WO2006066420A1 - Generatorschalter mit verbesserter schaltleistung - Google Patents

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WO2006066420A1
WO2006066420A1 PCT/CH2004/000752 CH2004000752W WO2006066420A1 WO 2006066420 A1 WO2006066420 A1 WO 2006066420A1 CH 2004000752 W CH2004000752 W CH 2004000752W WO 2006066420 A1 WO2006066420 A1 WO 2006066420A1
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WO
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switching
gas
baffle
baffle wall
chamber housing
Prior art date
Application number
PCT/CH2004/000752
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English (en)
French (fr)
Inventor
Thomas Schoenemann
Jochen Kiefer
Patrick Huguenot
Max Claessens
Stephan Grob
Xiangyang Ye
Original Assignee
Abb Technology Ag
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Publication date
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    • H01H33/70—Switches with separate means for directing, obtaining, or increasing flow of arc-extinguishing fluid
    • H01H33/72—Switches with separate means for directing, obtaining, or increasing flow of arc-extinguishing fluid having stationary parts for directing the flow of arc-extinguishing fluid, e.g. arc-extinguishing chamber
    • H01H33/74—Switches with separate means for directing, obtaining, or increasing flow of arc-extinguishing fluid having stationary parts for directing the flow of arc-extinguishing fluid, e.g. arc-extinguishing chamber wherein the break is in gas
    • H—ELECTRICITY
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Definitions

  • the invention relates to the field of high-voltage technology, in particular the high-current switch technology in electrical power distribution networks. It is based on a method and generator switch according to the preamble of the independent claims.
  • the invention is based on the prior art according to EP 1 403 891 A1.
  • a circuit breaker is disclosed in which exhaust gas is passed from an arc chamber through a hollow contact in a concentrically arranged exhaust volume and from there into a more external extinguishing chamber volume.
  • at least one intermediate volume and optionally an additional volume are arranged concentrically between the hollow contact and the exhaust volume and separated from one another by intermediate walls which have bores or gas passage openings.
  • the radial outflow of the switching gases from the inner and the outer volumes, the exhaust gases are swirled and much heat energy can be delivered to the partition walls of the volumes.
  • the Naturallass ⁇ Sonen between the hollow contact volume, the intermediate volume and optionally the additional volume are mutually offset on the circumference.
  • the passage openings between the additional volume and the exhaust volume are arranged offset from each other on the circumference and / or in the axial direction. As a result, meandering as well as spiral exhaust paths are specified, the residence time of the exhaust gas in the exhaust area is increased and the heat output of the exhaust gas is improved. Further, the holes may be closed by means of perforated plate-like apertures to produce a plurality of radially directed gas jets or Gasj ets that bounce on the opposite wall, swirling at the impact points and thereby cool the hot gas intense.
  • the cooling-improving intermediate volume is arranged in the exhaust area on the drive contact side. A second intermediate volume may additionally be present on the fixed contact side. Overall, in addition to the hollow contact volume, the exhaust volume and the switching chamber volume, at least one further intermediate volume is needed in the circuit breaker in order to achieve efficient exhaust gas cooling.
  • the utility model DE 1 889 068 U discloses a switch-disconnector with improved exhaust-gas cooling.
  • the cooling device comprises a plurality of tubes arranged concentrically in the gas outflow channel, each of which has diametrically opposite outflow openings, so that the switching gases must rush through a labyrinthine path with numerous deflections during laminar outflow and have to coat large surfaces of the cooling tubes. With this arrangement, therefore, essentially the outflow path is lengthened and the cooling surface in the exhaust is enlarged.
  • the outflow openings are wide, in order to keep the back pressure of the switching gas low.
  • the flow channels between the cooling tubes are narrow to provide the switching gas much cooling surface available. Overall, the flow is kept in the laminar range and the cooling of the switching gas is carried out by laminar convective heat transfer into the cooling tubes.
  • Object of the present invention is to provide an electrical switching device with an improved switching performance. This object is achieved according to the invention by the features of the independent claims.
  • the invention consists in a method for cooling a switching gas in an electrical switching device for electrical energy supply networks, in particular in a generator switch, wherein the switching device comprises a switching chamber which is enclosed by a switching chamber housing, wherein further in a switching operation, the switching gas from an arc extinguishing zone to an exhaust area flows, thereby passing a body having a plurality of outflow openings and is divided into a plurality of directed gas jets, wherein further the gas jets are swirled into a plurality of vortices and the vortices by convection in the region of a baffle of the Baffle thermal energy is withdrawn, further wherein the baffle is formed by at least a portion of the switching chamber housing or is attached to a portion of the switching chamber housing.
  • the perfused body serves primarily for jet formation and does not need to have any cooling effect on the switching gas itself.
  • the improved exhaust gas cooling is achieved in that the heat energy is released by a turbulent heat transfer from the vortices in the baffle and that a highly efficient heat dissipation is made possible by the baffle as part of the switching chamber or as a mounting part on the switching chamber housing.
  • the heat energy can be stored in the baffle or forwarded to a heat sink thermally connected to the baffle.
  • the embodiment according to claim 2a has the advantage that no electrical flashovers between the switching gas and the baffle wall are to be expected, because there is no or no significant potential difference in the flow through the switching gas outer volume. Even highly ionized, not yet solidified dielectrically switching gas can be cooled at the lying on potential baffle.
  • the embodiment according to claim 2b has the advantage that the Sehaltkarmmergeophuse total or at least on a switch contact side is used as a large-volume heat sink for the thermal energy absorbed by the baffle wall.
  • the formation of the vortex is supported by interaction of the gas jets with each other before reaching the baffle wall.
  • gas jets are to be formed in the body whose trajectories intersect each other before reaching the baffle wall.
  • vortex formation does not become bulging gasj ets on the baffle wall caused, but is already induced on the way to the baffle wall by interaction of the gas jets with each other.
  • the interactive vortex formation is so strong that no actual point of impact of individual gas jets is no longer present on the baffle, but directly a vortex, formed from at least two Gasj ets, arrives and cools turbulent convective on the baffle.
  • the invention also relates to an electrical switching device for an electrical energy supply network, in particular a generator switch comprising a switching chamber which is enclosed by a switching chamber housing and having a central axis and a first contact and a second contact, wherein in an exhaust region of the first or second contact Body is provided with outflow openings for the flow of switching gas, the exhaust area is divided by the body in an inner volume and an outer volume and in the outer volume a baffle for cooling the switching gas is present, further comprising the outflow openings of the body to produce a plurality of directed Gasj
  • the body or multi-nozzle body therefore serves to divide the switching gas into at least one exhaust area of the switching device into a plurality of directed gas jets and the baffle serves to Jetverwirbelung and / or the Entströmströmen the turbulent jets to turbulent convective heat transfer to the switching gas or the Switching gas vortex heat energy to escape.
  • the baffle may itself be a heat sink or thermally connected to a heat sink.
  • the baffle can be located close to the wall of the sewer chamber or as a continuation of the wall.
  • Part of the switching chamber housing be designed very large area and are used for turbulent cooling of a large number gasj etindu employer switching vortices. With a switching device designed according to the invention, excellent turn-off performance has been demonstrated due to the improved cooling of the switching gases.
  • the embodiments according to claim 6 in turn have the advantage that even highly ionized, hot switching gas can be cooled by the baffle.
  • the dual function of the baffle as a heat sink and current path allows a particularly simple and compact design of the switching device.
