkontakt 32 längs der Achse A verschiebbar gelagert und ist bei geschlossenem Schalter (rechte Hälfte der Figur) mit seinem lichtbogenfest ausgebildeten freien Ende mit Hilfe einer vorgespannten Feder 33 unter Bildung einer ausreichenden Kontaktkraft auf dem ebenfalls lichtbogenfest ausgebildeten freien Ende des Lichtbogenkontakts 21 abgestützt.
  • Beim Schaltstück 20 sind der Lichtbogenkontakt 21 und der Nennstromkontakt 22 über eine radial erstreckte Wand 23 elektrisch leitend verbunden. Am Schaltstück 20 ist eine typischerweise PTFE enthaltende Isolierdüse 40 befestigt, die zwischen dem Lichtbogenkontakt 21 und dem Nennstromkontakt 22 angeordnet ist und deren freien Enden überragt. Der Lichtbogenkontakt 21 und der Nennstromkontakt 22 sind über eine radial erstreckte Wand 23 elektrisch leitend verbunden und begrenzen zusammen mit der Wand 23 und der Düse 40 ein Heizvolumen 24, welches beim Öffnen des Schalters (linke Hälfte der Figur) mit einer Lichtbogenzone L kommuniziert, die einen Schaltlichtbogen S aufnimmt und die von den einander zugewandten freien Enden der beiden Lichtbogenkontakten 21, 31 axial und der Isolierdüse 40 radial nach aussen begrenzt ist. Das Heizvolumen 24 dient der Aufnahme von komprimiertem Lichtbogengas, welches beim Öffnen des Schalters durch den Schaltlichtbogen S in der Lichtbogenzone gebildet und über einen Heizkanal 25 zugeführt wird.
  • Das Schaltstück 20 ist längs der Achse A gasdicht gleitend und elektrisch leitend in einem feststehenden, metallenen Hohlzylinder 14 geführt. Der Hohlzylinder ist elektrisch leitend an der als Stromanschluss dienenden Platte 12 befestigt. Der Hohlzylinder 14 und ein zentraler Abschnitt der Platte 12 bilden einen feststehenden Zylinder einer Kolben-Zylinder-Kompressionsvorrichtung mit einem Kompressionsraum 26. Im Kompressionsraum 26 befindliches Isoliergas wird beim Öffnen des Schalters mit Hilfe des dann nach unten geführten, als Kolben wirkenden Schaltstücks 20 verdichtet. Falls der Gasdruck im Heizvolumen 24 kleiner als im Kompressionsraum 26 ist, wird das verdichtete Isoliergas aus dem Kompressionsraum 26 ins Heizvolumen 24 geführt.
  • Das Schaltstück 30 weist einen in Form eines Topfes ausgebildeten Kontaktträger 50 auf. Der Kontaktträger ist an seinem als Rand des Topfes wirkenden Ende elektrisch leitend an der als Stromanschluss dienenden Metallplatte 13 befestigt. Ein als Boden des Topfs wirkender Wandabschnitt 51 des Kontaktträgers 50 weist eine zentrale Öffnung 51 a auf und trägt einen im Inneren des Topfes angeordneten, die zentrale Öffnung koaxial umgebenden Hohlzylinder 52. In das vom Wandabschnitt 51 abgewandte Endteil des Hohlzylinders 52 ist ein radial nach innen erstreckter Zylinderboden 53 integriert, in den eine zentrale Öffnung 53a eingeformt ist. Im äusseren Randbereich des Wandabschnitts 51 sind in koaxialer Anordnung aussen der Nennstromkontakt 32 und innen eine Hülse 34 elektrisch leitend befestigt.
  • Der Hohlzylinder 52 ist Teil eines Kolben-Zylinder-Systems 60, das einen mit der Lichtbogenzone L kommunizierenden Druckraum 61 aufweist. Dieser Druckraum ist in axialer Richtung vom Zylinderboden 53 und von einer Stirnseite 62a eines im Hohlzylinder 52 geführten Kolbens 62 begrenzt. In radialer Richtung ist er nach aussen durch den Hohlzylinder 52 und nach innen durch eine an der Stirnseite 62a angebrachte Kolbenstange 63 begrenzt. Die Kolbenstange ist durch die Öffnung 53a in einen Auspuffraum P des Schalters geführt, der über nicht dargestellte Öffnungen mit dem Inneren des Gehäuses 10 kommuniziert. Der Kolben 62 ist an seiner vom Druckraum 61 abgewandten Stirnfläche 62b mit dem einen kleineren Durchmesser als der Kolben 62 aufweisenden Lichtbogenkontakt 31 starr verbunden. Der Lichtbogenkontakt 31 ist durch die Öffnung 51 a aus dem vom Hohlzylinder 52 umschlossenen Raum herausgeführt. Der Wandabschnitt 51 schirmt daher die Stirnseite 62b gegenüber Lichtbogengas ab, das durch die Isolierdüse 40 expandiert. In den Lichtbogenkontakt 31, den Kolben 62 und die Kolbenstange 63 ist ein axial durch den Druckraum 61 geführter, Düsenfunktion aufweisender Auspuffkanal 35 eingeformt, der die Lichtbogenzone L mit dem Auspuffraum P des Schalters verbindet.
