EP2686859B1

EP2686859B1 - Gasisolierter hochspannungs-leistungsschalter

Info

Publication number: EP2686859B1
Application number: EP11708497.0A
Authority: EP
Inventors: Timo Kehr; Olaf Hunger; Jürg Nufer; Daniel Ohlsson; Navid Mahdizadeh; Javier Mantilla; Stephan Grob; Mathias-Dominic Buergler; Nicola Gariboldi
Original assignee: ABB Technology AG
Current assignee: ABB Technology AG
Priority date: 2011-03-17
Filing date: 2011-03-17
Publication date: 2014-11-26
Anticipated expiration: 2031-03-17
Also published as: CN103443894B; US8822868B2; WO2012123032A1; MX2013010202A; BR112013023368A2; EP2686859A1; CN103443894A; US20140014623A1; KR20140023318A

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Hochspannungstechnik und betrifft einen im Spannungsbereich zwischen mehrere kV und mehreren hundert kV einsetzbaren, gasisolierten Hochspannungs-Leistungsschalter nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.

Stand der Technik

Ein derartiger Schalter, auch Druckgasschalter genannt, kommt insbesondere in Energieverteilungsnetzen zum Einsatz. Er ist derart konzipiert, dass im Falle einer Trennung der Kontakte bzw. im Kurzschlussfall ein Schaltlichtbogen mit Gas beblasen und dadurch schnellstmöglich gelöscht wird. Das meistverwendete Gas für diesen Zweck ist SF₆ (Schwefelhexafluorid).
Ein Schalter der eingangsgenannten Art ist in DE 4211159 A1 und US 5589673 A beschrieben. Bei diesem Schalter ist eine Druckkammer, in der der Lichtbogen entsteht, ventilgesteuert mit einem Kompressionsraum verbunden ist. Der Kompressionsraum ist über ein Überdruckventil und ein Nachfüllventil mit einem Niederdruckraum verbunden. Die Ventile sind ringförmig und aneinanderliegend mit einer Überlappungszone angeordnet. Das Überdruckventil wird niederdruckraumseitig von einer Feder in Richtung des Kompressionsvolumens gegen eine Ventilhalterung gedrückt. Gas kann also erst dann aus dem Kompressionsvolumen in den Niederdruckraum strömen, wenn sein Druck grösser als die Federkraft ist. Diese Bauweise ist jedoch relativ kompliziert und erfordert viele Elemente.
Ein Schalter der eingangs genannte Art ist auch in der älteren europäischen Anmeldung 09170549.1 beschrieben, deren Veröffentlichung am 23.03.2011 mit der Veröffentlichungsnummer EP 2 299 464 A1 vorgesehen ist.
Ferner beschreibt EP 2270828 A1 einen als Selbstblasschalter ausgeführten Hochspannungs-Leistungsschalter, bei dem zwischen zwei Volumina seiner Löschkammer ein Rückschlagventil angeordnet ist. Dieses Ventil weist mindestens ein metallenes, flexibles Plättchen auf, welches zwischen einem Ventilsitz und einem Anschlag des Ventils innerhalb seiner elastischen Verformbarkeit bewegbar ist. Das Ventil ist so ausgebildet, dass es beim Öffnen des Schalters die Zufuhr von komprimiertem, kühlem Gas aus einem Kompressionsvolumen in ein der Wirkung von Lichtbogengasen ausgesetztes Heizvolumen ermöglicht, jedoch verhindert, dass heisse Lichtbogengase aus dem Heizvolumen ins Kompressionsvolumen strömen. Daher wird für das mindestens eine Plättchen ein Material eingesetzt, das Temperaturen bis 2500°C standhalten kann.
Zu verweisen ist auch auf EP 1939910 A1 . Dieses Dokument offenbart einen Druckgasschalter mit mehreren, relativ zueinander beweglichen Kontakten. Um einen ersten Kontakt ist ein Blasvolumen angeordnet, welches über einen Blaskanal mit einer Lichtbogenzone verbunden ist. Das Blasvolumen ist durch ein Trennelement von einem Niederdruckraum getrennt. In dem Trennelement ist eine Durchströmöffnung vorgesehen, welche zum Gasaustausch zwischen dem Blasvolumen und dem Niederdruckraum dient.