  • the embodiments according to claim 7 have the advantage that the functions of the body as a multi-nozzle body and the baffle are separated as heat dissipation. This allows the body to be optimized in terms of its location in the exhaust area and the design and arrangement of its nozzles and the baffle can be independently optimized with regard to their arrangement in the outer volume, their thermal properties and their thermal connection to the switching chamber housing. Due to the large thermal mass and / or rapid thermal conductivity of the baffle or the Wennsch- housing section, the local heating at the impact locations of the gas jets are quickly distributed to the entire baffle and optionally removed from the baffle.
  • the embodiment according to claim 8 has the advantage that, due to the optimized arrangement, in particular spacing, shape and / or orientation, of the nozzles, the power range from which the turbulent convective cooling according to the invention enters into action is more precisely defined and, in particular, expanded.
  • the radiation characteristic of the nozzle of the body depending on the position and optionally the shape of the baffle can be designed so that an intense vortex formation and a good guidance of the vortex near the baffle wall and along large areas of the baffle is realized.
  • the embodiment according to claim 9 has the advantage that the eddy formation is intensified by the intersecting gas jets. In addition, a vortex formation earlier, d. H. in a weaker performance range.
  • the embodiments according to claims 4 and 10- 12 relate to further measures to improve the cooling efficiency of the switching gas in the switching device and thus to increase the switching capacity.
  • Fig. 1 a generator switch with a metal sleeve and a housing-side baffle for switching gas cooling;
  • Fig. 3 a representation of the mode of action of the turbulent convective cooling
  • Fig. Figure 4 is an exhaust pressure as a function of time according to the prior art and according to the invention.
  • Fig. 5 shows a cooling efficiency as a function of time according to the invention.
  • Fig. 1 shows a generator switch 1 with a switch axis Ia and a Sehaltkarmmer 2 or interrupter unit 2, the an extinguishing Katnmer 9 and exhaust volumes 7, 8 summarizes.
  • the switching chamber 2 is surrounded by a switching chamber housing 3.
  • the switching chamber housing 3 is composed of a quenching chamber housing or quenching chamber insulator 3c and a first exhaust housing 3a and a second exhaust housing 3b.
  • a first contact or switching pin 4 and a second contact in the form of a contact tulip 5 are present, between which an arc 6a burns when the switch 1 is opened.
  • the principal function of the switching device 1 is described in EP 0 982 748 B1, the entire disclosure content of which is hereby incorporated by reference into the description. In particular, the functions of the switching device 1 are described there.
  • the reference numerals designate the following components: rated current path 15, first fixed rated current contact 16, second fixed rated current contact 17, movable rated current contact 18, first partition 19, Abbraschschaltanowski 20, Isolierstoffdüse 21, slide 22, second partition 23, heating volume 24, blow slot 25, wall 26th , Blowing cylinder 27, blowing piston 28, blowing channel 29, check valve 30.
  • a body 10 is arranged with outflow openings 11 for the flow of switching gas.
  • the gas flow body 10 divides the exhaust area 7 into an inner volume 7a and an outer volume 7b.
  • a baffle 14, 140 for cooling the switching gas available.
  • the baffle 14, 140 is formed by at least a portion 14 of the switching chamber housing 3 or is attached to a portion of the switching chamber housing 3 as a plate 140, which may be configured more or less separately. In this arrangement, a highly efficient turbulent switching gas cooling is achieved. Another advantage is that the switching chamber housing 3 is not directly contaminated by the hottest switching gas, but is somewhat protected by the nozzle body 10.
  • FIG. 3 shows in greater detail how the vortices 13 effect intensive cooling of the switching gas through turbulent convective heat transfer into the baffle 14, 140.
  • a vortex region or vortex zone or vortex boundary layer 130 forms, in which the vortex 13 sweeps along the baffle 14, 140, depositing there a portion of its heat energy, in an outflow region 131 of the vortex 13 of the baffle 14, 140 flows away, recirculated and sucked in a Nachström Colour 132 more switching gas and the baffle 14, 140 for cooling supplies. Due to the repeated intensive gas exchange in the baffle 14, 140 so intensive cooling of the switching gas is achieved. The prerequisite for this is that the baffle 14, 140 itself acts as an efficient heat sink.
  • the baffle 14, 140 have a large heat capacity for cooling the turbulent switching gas.
  • the baffle 14, 140 for cooling the turbulent switching gas have a high thermal conductivity and be thermally conductively connected to the switching chamber housing 3.
  • the baffle 14, 140 is at the potential of the switching chamber housing 3 in order to reduce the risk of electrical flashovers or eliminate.
  • the switching gas does not have to be pre-cooled in interaction with the baffle 14, 140. It may rather be hot and especially ionized.
  • a particularly compact arrangement is achieved in that the baffle 14, 140 part of a current path 15 of the switching device 1 is.
  • the current path 15 is a nominal current path in FIG. 1, but in principle may also be a power current path 15.
  • the nozzle body 10 may have a low heat capacity and / or low thermal conductivity. A contribution of the nozzle body 10 for heat dissipation is therefore not necessary. However, an additional cooling effect and homogeneous heat distribution in the nozzle body 10 of advantage.
  • the outflow openings 11 of the body 10 are intended to act as nozzles 110, 111, 112 which, due to their arrangement, shape and / or orientation, give the gas jets 12 a desired jet characteristic and / or orientation.
  • the gas jets 12 in the nozzles 110, 111, 112 experience a collimation, widening or focusing, which is adapted to a distance H to the baffle 14, 140 so that the vortex formation on the baffle 14, 140 or in the area 14a of Baffle 14, 140 takes place.
  • Fig. 2a shows an exemplary embodiment in which the nozzles 110 are funnel-shaped in a radially outwardly directed flow direction of the switching gas.
  • nozzles 111, 112 are present, which are directed towards one another such that the trajectories 121, 122 of the associated gas jets 12 intersect each other before reaching the baffle 14, 140 and before reaching the baffle 14, Form 140 vertebrae.
  • the oppositely directed nozzles 111, 112 may in particular be adjacent nozzles 111, 112 or also nozzle groups.
  • the apertures may also be conically widened cylindrical or in the beam direction, whereby the gas jets 12 are widened.
  • outflow openings 11 are described in EP 1 403 891 A1, the entire disclosure content of which is hereby incorporated by reference into the description.
  • outflow openings offset axially and / or circumferentially, outflow openings with different diameters, with different center distances, outflow openings optimized in terms of their shape, size, arrangement (eg predominantly in the upper part of the exhaust area) and number.
  • the nozzle body 10 is advantageously a sleeve 10, in particular of metal.
  • the sleeve 10 can in principle have any shape and is, for example, hollow cylindrical (FIG. 1) or tapered in a truncated cone (FIG. 2c) or tapered (FIG. 2d).
  • a lower lid is given by the first partition wall 19 between the extinguishing chamber 9 and the first exhaust area 7 and an upper lid by a switching chamber wall.
  • the sleeve 10 encloses a volume V, wherein in addition to the outflow openings 11, other openings or an incomplete sleeve form are in principle permitted, provided that sufficient dynamic pressure can be built up and jet formation is possible.
  • the outflow openings 11 are the only openings.
  • the ratio of the enclosed volume V to the total area A of the outflow openings 11 should advantageously be in a range of 0.5 m ⁇ V / A ⁇ 1.5 m, preferably 1 m ⁇ V / A ⁇ 1.4 m, particularly preferably 1.2 m ⁇ V / A ⁇ 1, 3 m.
