EP3827456A1 - Hochspannungs-schaltgerät mit einer vorrichtung und verfahren zur spektralanalyse - Google Patents

Hochspannungs-schaltgerät mit einer vorrichtung und verfahren zur spektralanalyse

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EP3827456A1
EP3827456A1 EP19769073.8A EP19769073A EP3827456A1 EP 3827456 A1 EP3827456 A1 EP 3827456A1 EP 19769073 A EP19769073 A EP 19769073A EP 3827456 A1 EP3827456 A1 EP 3827456A1
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EP
European Patent Office
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voltage switching
switching device
contact
arc
optical
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP19769073.8A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Radu-Marian Cernat
Thomas Chyla
Oliver Dohnke
Stefan Giere
Rudolf GROTH
Stefan Lecheler
Frank Reichert
Jörg Teichmann
Claudia Wiesinger
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.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens Energy Global GmbH and Co KG
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens Energy Global GmbH and Co KG filed Critical Siemens Energy Global GmbH and Co KG
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H01H33/04—Means for extinguishing or preventing arc between current-carrying parts
    • H01H33/22—Selection of fluids for arc-extinguishing

Definitions

  • the invention relates to a high-voltage switching device and a method for spectral analysis, the high-voltage switching device comprising a housing and at least one electrical contact.
  • the contact is arranged in the housing and comprises at least two contact pieces which are designed to conduct an arc when switching.
  • High-voltage switching devices include, for. B. high-voltage circuit breakers, disconnectors and / or earth electrodes.
  • High voltage circuit breakers such. B. from DE 196 08 285 Al, are used for switching high voltages in the range of up to 1200 kV and high currents in the range of up to a few hundred amperes, in power generation, power distribution and / or for electrical consumers.
  • the high-voltage switchgear is subject to different wear mechanisms, which limits the life of the high-voltage switchgear. One of the wear mechanisms is based on arcing due to arcing between electrical contact pieces.
  • High-voltage switching devices include, for. B. vacuum tubes, which are located in a housing, in particular an insulator with Clean Air as the insulating gas, are arranged.
  • a vacuum tube comprises at least one contact, each with two contact pieces, where at least one contact piece is movably mounted.
  • the contact pieces have z. B. contact plate, which are arranged parallel to each other, and are moved towards each other when switching on until there is a mechanical and electrical con tact, and moved away from each other who the until the electrical contact is interrupted.
  • an arc can occur at high voltages ignite and burn between the contact pieces. The arc is extinguished when switching on with mechanical contact of the contact pieces and when switching off the arc can extinguish when reaching a sufficiently large distance between the contact plates, for. B. by insulation over Va vacuum between the contact plates.
  • the arc burns when switching on and / or off between the contact pieces or the contact plates, i. H. is performed between the contact pieces.
  • Structures such as B. mean-shaped, drawn to the outer periphery of the contact plate grooves in the flat contact plates, allow movement of the arc when switching to the outer periphery of the contact plate.
  • the arc can go out in the area due to a reduced electric field compared to the central area of the contact plate.
  • the arc reaches temperatures of up to over 1000 degrees Celsius.
  • the surface is strongly heated by the arc and copper can evaporate. This so-called erosion damages the surface structure, in particular of polished contact plates, reduces the quality of the vacuum in the vacuum tube, and is reflected in other areas of the vacuum tube, where the electrically insulating properties of insulator surfaces can deteriorate.
  • the contact plates When switched on, the arc leads to a local heating of the contact plate, in particular to a local melting on the surface. As a result, the contact plates can merge locally in these areas when the contact plate is in mechanical contact when it is switched on. When switching off, the contact pieces are torn apart, whereby particles can detach from the surface of the contact plate. The particles can interfere with the function of the vacuum tube, e.g. B. electrical insulation via insulator surfaces between the contact pieces in the switched-off state. like and lead to electrical flashovers between contact pieces.
  • High-voltage switching devices in particular high-voltage circuit breakers, alternatively or in addition to vacuum tubes include. B. rated current and / or arcing contacts.
  • the nominal current contact comprises at least two nominal current contact pieces, at least one nominal current contact piece being movably mounted.
  • the arcing contact comprises at least two arcing contact pieces, at least one arcing contact piece being movably mounted.
  • the contacts are in a housing, e.g. B. an insulator made of ceramic, silicone and / or a composite material, in particular outdoor high-voltage circuit breakers, the hous se is filled with an insulating or switching gas. As switching gas z. B. SF 6 and / or Clean Air used.
  • the arcing contact When switched on, the arcing contact is closed mechanically and electrically, by moving the arcing contact pieces towards each other. An arc can burn between the arcing contact pieces. Only when electrical contact is closed via the arcing contact pieces, the nominal current contact is closed, by moving the nominal current contact pieces toward one another until they are in mechanical and electrical contact with one another. The previously closed arc contact can prevent an arc from burning between the rated current contact pieces.
  • the nominal current contact pieces are mechanically and electrically separated in the first step. Due to the closed electrical contact via the arcing contact pieces, the ignition of an arcing between the nominal current contact pieces can be prevented. In the second
  • Step the arc contact pieces are separated from each other, whereby an arc can ignite and burn.
  • an arcing can occur between the arcing contact pieces go out.
  • an insulating or blowing nozzle can be arranged around the arcing contact pieces, which prevents electrical arcing between arcing contact pieces and nominal current contact pieces, and which can cause an arc to be extinguished by an insulating gas or switching gas flow.
  • An arc which burns between the arcing contact pieces, leads to a strong local heating of the arcing contact pieces, material in the form of particles being able to detach from the arcing contact pieces and / or from the insulating or blowing nozzle, and / or evaporates.
  • the particles and / or evaporated material lead to a deterioration in the insulating properties of the insulating gas and, when adsorbed on the walls of the housing, to deteriorating insulating properties z.
  • B. the insulator housing the erosion on the contacts leads to wear and a reduced service life of the high-voltage switching device.
  • the object of the present invention is to provide a high-voltage switching device and a method for using a device for spectral analysis in a high-voltage switching device which solve the problems described above.
  • it is the task of simple, inexpensive, reliable and specific to detect or monitor the erosion of contacts, in particular arcing contact pieces, and particles in a high-voltage switching device, and z.
  • B. deduce conclusions for maintenance and replacement of parts or the entire high-voltage switching device.
  • the stated object is achieved by a high-voltage switching device according to patent claim 1 and / or by solved a method for using a device for spectral analysis in a high-voltage switching device, in particular in a previously described high-voltage switching device, according to claim 10.
  • Advantageous refinements of the high-voltage switching device according to the invention and / or the method for using a device for spectral analysis in a high-voltage switching device, in particular in a high-voltage switching device described above, are specified in the subclaims.
  • Objects of the main claims are mutually combinable and with features of subclaims and features of the subclaims.
  • the high-voltage switching device comprises a housing and at least one electrical contact, the contact being arranged in the housing and comprising at least two contact pieces which are designed to conduct an arc when switching. Furthermore, the high-voltage switching device according to the invention comprises a device for spectral analysis.
  • the erosion of contacts, in particular arcing contact pieces, and particles in the high-voltage switching device can be detected, analyzed and / or monitored easily, inexpensively, reliably and specifically.
  • Conclusions for the maintenance and / or the replacement of parts or the entire high-voltage switching device can be derived from the results.
  • the device for spectral analysis can include at least one optical waveguide.
  • An optical waveguide is inexpensive and can be easily and easily guided to the examination site, even in confined areas of the high-voltage switching device, in which, in particular, rough conditions prevail for analysis devices. High temperatures and pressures are possible in the area of the arc, and there is particularly little space between the arcing contact pieces.
  • At least one optical waveguide can be arranged in the region of the arc or adjacent to an arc region.
  • a Lichtwel lenleiters which z. B. includes glass, in areas with high temperatures and pressures close to the arc, a spectrum or individual wavelengths of the arc and / or the intensity are recorded.
  • a dense arrangement of the optical waveguide at the arc area results in high light intensities to be examined, which are generated specifically by the arc.
  • An analysis of the wavelengths and intensities shows z. B. specific results with regard to combustion products, the intensity of combustion and any particles that may arise, e.g. B. on the electrodes and / or on egg ner blowing nozzle.
  • the optical waveguide is robust to the temperatures and pressures, which prevents damage and / or destruction, and is robust to products of the erosion, which, for. B. can condense.
  • the small diameter of the optical waveguide makes adsorption of material on the optical waveguide unlikely.
  • a design of the optical fiber tip, for. B. rounded with a certain radius, can lead to surface tension in the case of separated layers on the tip when cooling, which leads to flaking of the layers.
  • a clean, unoccupied end of the optical waveguide can be maintained over time, which enables an undisturbed optical analysis of the arc over a long period of time without maintenance.
  • the high-voltage switching device can be a high-voltage circuit breaker, and the at least one contact can comprise a nominal current contact, with at least two nominal current contact pieces, in particular a movable and a fixed nominal current contact piece, and an arcing contact comprise, with at least two arcing contact pieces, in particular a movable and a fixed arcing contact piece.
  • An insulating or blowing nozzle can be included to extinguish the arc.