Darstellung der Erfindung

Durch die vorliegende Erfindung soll die Bauweise des gasisolierten Hochspannungs-Leistungsschalters der eingangs genannten Art vereinfacht und die Anzahl erforderlicher Bauteile reduziert werden.
Der gasisolierte Schalter nach der Erfindung enthält eine von einem Antrieb des Schalters betätigte Kompressionsvorrichtung mit einem mit Isoliergas gefülltes Kompressionsvolumen, in dem das Isoliergas beim Öffnen des Schalters zu Löschgas verdichtet wird, ein mit Isoliergas gefülltes Niederdruckvolumen, und ein das Kompressions- und das Niederdruckvolumen miteinander verbindendes Ventil, durch welches beim Schliessen des Schalters Isoliergas aus dem Niederdruckvolumen in das Kompressionsvolumen strömt, und durch welches beim Öffnen des Schalters oberhalb eines Schwellwerts des Löschgasdrucks Isoliergas aus dem Kompressionsvolumen im umgekehrter Richtung ins Niederdruckvolumen strömt, wobei das Ventil folgende Elemente aufweist:

einen durch die Wand des Kompressionsraums geführten Ventilkörper mit einem das Kompressions- und das Niederdruckvolumen verbindenden Gasdurchlass und einem den Gasdurchlass umfassenden Ventilsitz,
eine vom Isoliergas betätigte, verschiebbar im Ventilkörper gelagerte Ventilplatte, welche beim Öffnen des Schalters auf dem Ventilsitz aufsitzt, sowie
einen in den Ventilkörper integrierten Anschlag, der die Bewegung der Ventilplatte beim Schliessen des Schalters begrenzt.

Die Ventilplatte weist mindestens ein Loch und mindestens eine einseitig gehaltene, in Abhängigkeit vom Druck des Isoliergases im Kompressionsvolumen elastisch verbiegbare Blattfeder auf, welche beim Schliessen des Schalters das Loch verschliesst und beim Öffnen des Schalters das Loch freigibt und einen durch das Loch geführten Strömungskanal für das aus dem Kompressionsvolumen austretende Isoliergas begrenzt, sobald der Druck des verdichteten Isoliergases im Kompressionsvolumen den Wert des Gasdrucks im Niederdruckraum um mindestens zwei bar übertrifft.
Verglichen mit dem nächstliegenden Stand der Technik, bei dem das zwischen Kompressionsvolumen und Niederdruckvolumen angeordnete Ventil zwei ringförmige, sich überlappende Ventilplatten und eine Ventilfeder aufweist, benötigt das Ventil beim erfindungsgemässen Schalter lediglich eine einzige Ventilplatte. Gegenüber dem Stand der Technik werden daher eine Ventilplatte und eine Feder eingespart. Da anstelle zweier sich überlappender Ventilplatten und einer zu justierenden Feder nunmehr lediglich eine einzige Ventilplatte in das Ventil einzubauen ist, kann der erfindungsgemässe Schalter wesentlich leichter gefertigt und gewartet werden. Da diese einzige Ventilplatte mindestens ein Loch und eine das Loch normalerweise verschliessende Blattfeder aufweist, die erst oberhalb eines Überdrucks von zwei bar infolge elastischer Verbiegung das Loch öffnet und dabei das Kompressionsvolumen mit dem Niederdruckvolumen verbindet, wird mit dieser einzigen Ventilplatte nicht nur das gezielte Befüllen des Kompressionsvolumens mit frischem Isoliergas während des Schliessens des Schalters erreicht, sondern wird beim Öffnen des Schalters zugleich ein mehr als zwei bar betragender Überdruck im Kompressionsvolumen wirksam begrenzt. Die Blattfeder weist eine relativ hohe Federkonstante und dementsprechend auch eine starke Rückstellkraft auf. Daher ist es nicht erforderlich, den Weg der Blattfeder selbst beim Auftreten hoher Überdrücke durch einen die Verbiegung der Blattfeder limitierenden, feststehenden Anschlag zu begrenzen.