  • Fig. 2c shows an embodiment in which the outflow openings 11 are arranged on the body 10 heaped in two radially opposite regions IIa, IIb.
  • a flow guided on the baffle wall 14, 140 can be induced in the switching gas in the outer volume 7b.
  • the type of web can be selected or influenced by the arrangement of the outflow openings 11, by flow-guiding elements and / or by the shape of the nozzle body 11 and the baffle 14, 140.
  • FIG. 3 shows the pressure curve 31 as a function of time for an exhaust 7 without a metal sleeve 10 and a pressure curve 32 with a metal sleeve 32.
  • At least one further body with further outflow openings for generating further gas jets is present in the inner volume 7a, and the inner volume 7a is subdivided by the further body into an inner and outer subvolume, at least one subvolume in the outer subvolume another baffle is arranged such that the other Gasj ets are directed against the further baffle.
  • at least one body 10 and at least one associated baffle 14, 140 are provided in a first exhaust area 7 of the first contact 4 and in a second exhaust area 8 of the second contact 5.
  • the switching chamber housing 3 may be a pressure-tight encapsulating housing 3 for the switching gas, in particular the quenching gas and exhaust gas.
  • the switching chamber housing 3 may be surrounded by a magnetic field shielding outer housing.
  • the outer housing can be designed as a mechanical support for the switching device 1 at the same time.
  • the invention is applicable to any type of electrical switching device 1, in particular in generator switches I 7 in rotary arc switches, in self-blowing switches, in gas or SF 6 switches and in switches with hollow contact tube for Weggasweg entry from the arc extinguishing zone.
  • the invention also provides a method for cooling a switching gas in an electrical switching device 1 for electrical energy supply networks, in particular in a generator switch 1, wherein the switching device 1 comprises a switching chamber 2, which is enclosed by a switching chamber housing 3, wherein further in a switching operation, the switching gas is passed from an arc extinguishing zone 6 to an exhaust region 7, 8, while a plurality of outflow openings 11 exhibiting body 10 is flowed through and the switching gas is divided into a plurality of directed Gasj ets 12, wherein further the Gasj ets 12 into a plurality of vortices 13th be vortexed and the vortexes 13 by convection in a portion 14a of a baffle 14, 140 of the baffle 14, 140 thermal energy is removed, wherein the baffle 14, 140 is formed by at least a portion 14 of the switching chamber housing 3 or at a portion of the switching chamber housing third attached is t.
  • the switching device 1 comprises a switching chamber 2, which is enclosed by a switching chamber housing 3, wherein further in
  • the baffle 14, 140 can be kept at the potential of the switching chamber housing 3.
  • the baffle 14, 140 may also be maintained at a temperature of the switching chamber housing 3 by heat conduction.
  • the formation of the switching gas vortices 13 can be supported by interaction of the gas jets 12 with each other before reaching the baffle 14, 140.
  • 10 such Gasj ets 12 may be formed in the body, the Traj ektorien 121, 122 intersect each other before reaching the baffle 14, 140.
  • a radiation characteristic of the outflow openings 11 can be adapted to a distance H to the baffle 14, 140, that the vertebrae 13 are formed on or in the region 14a of the baffle 14, 140.
  • the switching gas and in particular the vortices 13 are guided on circular paths, screw paths or on spiral paths around the central axis 1a of the switching device 1 along the baffle wall 14, 140.
  • the invention further relates to a section of an electrical high-voltage system, which is an electrical switching device 1, in particular a generator switch 1, as described above and as claimed in claims 5-13 to we.
  • switching chamber housing switching chamber wall 3a First exhaust housing

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  • Circuit Breakers (AREA)
  • Arc-Extinguishing Devices That Are Switches (AREA)
  • Control Of Eletrric Generators (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Schaltgerät (1), insbesondere einen Generatorschalter (1), und ein Verfahren zur verbesserten Schaltgaskühlung. Erfindungsgemäss werden von einem Düsenkörper (10) im Auspuffbereich (7) Gasjets (12) gebildet, gegen eine Prallwand (14, 140) ist Bestandteil des Schaltkammergehäuses (3) und besitzt eine hohe Wärmekapazität und/oder Wärrmeleitfähigkeit, so dass durch turbulente Konvektion die Schaltgaswirbel (13) an der Prallwand (14, 140) eine hocheffiziente Schaltgaskühlung erreicht wird. Ausführungsbeispiele betreffen u.a. die Ausgestaltung der Prallwand (14, 140) und des Düsenkörpers (10). Vorteile sind u.a.: Schutz des Schaltkammergehäuses (3) vor Heissgasen, verbesserte Schaltgaskühlung, und erhöhte Schaltleistung.

Description

BESCHREIBUNG
Generatorschalter mit verbesserter Schaltleistung
TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Hochspannungstechnik, insbesondere der Hochstromschaltertechnik in elektrischen Energieverteilnetzen. Sie geht aus von einem Verfahren und Generatorschalter gemäss Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche .
STAND DER TECHNIK
Bei der Erfindung wird ausgegangen von dem Stand der Technik gemäss der EP 1 403 891 Al . Dort wird ein Leistungsschalter offenbart , bei dem Auspuffgas von einem Lichtbogenraum durch einen Hohlkontakt in ein konzentrisch angeordnetes Auspuffvolumen und von dort in ein weiter aussen liegendes Löschkammervolumen geleitet wird. Zur Steigerung der Ausschaltleistung sind zwischen dem Hohl- kontakt und dem Auspuffvolumen mindestens ein Zwisehen- volumen und gegebenenfalls ein Zusatzvolumen konzentrisch angeordnet und durch Zwischenwände , die Bohrungen oder Gasdurchlassöffnungen aufweisen, voneinander separiert . Durch das radiale Ausströmen der Schaltgase von den inneren und zu den äusseren Volumina werden die Abgase verwirbelt und viel Wärmeenergie kann an die Zwischenwände der Volumina abgeben werden. Die Durchlassδffnungen zwischen dem Hohlkontaktvolumen, dem Zwischenvolumen und gegebenenfalls dem Zusatzvolumen sind zueinander am Umfang versetzt angeordnet . Die Durchlassöffnungen zwischen dem Zusatzvolumen und dem Auspuffvolumen sind zueinander am Umfang und/oder in axialer Richtung versetzt angeordnet . Dadurch werden mäandrierende sowie auch spiralförmige Abgaspfade vorgegeben, die Verweilzeit des Abgases im Auspuffbereich wird erhöht und die Wärmeabgabe des Abgases wird verbessert . Ferner können die Bohrungen mittels lochblechartiger Blenden verschlossen sein, um eine Vielzahl radial gerichteter Gasstrahlen oder Gasj ets zu erzeugen, die auf die gegenüberliegende Wand prallen, sich an den Aufprallstellen verwirbeln und dadurch das heisse Gas intensiv kühlen. Das die Kühlung verbessernde Zwischenvolumen ist im Auspuffbereich auf der Antriebskontaktseite angeordnet . Ein zweites Zwischenvolumen kann zusätzlich auf der Festkontaktseite vorhanden sein. Insgesamt benötigt man in dem Leistungsschalter also neben dem Hohlkontaktvolumen, dem Auspuffvolumen und dem Schaltkammervolumen noch mindestens ein weiteres Zwischenvolumen, um eine effiziente Abgas- kühlung zu erreichen.