  • the high-voltage switching device can comprise a disconnector and / or earth electrode.
  • a disconnector and / or earth electrode In particular in high-voltage circuit breakers with a closed housing and contact pieces inside is a visual contact z. B. difficult during service inspections and monitoring of contact pieces. A spectral analysis can provide important information on the extent to which the contact pieces are worn or damaged by burning and / or abrasion, in particular with the formation of particles. The degree of wear and / or erosion allows conclusions to be drawn as to whether and when maintenance needs to be carried out. Regular maintenance intervals such. B. can be extended or only if necessary, maintenance, which saves personnel, costs and effort. When reaching a certain, e.g. B. predefined degree of wear and tear, parts and / or the entire high-voltage circuit breaker can be replaced. This ensures safe, reliable operation over long periods of time with minimal effort and costs.
  • At least one optical fiber can be arranged on or in a blowing nozzle for switching gas, in particular SF 6 and / or Clean Air.
  • An optical waveguide can be brought to the areas with visual contact to the arc, in particular via a bore in the blow nozzle, so that spectral analysis is possible simply and reliably with good mounting. Burn-up products of the blowing nozzle and their condition, pieces of contact and degradation products of the switching gas, which can lead to destruction of the switch, can be determined in this way, with the advantages described above.
  • a vacuum tube can be included, in which at least one contact is arranged.
  • an optical waveguide which is guided into the vacuum tube, the vacuum, the erosion on the contact pieces and / or particles of the contact pieces can be analyzed in particular via an arc, which z. B. when turning off by tearing the contact pieces can occur with the previously described NEN advantages.
  • the device for spectral analysis can comprise a spectrometer, in particular an optical spectrometer.
  • a spectrometer in particular an optical spectrometer.
  • the optical lines and / or spectra and their intensity can be measured, which arise when an arc is burned.
  • the spectrometer can be designed to measure the intensity of characteristic optical lines of a specific wavelength. Characteristic optical lines can be specific for certain substances, especially combustion products. By measuring or monitoring the intensity, in particular over time, statements can be made regarding the amount of certain substances which are decomposed and / or generated in the arc.
  • At least one evaluation unit and / or data storage unit and / or data transmission unit can be included, which is designed to evaluate results of the spectral analysis, in particular to compare them with predetermined values, and / or to store and / or transmit them, in particular to a central control room and / or to the cloud. This can a shutdown, maintenance, and / or replacement of parts or of the entire high-voltage switching device, in particular by personnel or automatically from a control center and / or from the cloud, are carried out or commissioned.
  • a method according to the invention for using a device for spectral analysis in a high-voltage switching device, in particular in a previously described high-voltage switching device comprises that a spectrometer measures an optical spectrum and / or the intensity of characteristic optical lines in a high-voltage switching device, in particular through an optical fiber.
  • the optical spectrum and / or the intensity of characteristic optical lines can be coupled out of the high-voltage switching device, in particular a high-voltage circuit breaker, and via a spectrometer module outside the housing, with at least one contact of the high voltage in the housing Switching device is arranged to be analyzed.
  • optical spectrum and / or the intensity of characteristic optical lines can be measured in the area of an arc to determine the components of the fire, in particular the burn-off on an insulating and / or blowing nozzle and / or the burn-off on the contact pieces, in particular special arc contact pieces.
  • Areas of the measured optical spectrum and / or the measured intensity of characteristic optical lines can be assigned to individual components of the high-voltage switching device and / or from the shape of the spectrum and / or the measured intensity of lines a degree of wear of the components can be assigned be determined.
  • a remaining service life of the components can be determined and / or maintenance can be arranged and / or an exchange of components and / or the complete high-voltage switching device can take place.
  • Foreign bodies in particular in the area of the arc, in particular foreign bodies which arise from mechanical wear, can be determined via the optical spectrum and / or the intensity of characteristic optical lines.
  • High-voltage switching device 1 with a device for spectral analysis 8.
  • a high-voltage switching device 1 with a device for spectral analysis 8 is shown schematically in a sectional view.
  • the electrical high-voltage switching device 1 in particular designed as a high-voltage circuit breaker, comprises a first and a second electrical arcing contact piece 5, 6, which are arranged coaxially opposite one another. Furthermore, the electrical high-voltage switching device 1 comprises two coaxially with one another opposite nominal current contact pieces 3 and 4, each surrounding a contact piece 5, 6.
  • the arc contact piece 6 is designed as a bolt and is driven in the course of an opening movement in the direction 13 ben.
  • the arc contact piece 5 is designed as a tulip contact piece and is arranged in the exemplary embodiment of the figure.
  • an arc 7 which is located in its area of influence quenching or insulating gas, for. B. SF 6 heats up.
  • This quenching gas at least partially flows through a channel which is formed as a sheath between the tulip contact piece 6 and a first side of an insulating nozzle or blowing nozzle 11.
  • the extinguishing gas flows through the duct into the heating gas room, where it is initially stored and from where it flows back to the arc 7 as soon as the extinguishing gas pressure drops there. This is normally the case when the current to be switched is at zero current.
  • the back-flowing quenching gas then blows the Lichtbo gene 7 and supports the extinguishing or the dielectric re-solidification of the switching path between the contact pieces 5 and 6th
  • the blowing nozzle 11 is provided, which surrounds the arc. Due to the strongly accelerated movement of the arcing contact 5 in and out of the blowing nozzle 11, with z. B. pendulum movements perpendicular to the longitudinal axis, and because of the ho hen prevailing in the area of the blowing nozzle 11 temperatures and gas pressures, the blowing nozzle 11 must be made of a stable with respect to mechanical abrasion and temperatures and pressure material.
  • the blowing nozzle 11 is, for. B. made of PTFE. Abrasion when switching can lead to the formation of particles, in particular made of PTFE, which are burned in part in the arc. High temperatures and pressures, in particular a plasma of the arc 7 in the interior of the blowing nozzle 11, lead directly to an erosion of material of the blowing nozzle 11 and the Lichtbo gene contact pieces 5 and 6.
  • the blowing nozzle 11 is screwed into the flange and / or clamped, and can have a thread and / or a clamping device for this purpose. In the version with a thread, this can engage in an internal thread of the flange.
  • a nozzle is pushed from one side into the blowing nozzle 11 and supports the blowing nozzle 11 against radial deformations from the inside.
  • the nozzle is connected to a flange which radially covers the nozzle body 11 and is connected to the cylindrical flange by means of screws. This ensures that the nozzle is not rotatable.
  • the nozzle can have knurling on its outer surface, which can be pressed into the nozzle body 11 and press against its inner surface on one side.
  • the high-voltage switching device 1 is gas-tight in a housing 2, in particular insulating housing, so that no insulating or switching gas, for. B. SF 6 can escape into the environment.
  • the nozzle and the flange can be made of metal, for example aluminum.
  • the blowing nozzle 11 is, for. B. made of plastic, Teflon, PTFE and / or PCTFE.
  • Contacts 3, 4, 5, 6 are advantageously formed out of electrically highly conductive materials, such as. B. metals, especially steel or copper.
  • blowing nozzle 11 is shown schematically in general form. Other shapes are possible, in particular with different inner diameters, in order, for. B. when contacting the arcing contacts 5 and 6 a quick
  • the tip of the contact piece 5 with the arc 7 passes through the first area of the channel of the blowing nozzle 11, which has a larger diameter than the second area of the channel.
  • the larger diameter results in a larger distance between the contact piece 5 and the insulating material of the blowing nozzle 11, as a result of which the increasing dielectric load can be compensated or prevented as the distance between the contact pieces 5, 6 decreases.
  • the small diameter in the second region which essentially corresponds to the diameter of the contact piece 5, causes the heated gas not to flow in the direction of the second, but rather in the direction of the first side of the blowing nozzle 11 and thus into the heating gas space. The pressure in the heating gas room continues to increase.
  • the contact pieces 5, 6 are electrically contacted and prevent the formation of arcs when the nominal current contact pieces 3, 4 approach.
  • An electrical contact between the nominal current contact pieces 3, 4 can be done by arcing without damaging the nominal current contact pieces 3, 4. In the case of electrical contact interruption, the process is analogous, only in the opposite direction.
  • the nominal current contact pieces 3, 4 can be separated without arcing or damage by arcing.
  • the arcing contact pieces 5, 6 are subsequently separated, with a Arc 7 between the first and second contact piece 5,
  • a larger diameter of the channel in the first area can provide a greater distance between the contact piece 5 and the insulating material of the blowing nozzle 11 in this area, as a result of which damage to the material by the arc is prevented or reduced.
  • the pin-shaped contact piece 5 With further movement of the pin-shaped contact piece 5 away from the tulip-shaped contact piece 6, the pin-shaped contact piece 5 is guided out of the channel and furthermore it can be guided out of the region of the second side of the blowing nozzle 11.
  • the blockage of the gas flow in the direction of the second side is lifted.
  • the gas can flow in the area towards the second side, which is caused by the increased pressure of the gas in the heating gas space, and the gas blows out the arc 7 in the process.
  • the electrical isolation of contacts 3, 4, 5, 6 is complete.