  • Die vorgespannte Feder 33 ist im Druckraum 61 angeordnet und ist unter Bildung der Kontaktkraft mit ihrem unteren Ende auf der Stirnfläche 62a und mit dem entgegensetzten oberen Ende auf dem Zylinderboden 53 abgestützt.
  • Mit dem Bezugszeichen E ist ein Expansionsraum bezeichnet, dessen Wand radial nach aussen von der Hülse 34 und radial nach innen vom Lichtbogenkontakt 31 gebildet ist. Der Boden des Expansionsraums wird von der Isolierdüse 40 und die Decke vom Wandabschnitt 51 gebildet. Der Expansionsraum E ist über einen Ringspalt 41, der radial nach aussen von der Isolierdüse 40 und radial nach innen vom Lichtbogenkontakt 31 begrenzt ist, mit der Lichtbogenzone L verbunden. Im Wandabschnitt 51 des Kontaktträgers 50 und im Hohlzylinder 52 geführte Kanäle 54 verbinden den Expansionsraum E mit dem Druckraum 61.
  • Bei geschlossenem Schalter wird der Strom vorwiegend vom Anschluss 12 über den Hohlzylinder 14, einen nicht dargestellten Gleitkontakt, die Nennstromkontakte 22, 32 und den Kontaktträger 50 zum Anschluss 13 geführt. Beim Abschalten eines Kurzschlussstroms führt der Antrieb D das Schaltstück 20 nach unten. Der in der Einschaltposition (rechte Hälfte der Figur) auf dem Lichtbogenkontakt 21 abgestützte Lichtbogenkontakt 31 wird hierbei durch die vorgespannte Kontaktfeder 33 unter Aufrechterhaltung der erforderlichen Kontaktkraft nachgeführt. Diese Kontaktkraft ist auch noch nach Trennen der Nennstromkontakte 22, 32 und nach Kommutieren des Stroms in einen die Verbindungswand 23, die Lichtbogenkontakte 21, 31, einen nicht dargestellten Gleitkontakt und den Wandabschnitt 51 enthaltenden Strompfad vorhanden. Sobald die Stirnfläche 62b des Kolbens am Wandabschnitt 51 anschlägt, trennen sich die beiden Lichtbogenkontakte 21, 31 und bildet sich zwischen deren einander gegenüberstehenden freien Enden der Schaltlichtbogen S. Der Lichtbogen S erzeugt heisses, unter Druck stehendes Gas, welches zum einen über den Heizkanal 25 ins Heizvolumen 24 expandiert und zum anderen über den Auspuffkanal 35 und einen in den Lichtbogenkontakt 21 eingeformten, Düsenfunktion aufweisenden Auspuffkanal 27 ins Innere des Gehäuses 10 gelangt. Bei Annäherung an einen Nulldurchgang des abzuschaltenden Stroms bebläst das im Heizvolumen 24 gespeicherte Gas, unterstützt durch komprimiertes Isoliergas aus dem Kompressionsraum 26, den Lichtbogen S, was zu einer Unterbrechung des Stroms führt.
  • Beim Abschalten eines grossen, typischerweise asymmetrischen, Kurzschlussstroms tritt in der Lichtbogenzone L ein besonders hoher Gasdruck auf, der den Lichtbogenkontakt 31 mit einer entgegen der vorgespannten Feder 33 wirkenden Kraft beaufschlagt. Zugleich stossen sich die beiden Lichtbogenkontakte 21, 31 infolge starker elektrodynamischer Kräfte ab. Auf die vorgespannte Feder 33 wirkt daher beim Abschalten eines solchen Kurzschlussstroms eine erhebliche Gegenkraft. Um zu verhindern, dass der Kontakt 31 beim Unterbrechen eines asymmetrischen Kurzschlussstroms entgegen der Bewegung des Schaltstücks 20 und entgegen der Kraft der Feder 33 nach oben zurückgeführt wird, wird ein Teil des Lichtbogengases aus der Lichtbogenzone über den Ringspalt 41, den Expansionsraum E und die Kanäle 54 in den Druckraum 61 geführt. Dieses Gas baut im Druckraum 61 einen Druck auf, der den Kolben 62 und damit auch den Kontakt 31 mit einer Rückstellkraft beaufschlagt. Diese Rückstellkraft ist dem Druck des in der Lichtbogenzone L vorhandenen Lichtbogengases proportional und unterstützt die Vorspannkraft der Feder 33. Es werden so zu Beginn der Stromunterbrechung ein unerwünscht grosser Abstand der beiden Lichtbogenkontakte 21 und 31 und dementsprechend eine hohe Lichtbogenspannung vermieden. Eine hohe Lichtbogenspannung erhöht nämlich die im Schaltlichtbogen S umgesetzte Energie ganz wesentlich und führt bereits zu Beginn des Unterbrechungsvorgangs zu übermässigem Kontaktabbrand und starker Gaskontamination, wodurch die Zuverlässigkeit und die Lebensdauer des Schalters drastisch reduziert werden.