In dem Gebrauchsmuster DE 1 889 068 U wird ein Lasttrennschalter mit verbesserter Abgaskühlung offenbart . Die Kühlvorrichtung umfasst mehrere , im Gasabströmkanal konzentrisch angeordnete Rohre, die j eweils diametral gegenüberliegende Ausströmöffnungen aufweisen, so dass die Schaltgase beim laminaren Ausströmen einen labyrinthartigen Weg mit zahlreichen Umlenkungen durcheilen und grosse Oberflächen der Kühlrohre bestreichen müssen . Mit dieser Anordnung wird also im wesentlichen der Ausstrόm- pfad verlängert und die KühlOberfläche im Auspuff vergrö- ssert . Die Ausströmöffnungen sind breit gewählt , um den Rückstaudruck des Schaltgases gering zu halten. Die Strömungskanäle zwischen den Kühlrohren sind schmal gewählt , um dem Schaltgas viel Kühloberfläche zur Verfügung zu stellen. Insgesamt wird die Strömung im laminaren Bereich gehalten und die Kühlung des Schaltgases erfolgt durch laminaren konvektiven Wärmeübergang in die Kühlrohre .
In der EP 0 720 774 Bl wird ein Hochspannungsleistungs- schalter mit einem hohlzylindrischen Metalldrahtgeflecht oder Metallkörper als Kühlkörper für Schaltgase offenbart . Zusätzlich ist ein weiter innenliegender, löschgasundurchlässiger Isolierstoffkörper vorhanden, der den Metallkörper gegen die Löschgase abschirmt , die Löschgase durch Materialverdampfung vorkühlt und dadurch einer Überhitzung des Metalldrahtgeflechts entgegenwirkt . Das Löschgas wird beim Durchströmen des Metalldrahtgeflechts durch Wechselwirkung mit dessen Metalloberfläche weiter abgekühlt . Wegen der grossen Anzahl Durchtrittsöffnungen ist der Strömungswiderstand des Metalldrahtgeflechts gering, so dass wiederum eine laminare Strömung beibehalten wird.
In der DE 102 21 580 B3 wird ein Hochspannungsleistungs- schalter mit einer Unterbrechereinheit offenbart , in welcher die Auspuffgase zweimal um 180° umgelenkt werden. Zur Verbesserung der Kühlung der Gase ist auf der Festkontakt- seite ein konzentrisch angeordnetes , hohlzylindrisches , radial durchströmtes Lochblech vorhanden. Wiederum dient das Lochblech als Kühlkörper, der dem Löschgas Wärme entzieht , ohne den Strömungswiderstand für das Löschgas zu erhöhen und ohne die Laminarität der Löschgasströmung zu stören .
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es , ein elektrisches Schaltgerät mit einer verbesserten Schaltleistung anzugeben. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst .
Die Erfindung besteht in einem Verfahren zur Kühlung eines Schaltgases in einem elektrischen Schaltgerät für elektrische Energieversorgungsnetze, insbesondere in einem Generatorschalter, wobei das Schaltgerät eine Schaltkammer umfasst , die von einem Schaltkammergehäuse umschlossen ist, wobei ferner bei einem Schaltvorgang das Schaltgas von einer Lichtbogenlöschzone zu einem Auspuffbereich strömt , dabei einen eine Vielzahl von Ausströmöffnungen aufweisenden Körper passiert und in eine Vielzahl gerichteter Gasjets aufgeteilt wird, wobei ferner die Gasjets in eine Vielzahl von Wirbeln verwirbelt werden und den Wirbeln durch Konvektion im Bereich einer Prallwand von der Prallwand Wärmeenergie entzogen wird, wobei ferner die Prallwand durch mindestens einen Abschnitt des Schalt- kammergehäuses gebildet wird oder an einem Abschnitt des Schaltkammergehäuses befestigt ist . Vom durchströmten Körper wird also ein hinreichend grosser Rückstaudruck im Schaltgas aufgebaut , so dass von den Ausströmöffnungen des Körpers gebündelte Gasj ets erzeugt werden können. Der durchströmte Körper dient in erster Linie zur Jetbildung und braucht selber keine Kühlwirkung auf das Schaltgas zu haben. Die verbesserte Abgaskühlung wird dadurch erreicht , dass die Wärmenergie durch einen turbulenten Wärmeübergang von den Wirbeln in die Prallwand abgegeben wird und dass von der Prallwand als Bestandteil des Schaltkammergehäuses oder als Montageteil am Schaltkammergehäuse eine hocheffiziente Wärmeabführung ermöglicht wird. Die Wärmeenergie kann in der Prallwand gespeichert werden oder an eine mit der Prallwand thermisch verbundene Wärmesenke weitergeleitet werden .
Das Ausführungsbeispiel nach Anspruch 2a hat den Vorteil , dass keine elektrischen Überschläge zwischen dem Schaltgas und der Prallwand zu erwarten sind, weil kein oder kein wesentliches Potentialgefälle im vom Schaltgas durchströmten äusseren Volumen besteht . Auch noch stark ionisiertes , dielektrisch noch nicht verfestigtes Schaltgas kann an der auf Potential liegenden Prallwand gekühlt werden.
Das Ausführungsbeispiel gemäss Anspruch 2b hat den Vorteil , dass das Sehaltkämmergehäuse gesamthaft oder zumindesten auf einer Schalterkontaktseite als grossvolumige Wärmesenke für die von der Prallwand aufgenommen Wärmeenergie verwendet wird.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird die Bildung der Wirbel durch Wechselwirkung der Gasj ets untereinander vor Erreichen der Prallwand unterstützt . Insbesondere sollen im Körper solche Gasjets gebildet werden, deren Trajekto- rien einander vor Erreichen der Prallwand kreuzen. Auf diese Weise wird die Wirbelbildung nicht erst durch Auf- prall getrennter Gasj ets auf die Prallwand hervorgerufen, sondern wird schon auf dem Weg zur Prallwand durch Interaktion der Gasj ets untereinander induziert . Im Extremfall ist die interaktive Wirbelbildung so stark, dass an der Prallwand keine eigentliche Aufprallstelle einzelner Gasjets mehr vorhanden ist , sondern unmittelbar ein Wirbel , gebildet aus mindestens zwei Gasj ets , ankommt und sich turbulent konvektiv an der Prallwand abkühlt .