  • the arc 7 burns, as previously described, between the arc contact pieces 5, 6 in the slightly to completely open state.
  • the spatial area in which the arc can form is referred to in the following as the arc region 7.
  • the arc 7 arises at high voltages, in particular at up to 1200 kV, and forms a plasma between the contacts 5, 6, via which an electrical line takes place.
  • the spatial area in which the plasma burns is referred to below as arc 7.
  • An optical fiber 9 is, for. B. inserted between the circumference of the contact piece 6 gap and the blowing nozzle 11. Due to the small diameter of an optical waveguide 9 in the millimeter range, the essential part of the gap for the gas exchange is not blocked.
  • a through hole can be made in the nozzle 11 from the outside in, through which the Lichtwellenlei ter 9 is arranged, in particular glued or clamped, with the tip of the optical fiber 9 with a clear view of the arc 7 or in or adjacent to Lichtbogenbe range 12.
  • the optical waveguide 9 is preferably guided on a fixed contact piece 6.
  • the optical waveguide 9 can also, for. B. be guided on a movable contact piece 5, in particular because a glass fiber cable as an optical waveguide 9 has a high flexibility.
  • the optical waveguide 9 can be arranged or fastened directly in mechanical contact on the contact piece 5 and / or 6.
  • the optical fiber 9 can also, for. B. on the inner wall of the housing 2, in particular with one end or a tip in the area between the contact pieces 5, 6.
  • Optical fiber 9 can also, for. B. through the wall from the outside to the inside into the housing 2, z. B. through a bore, in particular with one end or a tip in the loading area between the contact pieces 5, 6th
  • the optical waveguide 9 is connected to a spectrometer module 10, via which a spectrum can be recorded and / or the intensity can be recorded, in particular as a function of time, over the wavelength.
  • a spectrometer module 10 via which a spectrum can be recorded and / or the intensity can be recorded, in particular as a function of time, over the wavelength.
  • individual lines, ie individual wavelengths can be recorded and / or evaluated over time with regard to the light intensity.
  • Chemical reactions and substances in the plasma, ie in the arc 7, and their time can be determined via the spectrum and / or the intensity History and / or substance concentrations. This allows conclusions to be drawn about combustion products, in particular particles and gases in the area of the plasma, which are burned or react in the plasma at high temperatures, as well as the status of parts, in particular their damage due to fire.
  • a comparison with simulations or empirical values enables the prediction or determination of malfunctions, and thus the point in time for necessary maintenance and / or replacement of parts.
  • maintenance intervals can be adapted, in particular extended, in accordance with the measured values of the device for spectral analysis 8, which in particular comprises the optical waveguide 9 and the spectrometer module 10, and costs and personnel expenditure can be saved.
  • critical values e.g. B. when monitoring the measurement results from a control center via staff or in particular from the cloud via automatic programs, maintenance and / or replacement of parts or the complete replacement of the high-voltage switching device 1 can be triggered.
  • high-voltage switching devices 1 can include evaluation units and / or data storage units and / or data transmission units, and in particular an Internet connection and / or a radio, for.
  • B. Mobile connection can be provided. This enables the processing, storage and / or transfer of the data and a control or regulation, in particular dependent on the measured values of the device for spectral analysis 8.
  • the spectrometer module 10 can be arranged in the housing 2, in particular in an area with sufficient installation space. Alter native or in addition, a spectrometer module 10 may be angeord net half of the housing 2 of the high-voltage switching device 1, the optical fiber 9 through the housing z. B. can be guided in particular sealed from a bore from the inside to the outside.
  • the spectrometer module 10 can e.g. B. in a switching and / or control cabinet of the high-voltage switching device 1.
  • An arrangement of the spectrometer module 10 outside the housing 2 enables simple and inexpensive maintenance and / or reading of the spectrometer module 10, protects the spectrometer module 10 from, for. B. electrical flashovers in the housing 2 and / or before high pressures, temperatures and / or voltages in the housing 2nd
  • So z. B. high-voltage circuit breakers can be used as high-voltage switchgear 1, disconnector and / or earth electrode.
  • Switching contact pieces, in particular special arc contact pieces 5 can be made of copper or steel, in particular with an erosion-resistant tip, for. B. made of carbon.
  • a movable 3 and a fixed 4 nominal current contact piece can be used in a high-voltage circuit breaker or, for. B. two movable nominal current contact pieces.
  • a movable 3 and a fixed 6 arcing contact piece can be used in a high-voltage circuit breaker or, for. B. two movable arcing contact pieces.
  • a device for spectral analysis 8 comprises e.g. B. an optical waveguide 9 and a spectrometer module 10, wherein on the optical waveguide 9 close to or in the arc 7 received radiation, in particular light radiation, via the Optical waveguide 9 can be transported to the spectrometer module 10 and the spectrum, the intensity of the spectrum and / or the intensity of individual lines removed from the arc 7 and evaluated, ie analyzed.
  • High pressures and temperatures therefore do not damage the spectrometer module 10 and the optical waveguide 9 can be designed such that its tip is resistant to high pressures and temperatures.
  • a curvature of the tip can permanently adsorb
  • layers that are made of products of the plasma settle on top, by suitable choice of material, e.g. B. special glasses, and / or the radius of curvature, especially after the plasma has gone out and the tip has cooled off.
  • the optical waveguide 9 can be arranged differently, for. B. on the housing 2, on the contacts 3, 4, 5, 6, on the nozzle 11 and / or in particular near or far from the arc 7, with a clear view of the arc 7 or products, for. B. degradation products of the arc 7.
  • the optical waveguide 9 can be tracked, z. B. when the light waveguide 9 burns through the arc 7.
  • the spectrometer module 10 comprises, for. B. a spectrometer, which can measure wavelengths and / or intensities of wavelengths in the visible range, infrared and / or UV range. At wavelengths that are not transported by optical fibers, the spectrometer can be in visual contact, e.g. B. can be arranged over a quartz glass window in the housing 2 or with a direct view of the arc 7, without the optical waveguide 9.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Hochspannungs-Schaltgerät (1), insbesondere einen Hochspannungs-Leistungsschalter, mit einem Gehäuse (2) und mit wenigstens einem elektrischen Kontakt, wobei der Kontakt in dem Gehäuse (2) angeordnet ist und wenigstens zwei Kontaktstücke (3, 4, 5, 6) umfasst, welche ausgebildet sind beim Schalten einen Lichtbogen (7) zu führen. Das Hochspannungs-Schaltgerät (1) umfasst eine Vorrichtung zur Spektralanalyse (8). Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst, dass ein Spektrometer ein optisches Spektrum und/oder die Intensität von charakteristischen optischen Linien in dem Hochspannungs-Schaltgerät (1) misst, insbesondere über einen Lichtwellenleiter (9).

Description

Beschreibung
Hochspannungs-Schaltgerät mit einer Vorrichtung und Verfahren zur Spektralanalyse
Die Erfindung betrifft ein Hochspannungs-Schaltgerät und ein Verfahren zur Spektralanalyse, wobei das Hochspannungs- Schaltgerät ein Gehäuse und wenigstens einen elektrischen Kontakt umfasst. Der Kontakt ist in dem Gehäuse angeordnet und umfasst wenigstens zwei Kontaktstücke, welche ausgebildet sind beim Schalten einen Lichtbogen zu führen.
Hochspannungs-Schaltgeräte umfassen z. B. Hochspannungs-Leis tungsschalter, Trenner und/oder Erder. Hochspannungs-Leis tungsschalter, wie z. B. aus der DE 196 08 285 Al bekannt, werden zum Schalten von hohen Spannungen im Bereich von bis zu 1200 kV und hohen Strömen im Bereich von bis zu einigen hundert Ampere, in der Energieerzeugung, Energieverteilung und/oder für elektrische Verbraucher eingesetzt. Die Hoch- spannungs-Schaltgeräte unterliegen unterschiedlichen Ver schleißmechanismen, wodurch die Lebensdauer der Hochspan- nungs-Schaltgeräte begrenzt ist. Einer der Verschleißmecha nismen beruht auf Abbrand durch Lichtbögen zwischen elektri schen Kontaktstücken .
Hochspannungs-Schaltgeräte, insbesondere Hochspannungs-Leis tungsschalter, umfassen z. B. Vakuumröhren, welche in einem Gehäuse, insbesondere einem Isolator befällt mit Clean Air als Isoliergas, angeordnet sind. Eine Vakuumröhre umfasst we nigstens einen Kontakt, mit jeweils zwei Kontaktstücken, wo bei zumindest ein Kontaktstück beweglich gelagert ist. Die Kontaktstücke weisen z. B. Kontaktteller auf, welche parallel zueinander angeordnet sind, und beim Einschalten aufeinander zu bewegt werden, bis ein mechanischer und elektrischer Kon takt besteht, und beim Ausschalten voneinander wegbewegt wer den, bis der elektrische Kontakt unterbrochen ist. Beim Ein und/oder Ausschalten kann ein Lichtbogen bei hohen Spannungen zwischen den Kontaktstücken zünden und brennen. Der Lichtbo gen erlischt beim Einschalten bei mechanischem Kontakt der Kontaktstücke und beim Ausschalten kann der Lichtbogen erlö schen, bei Erreichen eines ausreichend großen Abstands zwi schen den Kontakttellern, z. B. durch die Isolierung über Va kuum zwischen den Kontakttellern.