  • Der Strömungsquerschnitt des Ringspalts 41 ist wesentlich kleiner als der Strömungsquerschnitt des Expansionsraums E resp. derjenige der Strömungskanäle 54. Daher expandiert das aus der Lichtbogenzone L in den Druckraum 51 geführte Lichtbogengas nach Austritt aus dem Ringspalt adiabatisch in den Expansionsraum. Hierdurch werden der Druck und die Temperatur des in den Expansionsraum E expandierenden Lichtbogengases reduziert. Da der Expansionsraum wegen der auf der Mantelfläche der Isolierdüse 40 gleitenden Hülse 34 und des die zentrale Öffnung 51a schliessenden Lichtbogenkontakts 31 eine ausreichende Gasdichtigkeit aufweist, strömt der überwiegende Teil des abgekühlten Lichtbogengases aus dem Expansionsraum E über die Kanäle 54 in den Druckraum 61. Obwohl der Druck des in diesen Raum geführten Gases erheblich kleiner ist als der Druck des Lichtbogengases in der Lichtbogenzone L, reicht dieser Druck dennoch aus, um den Rücklauf des Lichtbogenkontakts 31 zu verhindern. Dies wird dadurch erreicht, dass die den Rücklauf verhindernde Rückstellkraft durch eine im Druckraum 61 wirksame Kolbenfläche F1 erreicht wird, die ersichtlich um ein Mehrfaches grösser ist eine im Lichtbogenraum L entgegengesetzt mit Druck beaufschlagte Kolbenfläche F2, die vom offenen, einen Fusspunkt des Schaltlichtbogens tragenden Ende des Lichtbogenkontakts 31 gebildet wird.
  • Wegen der starken Abkühlung des Lichtbogengases im Expansionsraum E und wegen der vergleichsweise kurzen Verweilzeit des abgekühlten Lichtbogengases im Druckraum 61 weist die Feder 33 keine Relaxation auf und kann ihre das Nachlaufen und das Kontaktieren umfassenden Funktionen problemlos erfüllen. Da das als Rückstellvorrichtung wirkende Kolben-Zylinder-System 60 die Vorspannkraft der Feder 33 beim Abschalten eines grossen, insbesondere asymmetrischen, Kurzschlussströmen unterstützt, kann die Steifigkeit der Feder relativ klein gehalten werden. Beim Schliessen des Schalters wird so ein unerwünscht starkes Kontaktprellen vermieden, das bei der Verwendung einer Feder hoher Steifigkeit auftreten würde.