Die Erfindung betrifft auch ein elektrisches Schaltgerät für ein elektrisches Energieversorgungsnetz , insbesondere einen Generatorschalter, umfassend eine Schaltkammer, die von einem Schaltkammergehäuse umschlossen ist und eine zentrale Achse sowie einen ersten Kontakt und einen zweiten Kontakt aufweist, wobei in einem Auspuffbereich des ersten oder zweiten Kontakts ein Körper mit Ausströmöffnungen zum Durchströmen von Schaltgas vorhanden ist, der Auspuffbereich durch den Körper in ein inneres Volumen und ein äusseres Volumen unterteilt ist und im äusseren Volumen eine Prallwand zur Kühlung des Schaltgases vorhanden ist, wobei ferner die Ausströmöffnungen des Körpers zur Erzeugung einer Vielzahl gerichteter Gasj ets dienen, die Gasj ets auf die Prallwand gerichtet sind und eine Vielzahl von Wirbeln ausbilden und die Wirbel einen konvektiven Wärmeübergang vom Schaltgas in die Prallwand bewirken, wobei die Prallwand durch mindestens einen Abschnitt des Schaltkammergehäuses gebildet ist oder an einem Abschnitt des Schaltkammergehäuses befestigt ist . Der Körper oder Multidüsenkörper dient also dazu, das Schaltgas in mindestens einem Auspuffbereich des Schalt- geräts in eine Vielzahl gerichteter Gasj ets aufzuteilen und die Prallwand dient zur Jetverwirbelung und/oder zum Entlangströmen der verwirbelten Jets, um durch turbulent konvektiven Wärmeübergang dem Schaltgas bzw. den Schalt- gaswirbeln Wärmeenergie zu entziehen. Die Prallwand kann selber Wärmesenke sein oder mit einer Wärmesenke thermisch verbunden sein. Insbesondere kann die Prallwand aufgrund ihrer Position nahe der Sehaltkammerwand oder als Bestand- teil des Schaltkammergehäuses sehr grossflächig ausgestaltet sein und zur turbulenten Kühlung einer grossen Anzahl gasj etinduzierter Schaltgaswirbel dienen . Mit einem erfin- dungsgemäss ausgestalteten Schaltgerät wurden aufgrund der verbesserten Kühlung der Schaltgase hervorragende Abschaltleistungen nachgewiesen.
Die Ausführungsbeispiele nach Anspruch 6 haben wiederum den Vorteil , dass auch noch stark ionisiertes, heisses Schaltgas von der Prallwand gekühlt werden kann. Die Doppelfunktion der Prallwand als Kühlkörper und Strombahn erlaubt eine besonders einfache und kompakte Bauweise des Schaltgeräts .
Die Ausführungsbeispiele gemäss Anspruch 7 haben den Vorteil , dass die Funktionen des Körpers als Multidüsenkörper und der Prallwand als Wärmeableitung getrennt sind. Dadurch kann der Körper im Hinblick auf seine Anordnung im Auspuffbereich und auf die Ausgestaltung und Anordnung seiner Düsen optimiert werden und die Prallwand kann unabhängig davon im Hinblick auf ihre Anordnung im äusseren Volumen, ihre thermischen Eigenschaften und ihre thermische Verbindung zum Schaltkammergehäuse optimiert werden . Aufgrund der grossen thermischen Masse und/oder schnellen Wärmeleitfähigkeit der Prallwand oder des Schaltkammer- gehäuseabschnitts werden die lokalen Erhitzungen an den Aufprallorten der Gasjets schnell auf die ganze Prallwand verteilt und gegebenenfalls von der Prallwand abgeführt .
Das Ausführungsbeispiel gemäss Anspruch 8 hat den Vorteil , dass durch die optimierte Anordnung, insbesondere Beabstandung, Form und/oder Ausrichtung, der Düsen der Leistungsbereich, ab dem die erfindungsgemässe turbulent konvektive Kühlung in Aktion tritt , genauer festgelegt und insbesondere ausgeweitet werden. Insbesondere kann die Abstrahlcharakteristik der Düsen des Körpers in Abhängigkeit von der Position und gegebenenfalls Form der Prallwand so gestaltet werden, dass eine intensive Wirbelbildung und eine gute Führung der Wirbel nahe der Prallwand und entlang grosser Flächen der Prallwand realisiert ist .
Das Ausführungsbeispiel getnäss Anspruch 9 hat den Vorteil , dass durch die sich kreuzenden Gasj ets die Wirbelbildung verstärkt wird. Zudem kann eine Wirbelbildung schon früher, d. h. in einem schwächeren Leistungsbereich, erreicht werden .
Die Ausführungsbeispiele gemäss den Ansprüchen 4 und 10- 12 betreffen weitere Massnahmen zur Verbesserung der Kühleffizienz des Schaltgases im Schaltgerät und damit zur Erhöhung der Schaltleistung .
Weitere Ausführungen, Vorteile und Anwendungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, aus den Anspruchskombinationen sowie aus der nun folgenden Beschreibung und den Figuren.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Es zeigen schematisch
Fig . 1 einen Generatorschalter mit einer Metallhülse und einer gehäuseseitigen Prallwand zur Schaltgaskühlung;
Fig . 2a-2d Ausführungsformen der Metallhülse ;
Fig . 3 eine Darstellung zur Wirkungsweise der turbulent konvektiven Kühlung;
Fig . 4 ein Auspuffdruck als Funktion der Zeit gemäss Stand der Technik und gemäss Erfindung; und
Fig. 5 ein Kühleffizienz als Funktion der Zeit gemäss der Erfindung.
In den Figuren sind gleiche Teile mit gleichen Bezugs- zeichen versehen. WEGE ZUR AUSFUHRUNG DER ERFINDUNG
Fig . 1 zeigt einen Generatorschalter 1 mit einer Schalterachse Ia und einer Sehaltkämmer 2 oder Unterbrechereinheit 2 , die eine Löschkatnmer 9 und Auspuffvolumina 7 , 8 um- fasst . Die Schaltkammer 2 ist von einem Schaltkammergehäuse 3 umgeben ist . Das Schaltkammergehäuse 3 setzt sich zusammen aus einem Löschkammergehäuse oder Löschkammerisolator 3c sowie einem ersten Auspuffgehäuse 3a und einem zweiten Auspuffgehäuse 3b . Für die Leistungsstrombahn und zur Lichtbogenunterbrechung sind ein erster Kontakt oder Schaltstift 4 und ein zweiter Kontakt in Form einer Kontakttulpe 5 vorhanden, zwischen denen beim Öffnen des Schalters 1 ein Lichtbogen 6a brennt . Die prinzipielle Funktion des Schaltgeräts 1 ist in der EP 0 982 748 Bl beschrieben, deren gesamter Offenbarungsgehalt hiermit durch Bezugnahme in die Beschreibung aufgenommen wird. Insbesondere sind dort die Funktionen des Schaltgeräts 1 beschrieben. Die Bezugszeichen bezeichnen folgende Bauteile : Nennstrombahn 15 , erster feststehender Nennstromkontakt 16 , zweiter feststehender Nennstromkontakt 17 , beweglicher Nennstromkontakt 18 , erste Trennwand 19 , Ab- brandschaltanordnung 20 , Isolierstoffdüse 21 , Gleitführung 22 , zweite Trennwand 23 , Heizvolumen 24 , Blasschlitz 25 , Wand 26 , Blaszylinder 27 , Blaskolben 28 , Blaskanal 29 , Rückschlagventil 30. In der EP 0 982 748 Bl sind die Funktionen und das Zusammenwirken der genannten Bauteile in näherem Detail beschrieben.
Beim Öffnen des Lichtbogenschaltkontaktstifts 4 wird die Lichtbogenlöschzone 6 vom Heizvolumen 24 her mit Löschoder Schaltgas beblasen. Das Schaltgas strömt dann in den ersten und zweiten Auspuffbereich 7 , 8 und wird dort gekühlt . Erfindungsgemäss ist nun z . B . im ersten Auspuff- bereich 7 ein Körper 10 mit Ausströmöffnungen 11 zum Durchströmen von Schaltgas angeordnet . Der Gasdurchströmkörper 10 unterteilt den Auspuffbereich 7 in ein inneres Volumen 7a und ein äusseres Volumen 7b . Im äusseren Volumen 7b ist eine Prallwand 14 , 140 zur Kühlung des Schaltgases vorhanden. Die Prallwand 14 , 140 ist durch mindestens einen Abschnitt 14 des Schaltkammergehäuses 3 gebildet oder ist als Platte 140 , die mehr oder weniger separat ausgestaltet sein kann, an einem Abschnitt des Schaltkammergehäuses 3 befestigt . In dieser Anordnung wird eine hocheffiziente turbulente Schaltgaskühlung erreicht . Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass das Schaltkammergehäuse 3 nicht unmittelbar von heissestem Schaltgas kontaminiert wird, sondern durch den Düsenkörper 10 etwas geschützt wird .