Der Lichtbogen brennt beim Ein- und/oder Ausschalten zwischen den Kontaktstücken bzw. den Kontakttellern, d. h. wird zwi schen den Kontaktstücken geführt. Strukturen, wie z. B. mean- derförmige, zum äußeren Umfang des Kontakttellers gezogene Rillen in den ebenen Kontakttellern, ermöglichen eine Bewe gung des Lichtbogens beim Schalten zum äußeren Umfang der Kontaktteller. Der Lichtbogen kann in dem Bereich durch ein verringertes elektrisches Feld im Vergleich zum mittleren Be reich der Kontaktteller erlöschen. Der Lichtbogen erreicht beim Brennen zwischen den Kontaktstücken Temperaturen von bis zu über 1000 Grad Celsius. Bei Kontaktstücken aus Kupfer wird die Oberfläche lokal durch den Lichtbogen stark erwärmt und Kupfer kann verdampfen. Dieser sogenannte Abbrand beschädigt die Oberflächenstruktur insbesondere polierter Kontaktteller, verringert die Qualität des Vakuums in der Vakuumröhre, und schlägt sich in anderen Bereichen der Vakuumröhre nieder, wo bei elektrisch isolierende Eigenschaften von Isolatorflächen verschlechtert werden können.
Beim Einschalten führt der Lichtbogen zu einer lokalen Erwär mung der Kontaktteller, insbesondere zu einem lokalen Auf schmelzen an der Oberfläche. Dadurch können bei mechanischem Kontakt der Kontaktteller im eingeschalteten Zustand die Kon taktstücke lokal in diesen Bereichen verschmelzen. Beim Aus schalten werden die Kontaktstücke auseinandergerissen, wobei sich Partikel aus der Oberfläche der Kontaktteller lösen kön nen. Die Partikel können die Funktion der Vakuumröhre stören, z. B. eine elektrische Isolation über Isolatorflächen zwi schen den Kontaktstücken im ausgeschalteten Zustand verrin- gern und zu elektrischen Überschlägen zwischen Kontaktstücken führen .
Hochspannungs-Schaltgeräte, insbesondere Hochspannungs-Leis tungsschalter, umfassen alternativ oder zusätzlich zu Vakuum röhren z. B. Nennstrom- und/oder Lichtbogen-Kontakte. Der Nennstrom-Kontakt umfasst wenigstens zwei Nennstrom-Kontakt stücke, wobei wenigstens ein Nennstrom-Kontaktstück beweglich gelagert ist. Der Lichtbogen-Kontakt umfasst wenigstens zwei Lichtbogen-Kontaktstücke, wobei wenigstens ein Lichtbogen- Kontaktstück beweglich gelagert ist. Die Kontakte sind in ei nem Gehäuse, z. B. einem Isolator aus Keramik, Silikon und/oder einem Verbundwerkstoff bei insbesondere Freiluft- Hochspannungs-Leistungsschaltern angeordnet, wobei das Gehäu se mit einem Isolier- bzw. Schaltgas befüllt ist. Als Schalt gas wird z. B. SF6 und/oder Clean Air verwendet.
Beim Einschalten wird der Lichtbogen-Kontakt mechanisch und elektrisch geschlossen, durch Bewegung der Lichtbogen-Kon taktstücke aufeinander zu. Dabei kann zwischen den Lichtbo gen-Kontaktstücken ein Lichtbogen brennen. Erst bei geschlos senem elektrischem Kontakt über die Lichtbogen-Kontaktstücke wird der Nennstrom-Kontakt geschlossen, durch Bewegung der Nennstrom-Kontaktstücke aufeinander zu, bis diese in mechani schem und elektrischem Kontakt miteinander stehen. Durch den zuvor geschlossenen Lichtbogen-Kontakt kann ein Brennen eines Lichtbogens zwischen den Nennstrom-Kontaktstücken verhindert werden. Beim Ausschalten werden im ersten Schritt die Nenn- strom-Kontaktstücke mechanisch und elektrisch getrennt. Durch den geschlossenen elektrischen Kontakt über die Lichtbogen- Kontaktstücke kann das Zünden eines Lichtbogens zwischen den Nennstrom-Kontaktstücken verhindert werden. Im zweiten
Schritt werden die Lichtbogen-Kontaktstücke voneinander ge trennt, wobei ein Lichtbogen zünden und brennen kann.
Bei ausreichendem Abstand der Lichtbogen-Kontaktstücke vonei nander kann ein Lichtbogen zwischen den Lichtbogen-Kontakt- stücken erlöschen. Alternativ oder zusätzlich kann eine Iso lier- bzw. Blasdüse um die Lichtbogen-Kontaktstücke angeord net sein, welche elektrische Überschläge zwischen Lichtbogen- Kontaktstücken und Nennstrom-Kontaktstücken verhindert, und welche durch einen Isoliergas- bzw. Schaltgasstrom einen Lichtbogen zum Erlöschen bringen kann.
Ein Lichtbogen, welcher zwischen den Lichtbogen-Kontakt stücken brennt, führt zu einer starken lokalen Erwärmung der Lichtbogen-Kontaktstücke, wobei Material in Form von Parti keln sich lösen kann von den Lichtbogen-Kontaktstücken und/oder von der Isolier- bzw. Blasdüse, und/oder verdampft. Die Partikel und/oder verdampftes Material führen zu einer Verschlechterung der Isoliereigenschaften des Isoliergases und, bei Adsorption an Wänden des Gehäuses, zu verschlechter ten Isoliereigenschaften z. B. des Isolatorgehäuses. Insbe sondere der Abbrand an den Kontakten führt zu einem Ver schleiß und einer verringerten Lebensdauer des Hochspannungs- Schaltgeräts. Dadurch können verkürzte Wartungsintervalle und/oder ein Austausch von Teilen oder des gesamten Hochspan- nungs-Schaltgeräts erforderlich werden, was zu einem hohen Aufwand, z. B. verbunden mit einem Spannungsfrei-Schalten des Hochspannungs-Schaltgeräts, und hohen Kosten führen kann.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Hochspannungs- Schaltgerät und ein Verfahren zur Verwendung einer Vorrich tung zur Spektralanalyse in einem Hochspannungs-Schaltgerät anzugeben, welche die zuvor beschriebenen Probleme lösen. Insbesondere ist es Aufgabe, einfach, kostengünstig, zuver lässig und spezifisch den Abbrand an Kontakten, insbesondere Lichtbogen-Kontaktstücken, und Partikel in einem Hochspan- nungs-Schaltgerät zu detektieren bzw. zu monitoren, und z. B. daraus Schlüsse für Wartung und Austausch von Teilen oder des gesamten Hochspannungs-Schaltgeräts abzuleiten.
Die angegebene Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Hoch- spannungs-Schaltgerät gemäß Patentanspruch 1 und/oder durch ein Verfahren zur Verwendung einer Vorrichtung zur Spektral analyse in einem Hochspannungs-Schaltgerät, insbesondere in einem zuvor beschriebenen Hochspannungs-Schaltgerät, gemäß Patentanspruch 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Hochspannungs-Schaltgeräts und/oder des Verfahrens zur Verwendung einer Vorrichtung zur Spektralana lyse in einem Hochspannungs-Schaltgerät, insbesondere in ei nem zuvor beschriebenen Hochspannungs-Schaltgerät, sind in den Unteransprüchen angegeben. Dabei sind Gegenstände der Hauptansprüche untereinander und mit Merkmalen von Unteran sprüchen sowie Merkmale der Unteransprüche untereinander kom binierbar .
Das erfindungsgemäße Hochspannungs-Schaltgerät umfasst ein Gehäuse und wenigstens einen elektrischen Kontakt, wobei der Kontakt in dem Gehäuse angeordnet ist und wenigstens zwei Kontaktstücke umfasst, welche ausgebildet sind beim Schalten einen Lichtbogen zu führen. Weiterhin umfasst das erfindungs gemäße Hochspannungs-Schaltgerät eine Vorrichtung zur Spekt ralanalyse .
Mit der Vorrichtung zur Spektralanalyse können einfach, kos tengünstig, zuverlässig und spezifisch der Abbrand an Kontak ten, insbesondere Lichtbogen-Kontaktstücken, und Partikel im Hochspannungs-Schaltgerät detektiert, analysiert und/oder ge- monitort werden. Aus den Ergebnissen können Schlüsse für die Wartung und/oder den Austausch von Teilen oder des gesamten Hochspannungs-Schaltgeräts abgeleitet werden.
Von der Vorrichtung zur Spektralanalyse kann wenigstens ein Lichtwellenleiter umfasst sein. Ein Lichtwellenleiter ist kostengünstig und kann einfach und gut an den Untersuchungs ort geführt werden, selbst an beengte räumliche Bereiche des Hochspannungs-Schaltgeräts, an welchen insbesondere raue Be dingungen für Analyse-Vorrichtungen herrschen. So sind im Be reich des Lichtbogens hohe Temperaturen und Drücke möglich, und insbesondere zwischen den Lichtbogen-Kontaktstücken ist wenig Raum.
