EP2387057A1

EP2387057A1 - Gas-isolated high voltage switch

Info

Publication number: EP2387057A1
Application number: EP10162647A
Authority: EP
Inventors: Javier Mantilla; Nicola Gariboldi; Stephan Grob; Oliver Cossalter; Mathias-Dominic Buergler
Original assignee: ABB Technology AG
Current assignee: ABB Technology AG
Priority date: 2010-05-12
Filing date: 2010-05-12
Publication date: 2011-11-16
Anticipated expiration: 2030-05-12
Also published as: US8766131B2; JP2011238617A; CN102280306B; US20110278263A1; CN102280306A; EP2387057B1; JP5174210B2

Abstract

The switch has a contact arrangement comprising switching parts (20, 30) movable relative to each other along an axis (A), and an insulating nozzle (40) attached to one of the switching parts. The parts have arcing contacts (21, 31) separated from each other during opening of the arrangement. One of the parts has a piston-cylinder system formed as a resetting device (60), communicating with an arcing zone (L) and generating resetting force by increasing pressure of arcing gas that is compressed in the arcing zone, where the resetting force assists restoring force of a prestressed spring (33).

Description

TECHNICAL AREA

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Hochspannungsschalter nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.The present invention relates to a high voltage switch according to the preamble of claim 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.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. In general, 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. When opening the contact arrangement, 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.

STATE OF THE ART

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.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. When the switch is closed, 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. When switching off the preloaded spring leads the follower contact over a defined distance to the first contact piece, whereby the stroke of the first contact piece is kept low and also in the initial phase of the shutdown drive energy compared to a switch is saved, in which overlap both arcing contacts with frictional engagement.

PRESENTATION OF THE INVENTION

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.The invention, as indicated in the claims, 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.

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.The defined in claim 1 gas-insulated high-voltage switch according to the invention 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. In this switch, 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.

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.Characterized in that 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. When undermining a large, in particular asymmetrical, short-circuit current, excessive contact erosion and strong contamination of the arc gas due to a large energy conversion in the switching arc are avoided at the beginning of the interruption process. The reliability and life of the switch are therefore significantly improved over a comparable prior art switch.

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.Since 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.

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.Apart from the arc contact of the second contact piece no further moving parts are required in the switch according to the invention, if 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.

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.In order to prevent the penetration of arc gas into a volume of the piston-cylinder system separated from the pressure chamber by the piston, 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.

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.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.

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.In order to limit the pressure chamber radially inwardly by simple means, it is advantageous to attach 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.

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.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.

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.Advantageously, 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.

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.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.

BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWING

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.Reference to a drawing, the invention will be explained in more detail below. Here, 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 ,

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.The reference numerals used in the drawings and their meaning are listed in the list of reference numerals. Basically, the same or similar parts are provided with the same or similar reference numerals in the figures. For the understanding of the invention non-essential parts are not shown in part. The described embodiment is exemplary of the subject invention and has no limiting effect.

WAY FOR CARRYING OUT THE INVENTION

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.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.

Dieser Schalter weist ein Gehäuse 10 auf, das mit einemThis switch has a housing 10, which with a

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.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. In the housing 10 a to the power terminals 12, 13 is electrically connected 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.

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.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.

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.When switching piece 20 of the arcing contact 21 and the rated current contact 22 via a radially extending wall 23 are electrically connected. 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.

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.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. In the compression chamber 26 befindliches 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.

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.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. In the outer edge region of the wall portion 51, the nominal current contact 32 and inside a sleeve 34 are electrically conductively attached in a coaxial arrangement outside.

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.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. In the arcing contact 31, 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.

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.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.

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.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. In the wall portion 51 of the contact carrier 50 and in the hollow cylinder 52 guided channels 54 connect the expansion space E with the pressure chamber 61st

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.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. When switching off a short-circuit current, 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. As soon as the end face 62b of the piston abuts against the wall section 51, 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. When approaching a zero crossing of the current to be disconnected, 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.

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.When switching off a large, typically asymmetric, short-circuit current occurs in the arc zone L, a particularly high gas pressure, which acts on the arcing contact 31 with a counter to the biased spring 33 acting force. At the same time, the two arc contacts 21, 31 repel due to strong electrodynamic forces. On the prestressed spring 33, therefore, a significant counterforce acts when switching off such a short-circuit current. In order to prevent the contact 31 from being returned upward upon interruption of an asymmetric short-circuit current against the movement of the contact piece 20 and against the force of the spring 33, a portion of the arc gas from the arc zone will pass through the annular gap 41, the expansion space E and the channels 54 guided in the pressure chamber 61. 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. Thus, at the beginning of the power interruption, an undesirably large distance between the two arcing contacts 21 and 31 and, accordingly, a high arc voltage are avoided. Namely, a high arc voltage substantially increases the energy converted in the switching arc S and leads to excessive contact erosion and gas contamination even at the beginning of the interrupting operation, thereby drastically reducing the reliability and life of the switch.

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.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. Since the expansion space has sufficient gas tightness due to the sleeve 34 sliding on the jacket surface of the insulating nozzle 40 and the arc contact 31 closing the central aperture 51a, the major part of the cooled arc gas flows out of the expansion space E via the channels 54 into the pressure chamber 61 Pressure of the guided gas in this space is considerably smaller than the pressure of the arc gas in the arc zone L, this pressure is still sufficient to prevent the return of the arcing contact 31. This is achieved in that the return-preventing restoring force is achieved by an effective in the pressure chamber 61 piston surface F ₁ , which is seen to be several times greater in the arc space L opposite pressurized piston surface F ₂ , the open, a base point of the switching arc supporting end of the arcing contact 31 is formed.