Das Zusammenwirken des Gasdurchströmkörpers oder Düsenkörpers 10 mit der Prallwand 14 , 140 wird im folgenden näher anhand von Fig. 1 erläutert . Aus der Lichtbogenlöschzone 6 strömt eine heisse Schaltgasströmung 100 in den ersten Auspuffbereich 7 , wird vom Strömungsumlenkelement 7c in eine radiale Richtung umgelenkt , strömt entlang einer Innenwand des hier hülsenförmig dargestellten Körpers 10 zurück und bildet so eine Rezirkulationsströmung 101, durch welche im inneren Volumen 7a ein Staudruck aufgebaut wird. Durch die Ausströmöffnungen 11 im Körper 10 strömt das Schaltgas in Form von Gasj ets 12 nach aussen in das äus- sere Volumen 7b . Die Gasjets 12 sind auf die Prallwand 14 , 140 gerichtet und bilden Wirbel 13. Dies geschieht typischerweise durch Aufprall des Gasjets 12 auf die Prallwand 14 , 140 , so dass pro Gasjet 12 bzw. Aufprallort ein Wirbel 13 gebildet wird.
Fig. 3 zeigt in grosserem Detail , wie die Wirbel 13 eine intensive Kühlung des Schaltgases durch turbulent konvek- tiven Wärmeübergang in die Prallwand 14 , 140 bewirken. Beim Ausströmen des Schaltgases aus der Öffnung 11 wird der Gasj et 12 geformt . Nach Verlassen der Ausströmöffnung 12 bildet der Gasj et 12 eine Grenzschicht 12a, 12b aus, wobei in einem Ablösebereich 12a kleine Wirbel 13 erzeugt werden, die mit zunehmendem Abstand vom Düsenkörper 10 an Stärke und Grosse zunehmen und bei Annäherung an die Prallwand 14 , 140 in eine im wesentlichen axiale Richtung umgelenkt werden. In Nähe der Prallwand 14 , 140 , d. h. im Prallwandbereich 14a, bildet sich ein Wirbelbereich oder eine Wirbelzone oder Wirbelgrenzschicht 130 aus , in welcher der Wirbel 13 der Prallwand 14 , 140 entlangstreicht , dort einen Teil seiner Wärmeenergie deponiert , in einem Ausströmbereich 131 des Wirbels 13 von der Prallwand 14 , 140 wegströmt , rezirkuliert und in einem Nachströmbereich 132 weiteres Schaltgas einsaugt und der Prallwand 14 , 140 zur Kühlung zuführt . Durch den wiederholten intensiven Gasaustausch im Bereich der Prallwand 14 , 140 wird also eine intensive Kühlung des Schaltgases erreicht . Voraussetzung dafür ist, dass die Prallwand 14 , 140 selber als effiziente Wärmesenke wirkt . Dies wird erfindungsgemäss dadurch erreicht , dass sie durch einen Abschnitt des Schaltkammergehäuses 3 gebildet ist oder als Platte 140 oder allgemein Kühlkörper 140 an dem Schaltkammergehäuse 3 befestigt ist . Zu diesem Zweck kann die Prallwand 14 , 140 eine grosse Wärmekapazität zur Kühlung des turbulenten Schaltgases aufweisen. Alternativ oder ergänzend kann die Prallwand 14 , 140 zur Kühlung des turbulenten Schaltgases eine grosse Wärmeleitfähigkeit aufweisen und wärmeleitend mit dem Schaltkammergehäuse 3 verbunden sein.
Mit Vorteil liegt die Prallwand 14 , 140 auf dem Potential des Schaltkammergehäuses 3 , um die Gefahr elektrischer Überschläge zu reduzieren oder zu eliminieren. Dadurch muss das Schaltgas bei Interaktion mit der Prallwand 14 , 140 noch nicht vorgekühlt sein. Es darf vielmehr noch heiss und insbesondere ionisiert sein. Eine besonders kompakte Anordnung wird dadurch erreicht , dass die Prallwand die 14 , 140 Teil einer Strombahn 15 des Schaltgeräts 1 ist . Die Strombahn 15 ist in Fig. 1 eine Nennstrombahn, kann jedoch prinzipiell auch eine Leistungsstrombahn 15 sein.
Der Düsenkörper 10 kann eine geringe Wärmekapazität und/oder geringe Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Ein Beitrag des Düsenkörpers 10 zur Wärmeabfuhr ist also nicht nötig. Jedoch ist eine zusätzliche Kühlwirkung und homogene War- meverteilung im Düsenkörper 10 von Vorteil . Die Ausströmöffnungen 11 des Körpers 10 sollen als Düsen 110 , 111 , 112 wirken, die aufgrund ihrer Anordnung, Form und/oder Ausrichtung den Gasjets 12 eine gewünschte Strahlcharakteristik und/oder Ausrichtung vorgeben. Insbesondere sollen die Gasjets 12 in den Düsen 110 , 111 , 112 eine Kollimierung, Aufweitung oder Fokussierung erfahren, die so an einen Abstand H zur Prallwand 14 , 140 so angepasst ist , dass die Wirbelbildung an der Prallwand 14 , 140 oder im Bereich 14a der Prallwand 14 , 140 erfolgt .
Fig . 2a zeigt ein Ausführungsbeispiel , in dem die Düsen 110 in radial nach aussen gerichteter Strömungsrichtung des Schaltgases trichterförmig verjüngt sind. Gemäss Fig. 2b sind mit Vorteil solche Düsen 111 , 112 vorhanden, die gegeneinander gerichtet sind derart, dass die Traj ek- torien 121 , 122 der zugehörigen Gasj ets 12 einander vor Erreichen der Prallwand 14 , 140 kreuzen und vor Erreichen der Prallwand 14 , 140 Wirbel ausbilden. Die gegeneinander gerichteten Düsen 111 , 112 können insbesondere einander benachbarte Düsen 111 , 112 oder auch Düsengruppen sein . Die Blendenöffnungen können auch zylindrisch oder in Strahlrichtung konisch verbreitert sein, wodurch die Gasstrahlen 12 aufgeweitet werden. Weitere Varianten der Ausströmöffnungen 11 sind in der EP 1 403 891 Al beschrieben, deren gesamter Offenbarungsgehalt hiermit durch Bezugnahme in die Beschreibung aufgenommen wird. Dort sind insbesondere offenbart : axial und/oder am Umfang zueinander versetzte Ausströmöffnungen, Ausströmöffnungen mit unterschiedlichen Durchmessern, mit unterschiedlichen Mittenabständen, Ausströmöffnungen optimiert hinsichtlich ihrer Form, Grosse, Anordnung (z . B-. überwiegend im oberen Teil des Auspuffbereichs) und Anzahl . Für einen hohen Wirkungsgrad der Abkühlung wird für das Verhältnis von Abstand H der Blendenöffnungen zur gegenüberliegenden Wand zu ihrem Durchmesser D ein bevorzugter Bereich von 1 , 5<H/D<5 und insbesondere H/D=2 offenbart . Für den Mittenabstand S der Blendenöffnungen zu ihrem Durchmesser D wird ein Verhält- nis von S/H=l , 4 bevorzugt . Wenn dieser Abstand nicht unterschritten wird, ist sichergestellt , dass sich die um die Aufprallpunkte ausbildenden Verwirbelungen gegenseitig nicht negativ beeinflussen und das Gas wirksam gekühlt wird.