Wenigstens ein Lichtwellenleiter kann im Bereich des Lichtbo gens oder benachbart zu einem Lichtbogenbereich angeordnet sein. Dadurch können über den robusten Aufbau eines Lichtwel lenleiters, welcher z. B. Glas umfasst, in Bereichen mit ho hen Temperaturen und Drücken dicht am Lichtbogen ein Spektrum oder einzelne Wellenlängen des Lichtbogens und/oder die In tensität aufgenommen werden. Eine dichte Anordnung des Licht wellenleiters am Lichtbogenbereich ergibt hohe zu untersu chende Lichtintensitäten, welche spezifisch vom Lichtbogen erzeugt werden. Eine Analyse der Wellenlängen und Intensitä ten ergibt z. B. spezifisch Ergebnisse bezüglich Abbrandpro dukten, über die Intensität des Abbrands und über eventuell entstehende Partikel, z. B. an den Elektroden und/oder an ei ner Blasdüse. Der Lichtwellenleiter ist dabei robust gegen über den Temperaturen und Drücken, wodurch eine Beschädigung und/oder Zerstörung vermieden wird, und ist robust gegenüber Produkten des Abbrands, welche z. B. kondensieren können. Insbesondere der geringe Durchmesser des Lichtwellenleiters macht eine Adsorption von Material auf dem Lichtwellenleiter unwahrscheinlich. Eine Gestaltung der Lichtwellenleiter- Spitze, z. B. abgerundet mit bestimmten Radius, kann bei ab geschiedenen Schichten auf der Spitze bei Abkühlung zu einer Oberflächenspannung führen, welche zu einem Abplatzen der Schichten führt. Dadurch kann ein sauberes, unbelegtes Ende des Lichtwellenleiters zeitlich erhalten bleiben, wodurch ei ne ungestörte optische Analyse des Lichtbogens über lange Zeiträume hinweg, wartungsfrei ermöglicht wird. Abbrand am Lichtwellenleiter kann ebenfalls zu einer Reinigung der Spit ze führen, wobei durch Nachführung des Lichtwellenleiters insbesondere ein konstanter Abstand zum Lichtbogenbereich ge währleistet werden kann und eine Verfälschung der Messergeb nisse vermieden werden kann. Das Hochspannungs-Schaltgerät kann ein Hochspannungs-Leis tungsschalter sein, und der wenigstens eine Kontakt kann ei nen Nennstrom-Kontakt umfassen, mit wenigstens zwei Nenn- strom-Kontaktstücken, insbesondere einem beweglichen und ei nem festen Nennstrom-Kontaktstück, und einen Lichtbogen- Kontakt umfassen, mit wenigstens zwei Lichtbogen-Kontakt stücken, insbesondere einem beweglichen und einem festen Lichtbogen-Kontaktstück . Eine Isolier- bzw. Blasdüse kann um fasst sein, zum Löschen des Lichtbogens. Alternativ oder zu sätzlich kann das Hochspannungs-Schaltgerät einen Trenner und/oder Erder umfassen. Insbesondere in Hochspannungs-Leis tungsschaltern mit geschlossenem Gehäuse und Kontaktstücken im Inneren ist ein Sichtkontakt z. B. bei Serviceinspektionen und ein Monitoring von Kontaktstücken schwierig. Eine Spekt ralanalyse kann wichtige Aufschlüsse geben, in welchem Maße die Kontaktstücke durch Abbrand und/oder Abrieb insbesondere unter Partikelbildung abgenutzt bzw. beschädigt sind. Das Maß der Abnutzung und/oder des Abbrands lässt Schlüsse zu, ob und wann eine Wartung erfolgen muss. So können regelmäßige War tungsintervalle z. B. verlängert werden oder nur bei Bedarf eine Wartung erfolgen, was Personal, Kosten und Aufwand spart. Beim Erreichen eines bestimmten, z. B. vordefinierten Abnutzungsgrads kann ein Austausch von Teilen und/oder des gesamten Hochspannungs-Leistungsschalters erfolgen. Dadurch kann ein sicherer, zuverlässiger Betrieb über lange Zeiträume gewährleistet werden mit minimalem Aufwand und Kosten.
Wenigstens ein Lichtwellenleiter kann an oder in einer Blas düse für Schaltgas, insbesondere SF6 und/oder Clean Air, an geordnet sein. Insbesondere über eine Bohrung in der Blasdüse kann ein Lichtwellenleiter an die Bereiche mit Sichtkontakt zum Lichtbogen herangeführt sein, so dass einfach und zuver lässig bei guter Halterung eine Spektralanalyse möglich ist. Abbrandprodukte der Blasdüse und deren Zustand, von Kontakt stücken und Abbauprodukte des Schaltgases, welche zu einer Zerstörung des Schalters führen können, können derart ermit telt werden, mit den zuvor beschriebenen Vorteilen. Eine Vakuumröhre kann umfasst sein, in welcher wenigstens ein Kontakt angeordnet ist. Durch insbesondere einen Lichtwellen leiter, welcher in die Vakuumröhre geführt ist, kann insbe sondere über einen Lichtbogen das Vakuum, der Abbrand an den Kontaktstücken und/oder Partikel der Kontaktstücke analysiert werden, welche z. B. beim Ausschalten durch Auseinanderreißen der Kontaktstücke entstehen können, mit den zuvor beschriebe nen Vorteilen.
Die Vorrichtung zur Spektralanalyse kann ein Spektrometer, insbesondere ein optisches Spektrometer umfassen. Insbesonde re mit einem optischen Spektrometer sind die optischen Linien und/oder Spektren sowie deren Intensität messbar, welche beim Brennen eines Lichtbogens entstehen.
Das Spektrometer kann ausgebildet sein, die Intensität von charakteristischen optischen Linien bestimmter Wellenlänge zu messen. Charakteristische optische Linien können spezifisch für bestimmte Stoffe, insbesondere Abbrandprodukte sein. Mit der Messung bzw. dem Monitoring der Intensität insbesondere über die Zeit können Aussagen getroffen werden bezüglich der Menge an bestimmten Stoffen, welche im Lichtbogen zersetzt werden und/oder entstehen. Eine Zuordnung der Stoffe zu be stimmten Teilen des Hochspannungs-Schaltgerätes, z. B. be stimmten Kontaktstücken, Blasdüse und/oder Schaltgasen, und eine Beobachtung der Intensität über die Zeit, ermöglichen Schlüsse über den Abnutzungsgrad bzw. Verschleiß von bestimm ten Teilen des Hochspannungs-Schaltgerätes, mit den zuvor be schriebenen Vorteilen.
Wenigstens eine Auswertungseinheit- und/oder Datenspeicher einheit und/oder Datenübermittlungseinheit kann umfasst sein, welche ausgebildet ist Ergebnisse der Spektralanalyse auszu werten, insbesondere mit vorbestimmten Werten zu vergleichen, und/oder zu speichern und/oder zu übermitteln, insbesondere an eine Zentrale Warte und/oder in die Cloud. Dadurch kann eine Abschaltung, Wartung, und/oder Austausch von Teilen oder des gesamten Hochspannungs-Schaltgerätes insbesondere von Personal oder automatisch von einer Zentrale aus und/oder aus der Cloud erfolgen bzw. beauftragt werden.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Verwendung einer Vorrich tung zur Spektralanalyse in einem Hochspannungs-Schaltgerät, insbesondere in einem zuvor beschriebenen Hochspannungs- Schaltgerät, umfasst, dass ein Spektrometer ein optisches Spektrum und/oder die Intensität von charakteristischen opti schen Linien in einem Hochspannungs-Schaltgerät misst, insbe sondere über einen Lichtwellenleiter.
Über einen Lichtwellenleiter können das optische Spektrum und/oder die Intensität von charakteristischen optischen Li nien aus dem Hochspannungs-Schaltgerät, insbesondere einem Hochspannungs-Leistungsschalter, ausgekoppelt werden und über ein Spektrometer-Modul außerhalb des Gehäuses, wobei in dem Gehäuse wenigstens ein Kontakt des Hochspannungs-Schaltgeräts angeordnet ist, analysiert werden.
Das optische Spektrum und/oder die Intensität von charakte ristischen optischen Linien können im Bereich eines Lichtbo gens gemessen werden, zur Bestimmung der Komponenten des Ab brands, insbesondere des Abbrands an einer Isolier- und/oder Blasdüse und/oder des Abbrands an den Kontaktstücken, insbe sondere Lichtbogen-Kontaktstücken .
Bereiche des gemessenen optischen Spektrums und/oder die ge messene Intensität von charakteristischen optischen Linien können einzelnen Bauteilen des Hochspannungs-Schaltgeräts zu geordnet werden und/oder aus der Form des Spektrums und/oder der gemessenen Intensität von Linien kann ein Grad des Ver schleißes der Bauteile bestimmt werden.
Abhängig vom bestimmten Grad des Verschleißes, insbesondere bestimmt durch Vergleich der Messwerte mit vorgegebenen Schwellwerten, kann eine Restlebensdauer der Bauteile be stimmt werden und/oder eine Wartung kann veranlasst werden und/oder ein Austausch von Bauteilen und/oder des kompletten Hochspannungs-Schaltgerätes kann erfolgen.