Die Blattfeder kann mit Hilfe mindestens eines Schnitts in die Ventilplatte eingeformt werden. Dieser Schnitt kann senkrecht zur Oberfläche der Ventilplatte geführt sein. Alternativ kann mindestens ein Abschnitt des mindestens einen Schnitts gegenüber der Oberfläche der Ventilplatte geneigt geführt sein. Der Neigungswinkel sollte dann höchstens 60° betragen.
Die Ventilplatte kann aus einem Federblech gefertigt sein, dessen Dicke im Verhältnis zur Länge der Blattfeder so gewählt ist, dass beim Verbiegen der Blattfeder eine plastische Verformung vermieden und beim Überschreiten des Schwellwerts das Loch freigegeben wird.
Die Ventilplatte kann als Ringscheibe ausgebildet sein, und die mindestens eine Blattfeder bezüglich eines Mittelpunkts der Ringscheibe als Kreisabschnitt ausgeführt sein und mindestens drei in die Ringscheibe eingeschnittene Seiten aufweisen, von denen mindestens eine radial ausgerichtet ist und mindestens zwei konzentrisch geführt sind.
Die Ringscheibe kann eine Mehrzahl von Blattfedern aufweisen, welche bezüglich des Mittelpunkts der Ringscheibe jeweils als Kreisabschnitt ausgebildet sind und jeweils mindestens drei in die Ringscheibe eingeschnittene Seiten aufweisen, von denen mindestens eine radial ausgerichtet ist und mindestens zwei konzentrisch geführt sind, wobei je zwei der Blattfedern spiegelbildlich zueinander bezüglich einer Durchmesserlinie der Ringscheibe angeordnet sind.
Bei einem Schalter mit einem mit dem Kompressionsvolumen über ein Rückschlagventil verbundenen Heizvolumen zur Aufnahme von Lichtbogengasen kann die Ventilplatte und die mindestens eine Blattfeder aus einem Standardfederstahl gebildet sein, der als unlegierter oder niedriglegierter Edelstahl ausgeführt ist. Im Unterschied zum Stand der Technik nach EP 22 70 828 , bei dem ein zwischen Heizvolumen und Kompressionsvolumen angeordnetes Rückschlagventil eine Ventilklappe aus einem Material aufweist, das Temperaturen bis zu 2500°C standhalten kann, ist ein Standardfederstahl nur für den Einsatz bei Betriebstemperaturen bis höchsten ca. 300°C geeignet.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Weitere Ausgestaltungen, Vorteile und Anwendungen der Erfindung ergeben sich aus der nun folgenden Beschreibung anhand der Figuren. Dabei zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt entlang der Längsachse einer als Selbstblasschalter ausgeführten Ausführungsform des Hochspannungs-Leistungsschalters nach der Erfindung,
Fig. 1a eine Vergrösserung eines ein in Fig.1 umrandet dargestellter Bereichs des Schalters nach Fig.1,
Figuren 2 bis 4 jeweils in Draufsicht Ausführungsformen einer Ventilplatte eines Ventils des Schalters nach Fig.1,
Fig. 5 eine Aufsicht in Pfeilrichtung auf einen längs IV - IV geführten Schnitt durch die Ausführungsform der Ventilplatte gemäss Fig.4, und
Fig. 6 eine Aufsicht in Pfeilrichtung auf einen längs IV - IV geführten Schnitt durch eine modifizierte Ausführungsform der Ventilplatte gemäss Fig.4.