Der Düsenkörper 10 ist mit Vorteil eine Hülse 10 , insbesondere aus Metall . Die Hülse 10 kann im Prinzip beliebige Gestalt haben und ist beispielsweise hohlzylin- drisch (Fig. 1) oder kegelstumpfartig verjüngt (Fig . 2c) oder konisch zulaufend (Fig . 2d) geformt . In Fig . 1 ist ein unterer Deckel durch die erste Trennwand 19 zwischen Löschkammer 9 und erstem Auspuffbereich 7 gegeben und ein oberer Deckel durch eine Schaltkammerwand. Die Hülse 10 umschliesst ein Volumen V, wobei zusätzlich zu den Ausströmöffnungen 11 auch andere Öffnungen oder eine unvollständige Hülsenform prinzipiell zulässig sind, sofern genügend Staudruck aufgebaut werden kann und eine Jetbildung möglich ist . Mit Vorteil sind die Ausströmöffnungen 11 die einzigen Öffnungen. Das Verhältnis des eingeschlossenen Volumens V zur Gesamtfläche A der Ausströmöffnungen 11 soll mit Vorteil in einem Bereich 0 , 5 m < V/A < 1 , 5 m, bevorzugt 1 m < V/A < 1 , 4 m, besonders bevorzugt 1 , 2 m < V/A < 1 , 3 m, liegen.
Fig . 2c zeigt ein Ausführungsbeispiel , in dem die Ausströmöffnungen 11 an dem Körper 10 gehäuft in zwei radial gegenüberliegenden Bereichen IIa, IIb angeordnet sind. Dadurch kann im Schaltgas im äusseren Volumen 7b eine an der Prallwand 14 , 140 geführte Strömung induziert werden. Typischerweise verläuft die geführte Strömung auf Kreisbahnen, Schraubenbahnen und/oder Spiralbahnen Hab oder allgemein auf im wesentlichen rotationssymmetrischen Bahnen Hab um die Schalterachse Ia . Die Art der Bahn kann durch die Anordnung der Ausströmöffnungen 11 , durch strömungsführende Elemente und/oder durch die Gestalt des Düsenkörpers 11 und der Prallwand 14 , 140 , gewählt oder beeinflusst werden. Beispielsweise können bei axial gleichverteilten Ausströmöffnungen 11 , bei einer hohl- zylindrischen Prallwand 14 , 140 und bei einer hohl- zylindrischen Gestalt des Düsenkörpers 10 vorwiegend Kreisbahnen oder Schraubenbahnen und bei einer verjüngten Gestalt des Düsenkörpers 10 vorwiegend Spiralbahnen Hab induziert werden .
Es wurde eine theoretische Analyse des Wirkungsgrads η der Anordnung mit Düsenkδrper oder Hülse 10 und Prallwand 14 , 140 durchgeführt . Der Wirkungsgrad oder die Kühleffizienz η der Hülse 10 ist definiert als Verhältnis der dem Schaltgas mit Hilfe der Hülse 10 entzogenen Wärmeenergie zur gesamten Wärmeenergie des heissen Schaltgases . Man kann zeigen, dass näherungsweise gilt η (t) = (p2 - P2 1 ) / P2 wobei p2 = Schaltgasdruck ohne Hülse 10 im ersten Auspuffbereich 7 nach Schalterkontakttrennung; und p2 ' = Schaltgasdruck bei Anwesenheit der Hülse 10 im ersten Auspuffbereich 7 gemittelt über das innere und äussere Volumen 7a, 7b, ebenfalls nach Schalterkontakttrennung . Experimentell wurde der Druck p2 ohne Hülse 10 gemessen und der Druck p2 ' mit Hülse 10 dadurch bestimmt, das ein erster Druck im äusseren Volumen 7b gemessen wurde , ein zweiter Druck im inneren Volumen 7a durch Simulation berechnet wurde und der erste und zweite Druck gewichtet mit den zugehörigen Volumina 7a, 7b gemittelt wurden. Fig . 3 zeigt den Druckverlauf 31 als Funktion der Zeit für einen Auspuff 7 ohne Metallhülse 10 und einen Druckverlauf 32 mit Metallhülse 32. Nach der Kontakttrennung 33 wird der Druckanstieg bei unveränderter Steilheit auf ca . 50% des früher üblichen Wertes begrenzt . Bei Durchschreiten des Stromnulldurchgangs 34 fällt nun der Druck bereits wieder, was insgesamt zu einer erheblichen Druckreduktion über den Schaltvorgang führt . In Fig. 4 ist die Kühleffizienz η (t) dargestellt , die nach dem Stromnulldurchgang 34 über 45% beträgt und kurzzeitig ein Maximum von 60% erreicht .
Desweiteren wurden experimentelle Versuche mit einem Leistungsschalter 1 mit Metallhülse 10 und Schaltgehäuse- prallwand 14 durchgeführt . Im Versuch betrug das Volumen- zu-Flächenverhältnis der Metallhülse 10 1.05 m. Bei diesem Verhältnis wurde berücksichtigt , dass im vorliegenden Fall ca . 80 % der geometrischen Fläche A der Ausströmöffnungen 11 tatsächlich wirksam ist . Im Versuchslabor wurden Ströme im Bereich von mehr als 63 kA mit hoher Asymmetrie , langen Lichtbogenzeiten und einer daraus resultierenden Energieeinkopplung von ca . 1 MJ in den Leistungsschalter 1 fehlerfrei abgeschaltet . Damit ist experimentell und theoretisch nachgewiesen, dass durch die Erfindung die Wärmeabführung aus dem Schaltgas massiv verbessert werden kann . Zusätzlich kann das Schaltkammergehäuse 3 durch die Metallhülse 10 vor Heissgasen geschützt werden.