Über das optische Spektrum und/oder die Intensität von cha rakteristischen optischen Linien können Fremdkörper, insbe sondere im Bereich des Lichtbogens, insbesondere Fremdkörper, welche durch mechanischen Verschleiß entstehen, bestimmt wer den .
Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Verwendung einer Vorrichtung zur Spektralanalyse in einem Hochspannungs- Schaltgerät, insbesondere in einem zuvor beschriebenen Hoch spannungs-Schaltgerät, gemäß Anspruch 10 sind analog den zu vor beschriebenen Vorteilen des erfindungsgemäßen Hochspan- nungs-Schaltgeräts gemäß Anspruch 1 und umgekehrt.
Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in der einzigen Figur dargestellt und nachfolgend näher be schrieben .
Dabei zeigt die
Figur schematisch in Schnittansicht ein erfindungsgemäßes
Hochspannungs-Schaltgerät 1 mit einer Vorrichtung zur Spektralanalyse 8.
In der einzigen Figur ist schematisch in Schnittansicht ein Hochspannungs-Schaltgerät 1 mit einer Vorrichtung zur Spekt ralanalyse 8 dargestellt. Das elektrische Hochspannungs- Schaltgerät 1, insbesondere ausgebildet als Hochspannungs- Leistungsschalter, umfasst ein erstes und ein zweites elekt risches Lichtbogen-Kontaktstück 5, 6, welche einander koaxial gegenüberstehend angeordnet sind. Weiterhin umfasst das elektrische Hochspannungs-Schaltgerät 1 zwei einander koaxial gegenüberstehend angeordnete Nennstrom-Kontaktstücke 3 und 4, welche jeweils ein Kontaktstück 5, 6 umgeben.
Das Lichtbogen-Kontaktstück 6 ist als Bolzen ausgebildet und wird im Zuge einer Ausschaltbewegung in Richtung 13 angetrie ben. Das Lichtbogen-Kontaktstück 5 ist als Tulpenkontaktstück ausgebildet und ist im Ausführungsbeispiel der Figur festste hend angeordnet. Während der Ausschaltbewegung brennt zwi schen den Lichtbogen-Kontaktstücken 5 und 6 ein Lichtbogen 7, welcher das in seinem Einflussbereich befindliche Lösch- bzw. Isoliergas, z. B. SF6 aufheizt. Dieses Löschgas fließt zumin dest teilweise durch einen Kanal, welcher zwischen dem Tul- pen-Kontaktstück 6 und einer ersten Seite einer Isolierdüse bzw. Blasdüse 11 als Ummantelung ausgebildet wird. Das Lösch gas fließt durch den Kanal in den Heizgasraum, wo es zunächst gespeichert wird und von wo es zum Lichtbogen 7 zurückfließt, sobald dort der Löschgasdruck absinkt. Dies ist normalerweise bei einem Stromnulldurchgang des zu schaltenden Stroms der Fall. Das zurückströmende Löschgas bebläst dann den Lichtbo gen 7 und unterstützt die Löschung bzw. die dielektrische Wiederverfestigung der Schaltstrecke zwischen den Kontaktstü cken 5 und 6.
Um die Strömung des zum Lichtbogen 7 zurückströmenden Lösch gases bezüglich Stärke und Richtung kontrollieren zu können, ist die Blasdüse 11 vorgesehen, die den Lichtbogen umgibt. Aufgrund der stark beschleunigten Bewegung des Lichtbogen- Kontaktstücks 5 in und aus der Blasdüse 11 heraus, mit z. B. Pendelbewegungen senkrecht zur Längsachse, und wegen der ho hen im Bereich der Blasdüse 11 herrschenden Temperaturen und Gasdrücke, muss die Blasdüse 11 aus einem bezüglich mechani schem Abrieb und Temperaturen sowie Druck stabilen Material ausgebildet sein. Die Blasdüse 11 ist z. B. aus PTFE. Abrieb beim Schalten kann zur Bildung von Partikeln insbesondere aus PTFE führen, welche zum Teil im Lichtbogen verbrannt werden. Hohe Temperaturen und Drücke, insbesondere ein Plasma des Lichtbogens 7 im Inneren der Blasdüse 11, führen direkt zu einem Abbrand von Material der Blasdüse 11 und der Lichtbo gen-Kontaktstücke 5 und 6.
Die Blasdüse 11 ist in den Flansch eingeschraubt und/oder ge klemmt, und kann dazu ein Gewinde und/oder eine Klemmeinrich tung aufweisen. Bei Ausführung mit einem Gewinde kann dieses in ein Innengewinde des Flansches eingreifen. Ein Stutzen ist von einer Seite her in die Blasdüse 11 hineingeschoben und stützt die Blasdüse 11 gegen radiale Verformungen von innen. Der Stutzen ist mit einem Flansch verbunden, der den Düsen körper 11 radial überdeckt und mit dem zylindrischen Flansch mittels Schrauben verbunden ist. Hierdurch ist sicherge stellt, dass der Stutzen nicht verdrehbar ist. Der Stutzen kann an seiner äußeren Mantelfläche eine Rändelung aufweisen, die in den Düsenkörper 11 eingepresst sein kann und gegen dessen innere Mantelfläche auf der einen Seite drückt.
Dadurch kann eine Verdrehung der Blasdüse 11 im Gewinde ver hindert werden. Das Hochspannungs-Schaltgerät 1 ist in einem Gehäuse 2, insbesondere Isolierstoffgehäuse, gasdicht einge schlossen, damit kein Isolier- bzw. Schaltgas, z. B. SF6 in die Umwelt entweichen kann.
Der Stutzen und der Flansch können aus Metall bestehen, bei spielsweise Aluminium. Die Blasdüse 11 ist z. B. aus Kunst stoff, Teflon, PTFE und/oder PCTFE. Kontakte 3, 4, 5, 6 sind vorteilhaft aus elektrisch gut leitenden Materialien ausge bildet, wie z. B. Metallen, insbesondere Stahl oder Kupfer.
In der Figur ist die Blasdüse 11 in allgemeiner Form schema tisch dargestellt. Weitere Formen sind möglich, insbesondere mit unterschiedlichen Innendurchmessern, um z. B. bei Kontak tierung der Lichtbogen-Kontakte 5 und 6 einen schnellen
Druckaufbau im Heizgasraum, und mit steigender dielektrischer Belastung bei Annährung der Kontakte 5, 6 in einem Lichtbo genbereich 12, in welchem der Lichtbogen brennt, eine gerin gere Belastung der Blasdüse 11 zu erreichen. Bei Verwendung einer Einlaufschräge und/oder eines zylinderförmigen Bereichs zur zweiten Seite der Blasdüse 11 hin, kann beim Einführen des Kontaktes 5 in die Engstelle der Blasdüse 11 ein Verkan ten und/oder ein starker Materialabrieb von der Blasdüse 11 durch den Kontakt 5 verhindert oder reduziert werden.
Bei weiterer Annährung des Kontaktstücks 5 an das Kontakt stück 6 durchquert die Spitze des Kontaktstücks 5 mit dem Lichtbogen 7 den ersten Bereich des Kanals der Blasdüse 11, welcher einen größeren Durchmesser als der zweite Bereich des Kanals aufweist. Der größere Durchmesser ergibt einen größe ren Abstand des Kontaktstücks 5 zum Isoliermaterial der Blas düse 11, wodurch die mit Abnahme des Abstands der Kontaktstü cke 5, 6 zunehmende dielektrische Belastung ausgeglichen bzw. verhindert werden kann. Weiterhin bewirkt der geringe Durch messer im zweiten Bereich, welcher im Wesentlichen dem Durch messer des Kontaktstücks 5 entspricht, dass das erhitzte Gas nicht in Richtung zweite, sondern in Richtung erster Seite der Blasdüse 11 strömt und somit in den Heizgasraum. Dabei erhöht sich weiter der Druck im Heizgasraum.
Z. B. beim Nulldurchgang des Stroms nimmt der Lichtbogen 7 zwischen den angenäherten Kontaktstücken 5, 6 ab und der er höhte Gasdruck im Heizgasraum führt zu einer Gasströmung im Kanal zwischen Kontakt 6 und Blasdüse 11 in Richtung zurück zum Lichtbogen 7. Dies bewirkt ein Ausblasen des Lichtbogens 7, der Lichtbogen 7 erlischt. Die Kontaktstücke 5, 6 werden elektrisch kontaktiert und verhindern bei Annäherung der Nennstrom-Kontaktstücke 3, 4 die Ausbildung von Lichtbögen. Ein elektrischer Kontakt zwischen den Nennstrom-Kontakt stücken 3, 4 kann ohne Schädigung der Nennstrom-Kontaktstücke 3, 4 durch Lichtbögen erfolgen. Bei elektrischer Kontaktun terbrechung ist der Prozess analog, nur in umgekehrter Rich tung .