Die in den Figuren verwendeten Bezugszeichen und deren Bedeutung sind in der Bezugszeichenliste zusammengefasst aufgelistet. Für das Verständnis der Erfindung nicht wesentliche Teile sind teilweise nicht dargestellt. Die beschriebenen Ausführungsformen stehen beispielhaft für den Erfindungsgegenstand und haben keine beschränkende Wirkung, vielmehr kann die Erfindung auch in anderer Weise innerhalb des Umfangs der Patentansprüche ausgeführt werden.

Wege zur Ausführung der Erfindung

Fig. 1 zeigt einen Querschnitt entlang einer Längsachse 11 einer Ausführungsform eines gasisolierten Hochspannungs-Leistungsschalters 1 nach der Erfindung. Der Schalter ist als Selbstblasschalter ausgeführt und weist ein nicht dargestelltes, mit einem Isoliergas, wie insbesondere SF₆, von einigen bar Druck gefülltes Gehäuse auf, dass ein Niederdruckvolumen 5 nach aussen begrenzt. Links der Längsachse 11 ist ein erster und rechts der Längsachse 11 ein zweiter Betriebszustand des Schalters 1 dargestellt, die im Folgenden Füllbetrieb bzw. Überdruckbetrieb genannt werden.
Der Schalter 1 verfügt über einen Nennstromkontakt 2c, welcher derart in Richtung der Längsachse 11 des Schalters 1 bewegbar ist, dass er mit einem Nennstromkontakt 2d in Berührung treten kann. Weiter verfügt der Schalter über einen Lichtbogenkontakt 2a, welcher derart in Richtung der Längsachse 11 des Schalters 1 bewegbar ist, dass er mit einem Lichtbogenkontakt 2b in Berührung treten kann. Mit dem Bezugszeichen 15 ist ein Lichtbogen bezeichnet, der beim Unterbrechen eines Stroms nach dem Trennen der beiden Lichtbogenkontakte 2a, 2b entsteht. Bei der Abschaltung eines Betriebsstroms ist der Lichtbogen 15 in der Regel schwach. Beim Abschalten eines Kurzschlussstroms können jedoch sehr starke Lichtbögen 15 auftreten. Auf diese zwei Möglichkeiten wird im weiteren Verlauf der Beschreibung näher eingegangen, denn sie erfordern eine getrennte Vorgehensweise bei der Löschung des Lichtbogens 15.
Die Löschung des Lichtbogens 15 erfolgt durch Beblasen des in einer Lichtbogenzone 3 brennenden Lichtbogens 15 mit einem Löschgas, das gegenüber dem im Niederdruckvolumen 5 befindlichen Isoliergas einen höheren Druck aufweist. Löschgas kann durch den Schaltlichtbogen 15 gebildet werden, dessen Lichtbogengase in der Hochstromphase des abzuschaltenden Stroms in einem Heizvolumen 19 gespeichert werden und beim Stromnulldurchgang durch einen Heizkanal 17 in die Lichtbogenzone 3 strömt und den Lichtbogen 15 kühlt. Der Heizkanal 17 ist typischerweise zwischen einer Hilfsdüse 16a und einer Hauptdüse 16b geformt. Löschgas kann beim Öffnen des Schalters zugleich auch in einem Kompressionsvolumen 4 bereitgestellt werden, das Teil einer von einem Antrieb A des Schalters betätigten Kompressionsvorrichtung ist.
Anstelle als Selbstblasschalter kann der erfindungsgemässe Schalter auch als Pufferschalter ausgebildet sein. Die Lichtbogengase können dann beim Öffnen des Schalters aus der Lichtbogenzone direkt ins Kompressionsvolumen 4 eintreten.
Bei dem in den Figuren 1 und 1a dargestellten Selbstblasschalter ist das Heizvolumen 19 mittels eines Rückschlagventils 14 vom Kompressionsvolumen 4 getrennt. Sowohl beim Selbstblas- als auch beim Pufferschalter ist jedoch das Kompressionsvolumen 4 mittels eines Ventils 6 vom Niederdruckvolumen 5 getrennt. Das Niederdruckvolumen 5 ist im allgemeinen als Auspuffvolumen ausgebildet, kann aber auch ein von Auspuffvolumen abgetrenntes Füllvolumen aufweisen, in dem auch nach dem Öffnen des Schalters frisches, von Auspuffgasen weitgehend freies Isoliergas gespeichert ist.
Beim Schliessen des Schalters bildet sich eine Strömung 12 aus, die Isoliergas aus dem Niederdruckvolumen 5 durch das Ventil 6 in den Kompressionsraum 4 führt (links der Achse 11 gelegener Teil der Figuren 1 und 1a). Beim Öffnen des Schalters bildet sich eine Strömung 13 aus, sobald das Kompressionsvolumen 4 gegenüber dem Niederdruckvolumen 5 einen Überdruck von mindestens zwei bar aufweist. Diese Strömung führt verdichtetes, als Löschgas dienendes Isoliergas aus dem Kompressionsvolumen 4 in umgekehrter Richtung ins Niederdruckvolumen 5 (rechts der Achse 11 gelegener Teil der Figuren 1 und 1a).
Aus Fig.1a ist ersichtlich, dass das Ventil 6 folgende Elemente aufweist:

einen durch eine Wand des Kompressionsraums 4 geführten Ventilkörper 30 mit einem das Kompressions- 4 und das Niederdruckvolumen 5 verbindenden Gasdurchlass 31 und einem den Gasdurchlass umfassenden Ventilsitz 32,
eine vom Isoliergas betätigte, verschiebbar im Ventilkörper 30 gelagerte Ventilplatte 9, welche beim Öffnen des Schalters auf dem Ventilsitz 32 gasdicht aufsitzt (rechte Hälfte von Fig.1a), sowie
einen in den Ventilkörper 30 integrierten Anschlag 8, der die Bewegung der Ventilplatte 9 beim Schliessen des Schalters nach oben begrenzt (linke Hälfte von Fig.1a) und auf der vom Ventilsitz 32 abgewandten Seite der Ventilplatte 9 angeordnet ist. Die Lage des Anschlags 8 bestimmt den maximalen Abstand, um den die Ventilplatte 9 vom Ventilsitz 32 angehoben werden kann.

Die Ventilplatte 9 ist ersichtlich als Ringscheibe ausgebildet, die um die Längsachse 11 des Schalters 1 geführt ist.
Aus Fig. 1a ist ersichtlich, dass die Ventilplatte 9 ein Loch 71 und eine einseitig gehaltene, in Abhängigkeit vom Druck des Isoliergases im Kompressionsvolumen 4 elastisch verbiegbare Blattfeder 7 aufweist.
Der erfindungsgemässe Schalter 1 umfasst auch ein einen Kolben der Kompressionsvorrichtung enthaltendes Unterelement 21 und ein einen Zylinder der KompressionsVorrichtung enthaltendes Oberelement 20. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Oberelement 20 in Richtung der Längsachse 11 verschiebbar angeordnet und das Unterelement 21 ist fest. Bei einer Trennung der beiden Lichtbogenkontakte 2a und 2b wird das Oberelement 20, an welchem der Lichtbogenkontakt 2a angebracht ist, in Richtung weg vom zweiten Lichtbogenkontakt 2b verschoben.
Fig. 2 zeigt in den Figuren a bis d verschiedene Ausführungsformen der Ventilplatte 9. In diesen Beispielen sind die Ventilplatten 9 jeweils als Ringscheibe mit einem äusseren Rand 18a und einem inneren Rand 18b ausgeführt. Die Formen, welche sich aus den innerhalb der Ränder 18a, 18b dargestellten Linien ergeben, entsprechen mehreren Blattfedern 7. Jede Blattfeder 7 ist über die gesamte Dicke der Ringscheibe in die Ringscheibe eingeschnitten. Die Linien verdeutlichen die Einschnitte in das Material der Ringscheibe.
Die Ventilplatte 9 ist mit einer anderen Ventilplatte 9 unterschiedlicher Dicke und verschieden geformten Blattfedern 7 und Löchern 71 austauschbar. Dies erlaubt eine Anpassung des erfindungsgemässen Schalters 1 an nachfolgend erläuterte Parameter, wie Gasdurchlassmenge und Schwellwert des Überdrucks.
Die Formen der Blattfedern 7 stehen im Zusammenhang mit der gewünschten maximalen Gasdurchlassmenge im Falle der Strömung 13. Wie aus Fig.2 ersichtlich, bestimmt der Umfang der Einschnitte, welche die Blattfedern 7 formen, den Strömungsquerschnitt eines durch die Ventilplatte geführten und die Strömung 13 aufnehmenden Strömungskanals. Bei gegebener Grösse des Überdrucks kann durch geeignete Wahl des Umfangs der Blattfedern 7 bzw. durch Wahl der Grösse des Strömungsquerschnitts die Gasdurchlassmenge pro Zeiteinheit variiert werden.
Wird die Dicke der Ventilplatte 9 variiert, so ändert sich die Federkonstante der Blattfeder 7, wobei die Blattfeder 7 bevorzugt dieselbe Dicke wie die Ventilplatte 9 aufweist Eine dickere Blattfeder 7 bewirkt eine höhere Federkonstante resp. eine höhere elastische Rückstellkraft und eine dünnere Blattfedern 7 eine niedrigere Federkonstante resp. eine niedrigere elastische Rückstellkraft. Die Federkonstante bzw. Dicke der Blattfeder 7 bestimmt zusammen mit der Länge der Blattfeder (Strecke zwischen den Ansatz am Material der Ringscheibe 9 und dem freien Ende der Feder 7) massgeblich das Ansprechverhalten des Ventils 6 gegenüber dem Auftreten von Überdruck im Kompressionsvolumen 4. Bei einer höheren Federkonstante wird ein höherer Überdruck benötigt, um die Blattfeder 7 auszulenken. Entsprechend wird bei einer niedrigeren Federkonstante ein niedrigerer Überdruck benötigt. Die Dicke und die Länge resp. Form der Blattfeder 7 sind Variable, durch welche der gewünschte Schwellwert des Überdrucks zur Realisierung der Strömung 13 einstellbar ist.
Man kann also eine elastische Rückstellkraft oder Federkonstante einstellen, indem eine Elastizität und/oder Form der Blattfeder 7 nach Massgabe eines vorgebbaren Schwellwerts des Überdrucks gewählt wird, und man kann eine definierten Strömungsquerschnitt durch die Ventilplatten 9 nach Massgabe einer vorgebbaren Gasdurchlassmenge wählen. Damit sind auch durch den Austausch von verschieden geformten Ventilplatten 9 die maximale Gasdurchlassmenge und der Schwellwert des Überdruck für das Zustandekommen der Strömung 13 im Schalter 1 auf einfachste Weise einstellbar.