    • BEZUGSZEICHENLISTE
    • 10
    Gehäuse
    11
    Isolator
    12, 13
    Metallplatten, Stromanschlüsse
    14
    Hohlzylinder
    20
    Schaltstück
    21
    Lichtbogenkontakt
    22
    Nennstromkontakt
    23
    Verbindungswand
    24
    Heizvolumen
    25
    Heizkanal
    26
    Kompressionsraum
    27
    Auspuffkanal
    30
    Schaltstück
    31
    Lichtbogenkontakt
    32
    Nennstromkontakt
    33
    Kontaktfeder
    34
    Hülse
    35
    Auspuffkanal
    40
    Isolierdüse
    41
    Ringspalt
    50
    Kontaktträger
    51
    Wandabschnitt des Kontaktträgers
    51 a
    Öffnung im Wandabschnitt
    52
    Hohlzylinder
    53
    Zylinderboden
    53a
    Öffnung im Zylinderboden
    54
    Kanäle
    60
    Kolben-Zylinder-System, Rückstellvorrichtung
    61
    Druckraum
    62
    Kolben
    62a, 62b
    Stirnseiten des Kolbens 62
    63
    Kolbenstange
    A
    Achse
    D
    Antrieb
    E
    Expansionsraum
    F1, F2
    druckbeaufschlagte Kolbenflächen
    L
    Lichtbogenzone
    P
    Auspuffraum
    S
    Schaltlichtbogen

Claims (9)

  1. Gasisolierter Hochspannungsschalter mit einer Kontaktanordnung, die zwei längs einer Achse (A) relativ zueinander bewegbare Schaltstücke (20, 30) mit jeweils einem Lichtbogenkontakt (21, 31) und eine am ersten (20) beider Schaltstücke befestigte Isolierdüse (40) aufweist, bei dem der Lichtbogenkontakt (31) des zweiten Schaltstücks (30) entgegen der Wirkung einer vorgespannten Feder (33) in einem feststehenden Kontaktträger (50) axial verschiebbar gelagert ist, bei dem bei geschlossener Kontaktanordnung freie Enden der beiden Lichtbogenkontakte (21, 31) unter Bildung einer von der vorgespannten Feder (33) erzeugten Kontaktkraft aufeinander abgestützt sind, und bei dem sich die beiden Lichtbogenkontakte (21, 31) beim Öffnen der Kontaktanordnung erst nach einem vorbestimmtem Hub der Schaltstücke (20, 30) voneinander trennen und hierbei eine komprimiertes Lichtbogengas aufnehmende Lichtbogenzone (L) entsteht, die von den freien Enden der beiden Lichtbogenkontakte (21, 31) axial und von der Isolierdüse (40) radial nach aussen begrenzt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Schaltstück (30) eine Rückstellvorrichtung (60) aufweist, die mit der Lichtbogenzone (L) kommuniziert und die mit zunehmendem Druck des in der Lichtbogenzone entstehenden, komprimierten Lichtbogengases eine die rücktreibende Kraft der vorgespannten Feder (33) unterstützende Rückstellkraft erzeugt.
  2. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückstellvorrichtung als Kolben-Zylinder-System (60) ausgebildet ist und einen mit der Lichtbogenzone (L) kommunizierenden Druckraum (61) enthält, dass der Druckraum (61) von einer ersten Stirnseite (62a) eines Kolbens (62) des Kolben-Zylinder-Systems (60) begrenzt ist, und dass eine vom Druckraum (61) abgewandte zweite Stirnseite (62b) des Kolbens (62) mit dem einen kleineren Durchmesser als der Kolben aufweisenden Lichtbogenkontakt (31) des zweiten Schaltstücks (30) starr verbunden ist.
  3. Schalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtbogenkontakt (31) des zweiten Schaltstücks (30) durch einen die zweite Stirnseite (62b) des Kolbens (62) gegenüber dem Lichtbogengas abschirmenden Wandabschnitt (51) des Kontaktträgers (50) geführt ist.
  4. Schalter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass am Wandabschnitt (51) des Kontaktträges (50) ein den Druckraum (61) radial nach aussen begrenzender Hohlzylinder (52) des Kolben-Zylinder-Systems (60) gehalten ist.
  5. Schalter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass an der den Druckraum (61) axial begrenzenden ersten Stirnseite (62a) eine den Druckraum radial nach innen begrenzende Kolbenstange (63) angebracht ist, und dass in den Lichtbogenkontakt (31) des zweiten Schaltstücks, den Kolben (62) und die Kolbenstange (63) ein axial durch den Druckraum (61) geführter Auspuffkanal (35) eingeformt ist, der die Lichtbogenzone (L) mit einem Auspuffraum (P) des Schalters verbindet.
  6. Schalter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenstange (63) axial verschiebbar durch einen den Druckraum (61) axial begrenzenden Boden (53) des Hohlzylinders (52) geführt ist.
  7. Schalter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgespannte Feder (33) im Druckraum (61) angeordnet und mit einem Ende auf der ersten Stirnseite (62a) und mit dem entgegensetzten Ende auf dem Zylinderboden (53) abgestützt ist.
  8. Schalter nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtbogenzone (L) über einen ringförmig ausgebildeten Expansionsraum (E) mit dem Druckraum (61) verbunden ist.
  9. Schalter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Wand des Expansionsraums (E) radial nach aussen von einer als Längsführung der Isolierdüse (40) dienenden, am Kontaktträger (50) gehaltenen Hülse (34) und radial nach innen vom Lichtbogenkontakt (31) des zweiten Schaltstücks gebildet ist, und dass der Expansionsraum (E) über einen Ringspalt (41), der zwischen der Isolierdüse (40) und dem Lichtbogenkontakt (31) des zweiten Schaltstücks (30) angeordnet ist, mit der Lichtbogenzone (L) verbunden ist und mit dem Druckraum (61) über mindestens einen Kanal (54) kommuniziert, der durch den Wandabschnitt (53) des Kontaktträgers (50) und den Hohlzylinder (52) geführt ist.
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