Die Nennstrom-Kontaktstücke 3, 4 können getrennt werden ohne Lichtbogen bzw. Schädigung durch Lichtbögen. Die Lichtbogen- Kontaktstücke 5, 6 werden darauf folgend getrennt, wobei ein Lichtbogen 7 zwischen dem ersten und zweiten Kontaktstück 5,
6 entsteht. Der Bereich des Kanals der Blasdüse 11, mit im Wesentlichen gleichem Durchmesser wie das Kontaktstück 5, sorgt für ein Blocken eines Gasstroms in Richtung zweite Sei te, wie zuvor beschrieben. Das Gas, welches durch den Licht bogen 7 erhitzt wird und sich ausdehnt strömt in den Heizgas raum. Ein größerer Durchmesser des Kanals im ersten Bereich kann für einen größeren Abstand zwischen Kontaktstück 5 und Isoliermaterial der Blasdüse 11 in diesem Bereich sorgen, wodurch eine Schädigung des Materials durch den Lichtbogen verhindert bzw. verringert wird.
Bei weiterer Bewegung des bolzenförmigen Kontaktstückes 5 vom tulpenförmigen Kontaktstück 6 weg, wird das bolzenförmige Kontaktstücke 5 aus dem Kanal geführt und im Weiteren kann es aus dem Bereich der zweiten Seite der Blasdüse 11 geführt werden. Beim Verlassen des zweiten Bereichs des Kanals durch das bolzenförmige Kontaktstück 5 wird die Blockade des Gas flusses in Richtung zweiter Seite aufgehoben. Das Gas kann in den Bereich in Richtung zweite Seite strömen, was durch den erhöhten Druck des Gases in dem Heizgasraum bewirkt wird, und das Gas bläst dabei den Lichtbogen 7 aus. Die elektrische Trennung der Kontakte 3, 4, 5, 6 ist abgeschlossen.
Der Lichtbogen 7 brennt, wie zuvor beschrieben, zwischen den Lichtbogen-Kontaktstücken 5, 6 im leicht bis vollständig ge öffneten Zustand. Der räumliche Bereich, in welchem sich der Lichtbogen ausbilden kann, ist im Weiteren mit Lichtbogenbe reich 7 bezeichnet. Der Lichtbogen 7 entsteht bei hohen Span nungen, insbesondere bei bis zu 1200 kV, und bildet zwischen den Kontakten 5, 6 ein Plasma aus, über welches eine elektri sche Leitung erfolgt. Der räumliche Bereich, in welchem das Plasma brennt, wird im Weiteren als Lichtbogen 7 bezeichnet. Mit im Bereich des Lichtbogens sind der Lichtbogen 7 selbst und/oder benachbarte Bereiche bezeichnet. Ein Lichtwellenleiter 9 wird z. B. zwischen den um den Umfang des Kontaktstücks 6 umlaufenden Spalt und der Blasdüse 11 eingeschoben. Aufgrund des geringen Durchmessers eines Licht wellenleiters 9 im Millimeterbereich wird der Wesentliche Teil des Spalts für den Gasaustausch nicht blockiert. Alter nativ kann in der Düse 11 eine durchgehende Bohrung von außen nach innen eingebracht sein, durch welche der Lichtwellenlei ter 9 angeordnet wird, insbesondere eingeklebt oder geklemmt, mit der Spitze des Lichtwellenleiters 9 mit freier Sicht auf den Lichtbogen 7 bzw. im oder benachbart zum Lichtbogenbe reich 12. Vorzugsweise wird der Lichtwellenleiter 9 an einem festen Kontaktstück 6 geführt. Alternativ oder zusätzlich kann der Lichtwellenleiter 9 auch z. B. an einem beweglichen Kontaktstück 5 geführt sein, insbesondere weil ein Glasfaser kabel als Lichtwellenleiter 9 eine hohe Biegsamkeit aufweist.
Bei Ausführungsbeispielen, welche der Einfachheit halber nicht in der Figur dargestellt sind, z. B. ohne Düse, kann der Lichtwellenleiter 9 direkt in mechanischem Kontakt am Kontaktstück 5 und/oder 6 angeordnet bzw. befestigt sein. Der Lichtwellenleiter 9 kann auch z. B. an der Innenwandung des Gehäuses 2 angeordnet sein, insbesondere mit einem Ende bzw. einer Spitze im Bereich zwischen den Kontaktstücken 5, 6. Der
Lichtwellenleiter 9 kann auch z. B. durch die Wandung von au ßen nach innen ins Gehäuse 2 geführt sein, z. B. durch eine Bohrung, insbesondere mit einem Ende bzw. einer Spitze im Be reich zwischen den Kontaktstücken 5, 6.
Der Lichtwellenleiter 9 ist mit einem Spektrometer-Modul 10 verbunden, über welches ein Spektrum aufgenommen werden kann und/oder die Intensität über die Wellenlänge insbesondere zeitlich abhängig aufgenommen werden kann. Alternativ oder zusätzlich können einzelne Linien, d. h. einzelne Wellenlän gen bezüglich der Lichtintensität zeitlich aufgenommen und/oder ausgewertet werden. Über das Spektrum und/oder die Intensität können chemische Reaktionen und Stoffe im Plasma, d. h. im Lichtbogen 7 bestimmt werden sowie deren zeitlicher Verlauf und/oder Stoffkonzentrationen . Dies erlaubt Rück schlüsse auf Abbrandprodukte, insbesondere auf Partikel und Gase im Bereich des Plasmas, welche verbrannt werden bzw. im Plasma bei hohen Temperaturen reagieren, sowie auf den Zu stand von Teilen, insbesondere deren Beschädigung durch Ab brand. Die Intensität bestimmter Wellenlängen bzw. Linien, insbesondere über die Zeit summiert bzw. integriert, ergibt die Stoffe und Stoffmengen im Plasma, insbesondere über die Zeit aufsummiert. Daraus können Rückschlüsse über spezifi schen Stoffabtrag an Teilen, z. B. der Blasdüse 11 und/oder den Kontakten 5, 6, gezogen werden und deren Abnutzung be stimmt werden.
Ein Vergleich mit Simulationen oder Erfahrungswerten ermög licht die Vorhersage bzw. Bestimmung von Fehlfunktionen, und damit den Zeitpunkt für eine notwendige Wartung und/oder ei nen Austausch von Teilen. Dadurch können Wartungsintervalle entsprechend den Messwerten der Vorrichtung zur Spektralana lyse 8, welche insbesondere den Lichtwellenleiter 9 und das Spektrometer-Modul 10 umfasst, angepasst werden, insbesondere verlängert werden, und es können Kosten und Personalaufwand gespart werden. Beim Erreichen kritischer Werte kann z. B. bei Überwachung der Messergebnisse von einer Zentrale über Personal oder insbesondere aus der Cloud über automatische Programme, eine Wartung und/oder ein Austausch von Teilen o- der das komplette Ersetzen des Hochspannungs-Schaltgeräts 1 ausgelöst werden.
Dazu können vom Hochspannungs-Schaltgeräts 1 Auswertungsein heiten und/oder Datenspeichereinheiten und/oder Datenüber mittlungseinheiten umfasst sein, und insbesondere ein Inter netanschluss und/oder ein Funk-, z. B. Mobilfunkanschluss vorgesehen sein. Dies ermöglicht die Verarbeitung, Speiche rung und/oder den Transfer der Daten und eine insbesondere von den Messwerten der Vorrichtung zur Spektralanalyse 8 ab hängige Steuerung oder Regelung, z. B. Abschaltung oder Strom-/Spannungsreduzierung, des Hochspannungs-Schaltgeräts
1.
Das Spektrometer-Modul 10 kann im Gehäuse 2 angeordnet sein, insbesondere in einem Bereich mit ausreichend Bauraum. Alter nativ oder Zusätzlich kann ein Spektrometer-Modul 10 außer halb des Gehäuses 2 des Hochspannungs-Schaltgeräts 1 angeord net sein, wobei der Lichtwellenleiter 9 durch das Gehäuse z. B. durch eine Bohrung insbesondere abgedichtet von innen nach außen geführt sein kann. Das Spektrometer-Modul 10 kann z. B. in einem Schalt- und/oder Steuerschrank des Hochspannungs- Schaltgeräts 1 angeordnet sein. Eine Anordnung des Spektrome ter-Moduls 10 außerhalb des Gehäuses 2 ermöglicht eine einfa che und kostengünstige Wartung und/oder Ablesung des Spektro meter-Moduls 10, schützt das Spektrometer-Modul 10 vor z. B. elektrischen Überschlägen im Gehäuse 2 und/oder vor hohen Drücken, Temperaturen und/oder Spannungen im Gehäuse 2.
Die zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele können unterei nander kombiniert werden und/oder können mit dem Stand der Technik kombiniert werden. So können z. B. Hochspannungs- Leistungsschalter als Hochspannungs-Schaltgeräte 1 verwendet werden, Trenner und/oder Erder. Schalt-Kontaktstücke, insbe sondere Lichtbogen-Kontaktstücke 5 können aus Kupfer oder Stahl sein, insbesondere mit einer abbrandfesten Spitze z. B. aus Karbon. Es kann in einem Hochspannungs-Leistungsschalter ein bewegliches 3 und ein festes 4 Nennstrom-Kontaktstück verwendet werden oder z. B. zwei bewegliche Nennstrom-Kon- taktstücke. Des Weiteren kann in einem Hochspannungs-Leis tungsschalter ein bewegliches 3 und ein festes 6 Lichtbogen- Kontaktstück verwendet werden oder z. B. zwei bewegliche Lichtbogen-Kontaktstücke .