Der Schalter 1 ist für den Einsatz als Freiluftschalter oder als metallgekapselter Schalter ausbildbar.
In einer bevorzugten Ausführungsform (Figuren 3 und 4) weist die vorzugsweise als Ringscheibe ausgebildete Ventilplatte 9 mindestens eine Blattfeder 7 auf, welche als Kreisringabschnitt bezüglich des Mittelpunkts der Ventilplatte oder Ringscheibe mit einem radialen Schnitt 72 und zwei konzentrischen Schnitten 73, 74 in die Ventilplatte oder Ringscheibe eingeschnitten wurde.
In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 weist die Ringscheibe drei Blattfedern 7 auf.
In der Ausführungsform nach Fig.4 weist die Ringscheibe 9 eine gerade Anzahl, also mindestens zwei, Blattfedern 7 auf, welche ebenfalls, wie oben erläutert, jeweils als Kreisringabschnitte bezüglich des Mittelpunkts der Ringscheibe mit jeweils reinem radialen 72 und zwei konzentrischen Schnitten 73, 74 in die Ringscheibe eingeschnitten wurden. Je zwei der Blattfedern sind spiegelbildlich zueinander bezüglich einer Durchmesserlinie 22 der Ringscheibe angeordnet. In der Fig.4 sind vier Blattfedern 7a, 7b, 7c, 7d dargestellt, wobei eine erste und eine zweite Blattfeder 7a, 7b bzw. eine dritte und eine vierte Blattfeder 7c, 7d jeweils spiegelbildlich zueinander bezüglich der Durchmesserlinie 22 der Ringscheibe angeordnet sind. Diese Ausführungsform der Ventilplatte 9 verhindert insbesondere einen Propellereffekt, welcher bei einer Ausrichtung aller Federelemente im Uhrzeigersinn bzw. gegen den Uhrzeigersinn entstehen könnte. Mit anderen Worten verhindert die gegenläufige Ausrichtung von je zwei Federelementen, dass die Ringscheibe beim Ausbilden der Gasströmung 13 in eine Rotationsbewegung versetzt werden könnte.
Abhängig von der Dimensionierung des erfindungsgemässen Selbstblasschalters 1 kann selbstverständlich auch eine ungerade Anzahl von Blattfedern gewählt werden. Beispielsweise könnte eine Ringscheibe nach Fig. 3 auch zwei gegenläufig angeordnete Blattfedern 7 aufweisen, wobei die Ausrichtung der nicht zugeordneten Blattfedern keine Rolle spielen würde, da Reibungskräfte ausreichend einer verbleibenden Rotationstendenz der Ringscheibe entgegenwirken würden.
Ist der erfindungsgemässe Schalter als Selbstblasschalter ausgeführt, so verhindert das Rückschlagventil, dass ins Heizvolumen 19 einströmende, heisse Lichtbogengase ins Kompressionsvolumen 4 eintreten können. Das Ventil 6 ist daher keinen übermässig hohen Temperaturen ausgesetzt. Die Ventilplatte 9 und dementsprechend auch die mindestens eine Blattfeder 7 können daher aus einem Standardfederstahl gebildet sein. Besonders geeignet ist ein als unlegierter oder niedriglegierter Edelstahl ausgeführter Standardfederstahl, wie etwa ein im Handel unter dem Kurznamen C60S, C75S oder 51CrV4 erhältlicher Edelstahl.
Die Schnitte 72 bis 74 sind wie aus Fig.5 ersichtlich im allgemeinen senkrecht zur Oberfläche der Ventilplatte 9 geführt. An das Schneidewerkzeug werden keine besonders hohen Anforderungen gestellt, so dass dann die Ventilplatte 9 und damit auch der Schalter 1 besonders wirtschaftlich gefertigt werden können.
Wie aus Fig.6 ersichtlich, können die Schnitte 72 bis 74 gegenüber der Oberfläche der Ventilplatte 9 auch geneigt geführt sein. Der Neigungswinkel ist gegenüber der Oberfläche der Ventilplatte 9 so bemessen, dass sich die Blattfeder 7 beim Erreichen des Überdrucks von mindestens 2 bar verbiegen und das Loch 71 freigeben kann. Unterhalb dieses Druckgrenzwertes ruht die Blattfeder mit einem deren Kontur bestimmenden, schräg abgekanteten Aussenrand 76 auf einem die Kontur des Lochs 71 bestimmenden, gegenläufig geneigt ausgebildeten Innenrand 75. Ist der Neigungswinkel, ausgehend vom 90° betragenden Vertikalschnitt, kleiner 60°, typischerweise kleiner 50° und grösser 20°, so wird die Breite der Kanten 75, 76 wirksam verlängert und werden dementsprechend die Leckverluste im Kompressionsvolumen 4 reduziert. Zudem werden nicht zu vermeidende Oszillationen der Blattfedern 7 stärker gedämpft als bei der Ausführungsform nach Fig.5. Das Loch 71 kann nurmehr in einer die Ausbildung der Strömung 13 ermöglichenden Richtung definiert öffnen. Ferner kann die Blattfeder 7 jetzt auch mit einer Vorspannung beaufschlagt werden, die selbst bei relativ hohen Schwellwerten des Überdrucks, von beispielsweise 6 oder 10 bar, eine sehr schnell einsetzende Entlastung des Kompressionsvolumens 4 durch das Loch 71 ermöglicht.
Der erfindungsgemässe Schalter wirkt wie folgt:

Im geschlossenen Schalter fliesst Strom in einem die geschlossenen Kontakte 2a bis 2d enthaltenden Stromkreis. Vor einer Schalthandlung sind typischerweise alle Volumina mit dem Gas gleichen Drucks gefüllt. Druckunterschiede und Gasströmungen, wie z.B. die Strömungen 12 bzw. 13, entstehen erst durch eine Schalthandlung, also z.B. beim Öffnen des Schalters und dem damit verbundenen Trennen der Kontakte 2a bis 2d.

Beim Trennen des Stromkreises, d.h. bei einer Bewegung des oberen Elements 20 in Richtung der Längsachse 11 weg vom zweiten Lichtbogenkontakt 2b, werden zunächst die Nennstromkontakte 2c, 2d getrennt, wodurch der Strom vollständig in einen die Lichtbogenkontakte 2a, 2b enthaltenden Stromkreis kommutiert. Bei der weiteren Bewegung des oberen Elements 20 werden nun auch die Lichtbogenkontakte 2a, 2b getrennt und es entsteht der Lichtbogen 15. Bei der weiteren Bewegung des oberen Elements 20 wird der Lichtbogen 15 verlängert. Beim Trennen der Lichtbogenkontakte 2a, 2b wird, wie oben beschrieben, das Oberelement 20 in Richtung des feststehenden Unterelements 21 verschoben. Dadurch steigt der Gasdruck im Kompressionsvolumen 4. Sobald er höher als im Heizvolumen 19 ist, strömt Gas aus dem Kompressionsvolumen 4 durch das Rückschlagventil 14 ins Heizvolumen 19, wodurch sich der Gasdruck im Heizvolumen erhöht.
Auch bei schwachen Lichtbögen 15, z. B. bei Unterbrechung von Betriebsströmen, nimmt das Gasvolumen zu, sobald das Gas in der Lichtbogenzone 3 durch einen bei betriebsgemässer Trennung der Lichtbogenkontakte 2a, 2b entstehenden Lichtbogen 15 im wesentlichen aufgeheizt ist. Der Gasdruck in der Lichtbogenzone 3 bleibt jedoch bei schwachen Lichtbogen 15, also bei schwachen zu unterbrechenden Strömen, kleiner als der Gasdruck im Heizvolumen 19. Daher strömt das Gas in diesem Fall immer aus dem Kompressionsvolumen 4 ins Heizvolumen 19 und durch den Heizkanal 17 in die Lichtbogenzone 3, wo es den Lichtbogen 15 im Stromnulldurchgang bebläst.
Bei starken Lichtbögen 15, welche beispielsweise aufgrund eines Kurzschlusses entstehen können, heizt sich aufgrund der hohen Stromstärke des Lichtbogens 15 das Gas in der Lichtbogenzone 3 schnell auf, wodurch auch ein starker Druckanstieg im Heizvolumen 19 auftritt. Beim Nulldurchgang des Stroms fällt der Druck in der Lichtbogenzone schnell ab, wodurch ein Druckgradient zwischen Lichtbogenzone 3 und Heizvolumen 19 entsteht. Als Folge strömt Gas aus dem Heizvolumen 19 durch den Heizkanal 17 zurück in die Lichtbogenzone 3, wodurch der Lichtbogen 15 intensiv beblasen und gelöscht wird. Aufgrund des starken Druckanstiegs im Heizvolumen 19, welcher den Gasdruck im Kompressionsvolumen 4 übersteigt, schliesst das Rückschlagventil 14 und es strömt kein weiteres Gas aus dem Kompressionsvolumen 4 ins Heizvolumen 19. Der Druck im Kompressionsvolumen 4 steigt während der Abwärtsbewegung des oberen Elements 20 weiter, bis der Druck des verdichteten Isoliergases im Kompressionsraum 4 den Wert des Gasdrucks im Niederdruckraum 5 um mindestens zwei bar übertrifft. Oberhalb dieses Überdrucks gibt die Blattfeder 7 das Loch 71 frei und begrenzt dann einen durch das Loch 71 geführten Strömungskanal für aus dem Kompressionsvolumen 4 austretendes Isoliergas. Bei der Freigabe des Lochs 71 wird die einseitig eingespannte Blattfeder 7 elastisch nach unten ins Niederdruckvolumen 5 ausgelenkt und bildet so den Strömungskanal für die vom Kompressionsvolumen 4 ins Niederdruckvolumen gerichtete Strömung 13. Ein unzulässig hoher Überdruck im Kompressionsraum 4 wird so vermieden. Zugleich wird so auch die vom Antrieb A aufzubringende Kompressionsarbeit begrenzt. Dies stellt den in der rechten Hälfte der Figuren 1 und 1a den dargestellten Überdruckbetrieb des Ventils 6 sicher. Sobald der Druck im Kompressionsvolumen 4 wieder unter den Grenzwert von 2 bar gesunken ist, kommt die Blattfeder 7 wieder in ihre Ausgangslage zurück, in der sie die Öffnung 71 verschliesst.
Beim Schliessen der Lichtbogenkontakte 2a, 2b wird das Oberelement 20 in Richtung des Lichtbogenkontakts 2b bewegt. Dadurch entsteht im Kompressionsvolumen 4 ein Unterdruck gegenüber dem Niederdruckvolumen 5. Dies hat zur Folge, dass die Ventilplatte 9 vom Ventilsitz 32 abhebt und die Strömung 12 nun frisches Isoliergas aus den Niederdruckvolumen 5 ins Kompressionsvolumen 4 führen kann. Hierbei wird der in der linken Hälfte der Fig.1 resp. 1a dargestellte Füllbetrieb des Ventils 6 sichergestellt. Beim Füllen gewährleistet der Anschlag 8, dass die Bewegung der Ventilscheibe 9 nach oben begrenzt wird.

Bezugszeichenliste

1: Hochspannungs-Leistungsschalter
2a, 2b: Lichtbogenkontakte
2c, 2d: Nennstromkontakte
3: Lichtbogenzone
4: Kompressionsvolumen
5: Niederdruckvolumen
6: Ventil
7, 7a-7d: Blattfedern
8: Anschlag
9: Ventilplatte, Ringscheibe
10: Trägerplatte
11: Längsachse des Schalters
12, 13: Strömungen
14: Rückschlagventil
15: Lichtbogen
16a: Hilfsdüse
16b: Hauptdüse
17: Heizkanal in der Lichtbogenzone
18a: äusserer Rand
18b: innerer Rand
19: Heizvolumen
20: Oberelement
21: Unterelement
22: Durchmesserlinie
30: Ventilkörper
31: Gasdurchlass
32: Ventilsitz
71: Loch
72, 73, 74: Schnitte
75: Innenrand
76: Aussenrand
A: Antrieb