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.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.

LIST OF REFERENCE NUMBERS

1010: Gehäusecasing
1111: Isolatorinsulator
12, 1312, 13: Metallplatten, StromanschlüsseMetal plates, power connections
1414: Hohlzylinderhollow cylinder
2020: Schaltstückswitching piece
2121: LichtbogenkontaktArcing contact
2222: NennstromkontaktCurrent Rating Contact
2323: Verbindungswandconnecting wall
2424: Heizvolumenheating volume
2525: Heizkanalheating duct
2626: Kompressionsraumcompression chamber
2727: Auspuffkanalexhaust port
3030: Schaltstückswitching piece
3131: LichtbogenkontaktArcing contact
3232: NennstromkontaktCurrent Rating Contact
3333: Kontaktfedercontact spring
3434: Hülseshell
3535: Auspuffkanalexhaust port
4040: Isolierdüseinsulating
4141: Ringspaltannular gap
5050: Kontaktträgercontact support
5151: Wandabschnitt des KontaktträgersWall section of the contact carrier
51 a51 a: Öffnung im WandabschnittOpening in the wall section
5252: Hohlzylinderhollow cylinder
5353: Zylinderbodencylinder base
53a53a: Öffnung im ZylinderbodenOpening in the cylinder bottom
5454: Kanälechannels
6060: Kolben-Zylinder-System, RückstellvorrichtungPiston-cylinder system, reset device
6161: Druckraumpressure chamber
6262: Kolbenpiston
62a, 62b62a, 62b: Stirnseiten des Kolbens 62End faces of the piston 62nd
6363: Kolbenstangepiston rod
AA: Achseaxis
DD: Antriebdrive
Ee: Expansionsraumexpansion space
F₁, F₂ F ₁ , F ₂: druckbeaufschlagte KolbenflächenPressurized piston surfaces
LL: LichtbogenzoneArc zone
PP: Auspuffraumexhaust space
SS: SchaltlichtbogenSwitching arc

Claims

A gas-insulated high-voltage switch having a contact arrangement comprising two contact pieces (20, 30), each movable relative to each other along an axis (A), each having an arcing contact (21, 31) and an insulating nozzle (40) secured to the first (20) of both contacts the arc contact (31) of the second contact piece (30) against the action of a prestressed spring (33) in a fixed contact carrier (50) is mounted axially displaceable, wherein in the closed contact arrangement free ends of the two arcing contacts (21, 31) to form a the contact force generated by the preloaded spring (33) are supported on each other, and in which the two arcing contacts (21, 31) when opening the contact arrangement only after a predetermined stroke of the contact pieces (20, 30) from each other and thereby a compressed arc gas receiving arc zone (L) is formed by the free ends of the two arcing contacts (21, 31) axially un d) is bounded radially outwards by the insulating nozzle (40), characterized in that the second contact piece (30) has a restoring device (60) which communicates with the arc zone (L) and which compresses as the pressure in the arc zone increases Arc gas generates a restoring force supporting the restoring force of the prestressed spring (33).

Switch according to Claim 1, characterized in that the return device is designed as a piston-cylinder system (60) and contains a pressure chamber (61) which communicates with the arc zone (L), that the pressure chamber (61) from a first end face (62a). a piston (62) of the piston-cylinder system (60) is limited, and in that a from the pressure chamber (61) facing away from the second end face (62b) of the piston (62) with the smaller diameter than the piston having arcing contact (31) of the second contact piece (30) is rigidly connected.

Switch according to claim 2, characterized in that the arcing contact (31) of the second contact piece (30) is guided by a second end face (62b) of the piston (62) against the arc gas shielding wall portion (51) of the contact carrier (50).

A switch according to claim 3, characterized in that the wall portion (51) of the contact support (50) is a the pressure chamber (61) radially outwardly bounding hollow cylinder (52) of the piston-cylinder system (60) is held.

Switch according to claim 4, characterized in that on the pressure chamber (61) axially delimiting the first end face (62a) is a pressure chamber radially inwardly bounding piston rod (63) is mounted, and in that the arc contact (31) of the second contact piece, the Piston (62) and the piston rod (63) an axially through the pressure chamber (61) guided exhaust channel (35) is formed, which connects the arc zone (L) with an exhaust space (P) of the switch.

Switch according to claim 5, characterized in that the piston rod (63) axially displaceable by a pressure chamber (61) axially bounding bottom (53) of the hollow cylinder (52) is guided.

Switch according to Claim 6, characterized in that the prestressed spring (33) is arranged in the pressure chamber (61) and is supported on the cylinder bottom (53) with one end on the first end face (62a) and with the opposite end.

Switch according to one of claims 3 to 7, characterized in that the arc zone (L) via an annular expansion space (E) with the pressure chamber (61) is connected.

Switch according to claim 8, characterized in that the wall of the expansion space (E) radially outwardly of a longitudinal guide of the Isolierdüse (40) serving, on the contact carrier (50) held sleeve (34) and radially inwardly from the arcing contact (31) of second switching piece is formed, and that the expansion space (E) via an annular gap (41) which is arranged between the insulating nozzle (40) and the arcing contact (31) of the second contact piece (30) is connected to the arc zone (L) and with the pressure chamber (61) via at least one channel (54) communicates, which is guided through the wall portion (53) of the contact carrier (50) and the hollow cylinder (52).