Eine Vorrichtung zur Spektralanalyse 8 umfasst z. B. einen Lichtwellenleiter 9 und ein Spektrometer-Modul 10, wobei über den Lichtwellenleiter 9 nahe am oder im Lichtbogen 7 aufge nommene Strahlung, insbesondere Lichtstrahlung, über den Lichtwellenleiter 9 zum Spektrometer-Modul 10 transportiert werden kann und das Spektrum, die Intensität des Spektrums und/oder die Intensität von einzelnen Linien entfernt vom Lichtbogen 7 aufgenommen und ausgewertet, d. h. analysiert werden kann. Hohe Drücke und Temperaturen schädigen damit das Spektrometer-Modul 10 nicht und der Lichtwellenleiter 9 kann derart ausgeführt sein, dass dessen Spitze gegenüber hohen Drücken und Temperaturen resistent ist. Insbesondere eine Krümmung der Spitze kann die dauerhafte Adsorption von
Schichten auf der Spitze des Lichtwellenleiters 9 verhindern, wodurch eine unverfälschte Aufnahme des Spektrums, der Inten sität des Spektrums und/oder der Intensität von einzelnen Li nien ermöglicht wird. Z. B. können Schichten, welche aus Pro dukten des Plasmas sich auf der Spitze absetzen, durch geeig nete Wahl des Materials, z. B. speziellen Gläsern, und/oder des Krümmungsradius, insbesondere nach Erlöschen des Plasmas und Abkühlung der Spitze, abplatzen.
Der Lichtwellenleiter 9 kann unterschiedlich angeordnet sein, z. B. am Gehäuse 2, an den Kontakten 3, 4, 5, 6, an der Düse 11 und/oder insbesondere nahe oder entfernt vom Lichtbogen 7 enden, mit freier Sicht zum Lichtbogen 7 oder zu Produkten, z. B. Abbauprodukten des Lichtbogens 7. Der Lichtwellenleiter 9 kann nachgeführt werden, z. B. bei Abbrand des Lichtwellen leiters 9 durch den Lichtbogen 7. Das Spektrometer-Modul 10 umfasst z. B. ein Spektrometer, welches Wellenlängen und/oder Intensitäten von Wellenlängen im sichtbaren Bereich, Infrarot und/oder UV Bereich messen kann. Bei Wellenlängen, welche durch Lichtwellenleiter nicht transportiert werden, kann das Spektrometer in Sichtkontakt, z. B. über ein Quarzglasfenster im Gehäuse 2 oder mit direktem Blick auf den Lichtbogen 7, angeordnet werden, ohne Lichtwellenleiter 9. Bezugszeichenliste
1 Hochspannungs-Schaltgerät, insbesondere Hochspannungs-
Leistungsschalter
2 Gehäuse, insbesondere Isolator
3 bewegliches Nennstrom-Kontaktstück
4 festes Nennstrom-Kontaktstück
5 bewegliches Lichtbogen-Kontaktstück
6 festes Lichtbogen-Kontaktstück
7 Lichtbogen
8 Vorrichtung zur Spektralanalyse
9 Lichtwellenleiter
10 Spektrometer-Modul
11 Isolier- bzw. Blasdüse
12 Lichtbogenbereich
13 Bewegungsrichtung Ausschalten

Claims

Patentansprüche
1. Hochspannungs-Schaltgerät (1) mit einem Gehäuse (2) und mit wenigstens einem elektrischen Kontakt, wobei der Kontakt in dem Gehäuse (2) angeordnet ist und wenigstens zwei Kon taktstücke (3, 4, 5, 6) umfasst, welche ausgebildet sind beim Schalten einen Lichtbogen (7) zu führen,
dadurch gekennzeichnet, dass
eine Vorrichtung zur Spektralanalyse (8) umfasst ist.
2. Hochspannungs-Schaltgerät (1) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
von der Vorrichtung zur Spektralanalyse (8) wenigstens ein Lichtwellenleiter (9) umfasst ist.
3. Hochspannungs-Schaltgerät (1) nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
wenigstens ein Lichtwellenleiter (9) im Bereich des Lichtbo gens (7) oder benachbart zu einem Lichtbogenbereich (12) an geordnet ist.
4. Hochspannungs-Schaltgerät (1) nach einem der vorhergehen den Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Hochspannungs-Schaltgerät (1) ein Hochspannungs-Leis tungsschalter ist, und der wenigstens eine Kontakt einen Nennstrom-Kontakt umfasst, mit wenigstens zwei Nennstrom- Kontaktstücken (3, 4), insbesondere einem beweglichen (3) und einem festen (4) Nennstrom-Kontaktstück, und einen Lichtbo gen-Kontakt umfasst, mit wenigstens zwei Lichtbogen-Kontakt stücken (5, 6) , insbesondere einem beweglichen (5) und einem festen (6) Lichtbogen-Kontaktstück, und/oder dass eine Blas düse (11) umfasst ist, zum Löschen des Lichtbogens (7) .
5. Hochspannungs-Schaltgerät (1) nach einem der vorhergehen den Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Lichtwellenleiter (9) an oder in einer Blasdü se (11) für Schaltgas, insbesondere SF6 und/oder Clean Air, angeordnet ist.
6. Hochspannungs-Schaltgerät (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
eine Vakuumröhre umfasst ist, in welcher wenigstens ein Kon takt angeordnet ist.
7. Hochspannungs-Schaltgerät (1) nach einem der vorhergehen den Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Vorrichtung zur Spektralanalyse (8) ein Spektrometer, insbesondere ein optisches Spektrometer umfasst.
8. Hochspannungs-Schaltgerät (1) nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Spektrometer ausgebildet ist, die Intensität von charak teristischen optischen Linien bestimmter Wellenlänge zu mes sen .
9. Hochspannungs-Schaltgerät (1) nach einem der vorhergehen den Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
wenigstens eine Auswertungseinheit- und/oder Datenspeicher einheit und/oder Datenübermittlungseinheit umfasst ist, wel che ausgebildet ist Ergebnisse der Spektralanalyse auszuwer ten, insbesondere mit vorbestimmten Werten zu vergleichen, und/oder zu speichern und/oder zu übermitteln, insbesondere an eine Zentrale Warte und/oder in die Cloud.
10. Verfahren zur Verwendung einer Vorrichtung zur Spektral analyse (8) in einem Hochspannungs-Schaltgerät (1), insbeson dere in einem Hochspannungs-Schaltgerät (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass ein Spektrometer ein optisches Spektrum und/oder die Intensi tät von charakteristischen optischen Linien in einem Hoch- spannungs-Schaltgerät (1) misst, insbesondere über einen Lichtwellenleiter (9).
11. Verfahren nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet, dass
über einen Lichtwellenleiter (9) das optische Spektrum und/oder die Intensität von charakteristischen optischen Li nien aus dem Hochspannungs-Schaltgerät (1), insbesondere ei nem Hochspannungs-Leistungsschalter, ausgekoppelt werden und über ein Spektrometer-Modul (10) außerhalb des Gehäuses (2), in dem wenigstens ein Kontakt des Hochspannungs-Schaltgeräts
(I) angeordnet ist, analysiert wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 11,
dadurch gekennzeichnet, dass
das optische Spektrum und/oder die Intensität von charakte ristischen optischen Linien im Bereich eines Lichtbogens (7) gemessen werden, zur Bestimmung der Komponenten des Abbrands, insbesondere des Abbrands an einer Isolier- und/oder Blasdüse
(II) und/oder des Abbrands an den Kontaktstücken (3, 4, 5,
6) , insbesondere Lichtbogen-Kontaktstücken (5, 6) .
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12,
dadurch gekennzeichnet, dass
Bereiche des gemessenen optischen Spektrums und/oder die ge messene Intensität von charakteristischen optischen Linien einzelnen Bauteilen (3, 4, 5, 6, 11) des Hochspannungs- Schaltgeräts (1) zugeordnet werden und/oder aus der Form des Spektrums und/oder der gemessenen Intensität von Linien ein Grad des Verschleißes der Bauteile (3, 4, 5, 6, 11) bestimmt wird .
14. Verfahren nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet, dass abhängig vom bestimmten Grad des Verschleißes, insbesondere bestimmt durch Vergleich der Messwerte mit vorgegebenen
Schwellwerten, eine Restlebensdauer der Bauteile (3, 4, 5, 6, 11) bestimmt wird und/oder eine Wartung veranlasst wird und/oder ein Austausch von Bauteilen (3, 4, 5, 6, 11)
und/oder des kompletten Hochspannungs-Schaltgerätes (1) er folgt .
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14,
dadurch gekennzeichnet, dass
über das optische Spektrum und/oder die Intensität von cha rakteristischen optischen Linien Fremdkörper, insbesondere im Bereich des Lichtbogens (7), insbesondere Fremdkörper, welche durch mechanischen Verschleiß entstehen, bestimmt werden.
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