Claims

Gasisolierter Hochspannungs-Leistungsschalter (1), enthaltend
eine von einem Antrieb (A) des Schalters (1) betätigte Kompressionsvorrichtung mit einem mit Isoliergas gefülltes Kompressionsvolumen (4), in dem das Isoliergas beim Öffnen des Schalters zu Löschgas verdichtet wird,
ein mit Isoliergas gefülltes Niederdruckvolumen (5), und
ein das Kompressions- und das Niederdruckvolumen miteinander verbindendes Ventil (6), durch welches beim Schliessen des Schalters Isoliergas aus dem Niederdruckvolumen (5) in das Kompressionsvolumen (4) strömt und beim Öffnen des Schalters oberhalb eines Schwellwerts des Löschgasdrucks Isoliergas aus dem Kompressionsvolumen (4) im umgekehrter Richtung ins Niederdruckvolumen (5) strömt,
bei dem das Ventil (6) folgende Elemente aufweist:
einen durch die Wand des Kompressionsraums (4) geführten Ventilkörper (30) mit einem das Kompressions- und das Niederdruckvolumen verbindenden Gasdurchlass (31) und einem den Gasdurchlass (31) umfassenden Ventilsitz (32),

eine vom Isoliergas betätigte, verschiebbar im Ventilkörper (30) gelagerte Ventilplatte (9), welche beim Öffnen des Schalters auf dem Ventilsitz (32) aufsitzt, sowie

einen in den Ventilkörper (30) integrierten Anschlag (8), der die Bewegung der Ventilplatte (9) beim Schliessen des Schalters begrenzt, wobei die Ventilplatte (9) mindestens ein Loch (71) aufweist,

dadurch gekennzeichnet dass,

die Ventilplatte mindestens eine einseitig gehaltene, in Abhängigkeit vom Druck des Isoliergases im Kompressionsvolumen (4) elastisch verbiegbare Blattfeder (7) aufweist, welche beim Schliessen des Schalters das Loch (71) verschliesst und beim Öffnen des Schalters das Loch (71) freigibt und einen durch das Loch (71) geführten Strömungskanal für das aus dem Kompressionsvolumen (4) austretende Isoliergas (13) begrenzt, sobald der Druck des verdichteten Isoliergases im Kompressionsvolumen (4) den Wert des Gasdrucks im Niederdruckraum (5) um mindestens zwei bar übertrifft.
Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Blattfeder (7) mit Hilfe mindestens eines Schnitts (72, 73, 74) in die Ventilplatte (9) eingeformt ist.
Schalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Schnitt (72, 73, 74) senkrecht zur Oberfläche der Ventilplatte (9) geführt ist.
Schalter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Abschnitt des mindestens einen Schnitts (72, 73, 74) gegenüber der Oberfläche der Ventilplatte (9) geneigt geführt ist.
Schalter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Neigungswinkel höchstens 60° beträgt.
Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilplatte (9) aus einem Federblech gefertigt ist, dessen Dicke im Verhältnis zur Länge der Blattfeder (7) so gewählt ist, dass beim Verbiegen der Blattfeder (7) eine plastische Verformung vermieden und beim Überschreiten des Schwellwerts das Loch (71) freigegeben wird.
Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilplatte (71) als Ringscheibe ausgebildet ist, und dass die mindestens eine Blattfeder (7) bezüglich eines Mittelpunkts der Ringscheibe als Kreisabschnitt ausgeführt ist und mindestens drei in die Ringscheibe eingeschnittene Seiten aufweist, von denen mindestens eine (72) radial ausgerichtet ist und mindestens zwei (73, 74) konzentrisch geführt sind.
Schalter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass dadurch gekennzeichnet, dass die Ringscheibe eine Mehrzahl von Blattfedern (7) aufweist, welche bezüglich des Mittelpunkts der Ringscheibe jeweils als Kreisabschnitt ausgebildet sind und jeweils mindestens drei in die Ringscheibe eingeschnittene Seiten aufweisen, von denen mindestens eine (72) radial ausgerichtet ist und mindestens zwei (73, 74) konzentrisch geführt sind, wobei je zwei der Blattfedern (7) spiegelbildlich zueinander bezüglich einer Durchmesserlinie (22) der Ringscheibe angeordnet sind.
Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 8 mit einem mit dem Kompressionsvolumen (4) über ein Rückschlagventil (14) verbundenen Heizvolumen (19) zur Aufnahme von Lichtbogengasen, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilplatte (9) und die mindestens eine Blattfeder (7) aus einem Standardfederstahl gebildet sind.
Schalter nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Standardfederstahl ein unlegierter oder ein niedriglegierter Edelstahl ist.
Schalter nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Edelstahl ein im Handel unter dem Kurznamen C60S, C75S oder 51CrV4 erhältlicher Werkstoff ist.
Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die elastische Verbiegung der Blattfeder (7) ohne die Verwendung eines Anschlags allein durch die Rückstellkraft der Blattfeder (7) begrenzt ist.