In weiteren, hier nicht dargestellten Ausführungsbeispielen sind im inneren Volumen 7a mindestens ein weiterer Körper mit weiteren Ausströmöffnungen zur Erzeugung weiterer Gasj ets vorhanden und das innere Volumen 7a ist durch den weiteren Körper in ein inneres und äusseres Untervolumen unterteilt , wobei in dem äusseren Untervolumen mindestens eine weitere Prallwand derart angeordnet ist , dass die weiteren Gasj ets gegen die weitere Prallwand gerichtet sind. Mit Vorteil sind mindestens j e ein Körper 10 und mindestens j e eine zugehörige Prallwand 14 , 140 in einem ersten Auspuffbereich 7 des ersten Kontakts 4 und in einem zweiten Auspuffbereich 8 des zweiten Kontakts 5 vorhanden. Das Schaltkammergehäuse 3 kann ein druckdichtes Kapselungsgehäuse 3 für das Schaltgas , insbesondere das Löschgas und Auspuffgas , sein . Das Schaltkammergehäuse 3 kann von einem magnetfeldabschirmenden Aussengehäuse umgeben sein. Das Aussengehäuse kann zugleich als mechanische Halterung für das Schaltgerät 1 ausgelegt sein. Die Erfindung ist auf j eden Typ eines elektrischen Schaltgeräts 1 anwendbar, insbesondere in Generatorschaltern I 7 in Schaltern mit rotierendem Lichtbogen, in Selbstblasschaltern, in Gas- oder SF6-Schaltern und in Schaltern mit hohlem Kontaktrohr für Schaltgaswegführung aus der Lichtbogenlöschzone . Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zur Kühlung eines Schaltgases in einem elektrischen Schaltgerät 1 für elektrische Energieversorgungsnetze , insbesondere in einem Generatorschalter 1 , wobei das Schaltgerät 1 eine Schaltkammer 2 umfasst , die von einem Schaltkammergehäuse 3 umschlossen ist , wobei ferner bei einem Schaltvorgang das Schaltgas von einer Lichtbogenlöschzone 6 zu einem Auspuffbereich 7 , 8 geströmt wird, dabei ein eine Vielzahl von Ausströmöffnungen 11 aufweisender Körper 10 durchströmt wird und das Schaltgas in eine Vielzahl gerichteter Gasj ets 12 aufgeteilt wird, wobei ferner die Gasj ets 12 in eine Vielzahl von Wirbeln 13 verwirbelt werden und den Wirbeln 13 durch Konvektion in einem Bereich 14a einer Prallwand 14 , 140 von der Prallwand 14 , 140 Wärmeenergie entzogen wird, wobei die Prallwand 14 , 140 durch mindestens einen Abschnitt 14 des Schaltkammergehäuses 3 gebildet wird oder an einem Abschnitt des Schaltkammergehäuses 3 befestigt ist . Im folgenden werden einige Ausführungsbeispiele angegeben.
Die Prallwand 14 , 140 kann auf dem Potential des Schalt- kammergehäuses 3 gehalten werden. Die Prallwand 14 , 140 kann auch durch Wärmeleitung auf einer Temperatur des Schaltkammergehäuses 3 gehalten werden. Die Bildung der Schaltgaswirbel 13 kann durch Wechselwirkung der Gasj ets 12 untereinander vor Erreichen der Prallwand 14 , 140 unterstützt werden. Insbesondere können im Körper 10 solche Gasj ets 12 gebildet werden, deren Traj ektorien 121 , 122 einander vor Erreichen der Prallwand 14 , 140 kreuzen. Auch kann eine Abstrahlcharakteristik der Ausströmöffnungen 11 so an einen Abstand H zur Prallwand 14 , 140 angepasst werden, dass die Wirbel 13 an oder im Bereich 14a der Prallwand 14 , 140 gebildet werden. Mit Vorteil wird oder werden das Schaltgas und insbesondere die Wirbel 13 auf Kreisbahnen, Schraubenbahnen oder auf Spiralbahnen um die zentrale Achse Ia des Schaltgeräts 1 entlang der Prallwand 14 , 140 geführt . Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Abschnitt einer elektrischen Hochspannungsanlage, die ein elektrisches Schaltgerät 1, insbesondere einen Generatorschalter 1, wie zuvor beschrieben und wie in den Ansprüchen 5-13 beansprucht auf we ist.
BEZUGSZEICHENLISTE
1 Elektrisches Schaltgerät
Ia Zentrale Achse, Schalterachse
2 Schaltkammer
3 Schaltkammergehäuse , Schaltkammerwand 3a Erstes Auspuffgehäuse
3b Zweites Auspuffgehäuse
3c Löschkammergehäuse , Löschkammerisolator
4 Erster Kontakt , (Lichtbogen- ) Schaltstift
5 Zweiter Kontakt, (Lichtbogen- ) Kontakttulpe
6 Lichtbogenlöschzone 6a Lichtbogen
7 Erster Auspuffbereich 7a Inneres Volumen
7b Äusseres Volumen
7c Strömungsumlenkelement
8 Zweiter Auspuffbereich
9 Löschkammer
10 Körper, Düsenkörper, Hülse, Metallhülse
100 Schaltgasströmung aus Löschzone
101 Rezirkulationsströmung im inneren Volumen
11 Ausströmöffnungen
IIa, IIb Radial gegenüberliegende Bereiche
Hab Kreisbahnen, Schraubenbahnen, Spiralbahnen
110 , 111 , 112 Düsenformen
12 Gasjets
12a Ablösebereich
12b Verwirbelungsbereich
121, 122 Traj ektorien
13 Wirbel
130 Wirbelbereich, Bereich der konvektiven turbulenten Wärmeübertragung, Wirbelgrenzschicht
131 Ausströmbereich
132 Nachströmbereich , Ansaugbereich
14 Prallwand, Schal tkammergehäuseabschnitt 40 Prallwand, Platte , Kühlkörper 4a Prallwandbereich 5 Strombahn 6 Erster feststehender Nennstromkontakt 17 Zweiter feststehender Nennstromkontakt
18 Beweglicher Nennstromkontakt
19 Erste Trennwand
20 Abbrandschaltanordnung
21 Isolierstoffdüse
22 Gleitführung
23 Zweite Trennwand
24 Heizvolumen
25 Blasschlitz
26 Wand
27 Blaszylinder
28 Blaskolben
29 Blaskanal
30 Rückschlagventil
31 Druckverlauf (Stand der Technik)
32 Druckverlauf mit Körper und Prallwand
33 Kontakttrennung
34 Stromnulldurchgang
D Durchmesser von Ausströmöffnungen
H Abstand Ausströmöffnung zu Prallwand
S Mittenabstand zwischen Ausströmöffnungen t Zeit η Wirkungsgrad

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Verfahren zur Kühlung eines Schaltgases in einem elektrischen Schaltgerät ( 1) für elektrische Energieversorgungsnetze, insbesondere in einem Generatorschalter (1) , wobei das Schaltgerät (1) eine Schaltkammer (2) umfasst , die von einem Schaltkammergehäuse (3 ) umschlossen ist , wobei ferner bei einem Schaltvorgang das Schaltgas von einer Lichtbogenlöschzone (6) zu einem Auspuffbereich (7 , 8) strömt , dabei einen eine Vielzahl von Ausströmöffnungen (11) aufweisenden Körper ( 10) passiert und in eine Vielzahl gerichteter Gasjets (12 ) aufgeteilt wird, wobei ferner die Gasj ets ( 12 ) in eine Vielzahl von Wirbeln ( 13 ) verwirbelt werden und den Wirbeln (13 ) durch Konvektion im Bereich einer Prallwand (14 , 140) von der Prallwand (14 , 140) Wärmeenergie entzogen wird, dadurch gekennzeichnet , dass die Prallwand ( 14 , 140) durch mindestens einen Abschnitt (14 ) des Schaltkammergehäuses (3 ) gebildet wird oder an einem Abschnitt des Schaltkammergehäuses (3 ) befestigt ist .
2. Verfahren zur Kühlung eines Schaltgases nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet , dass a) die Prallwand (14 , 140) auf dem Potential des Schaltkammergehäuses (3) gehalten wird und/oder b) die Prallwand (14 , 140) durch Wärmeleitung auf einer Temperatur des Schaltkammergehäuses (3 ) gehalten wird.
3. Verfahren zur Kühlung eines Schaltgases nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass a) die Bildung der Wirbel (13 ) durch Wechselwirkung der Gasj ets (12 ) untereinander vor Erreichen der Prallwand (14 , 140) unterstützt wird und b) insbesondere dass im Körper (10) solche Gasjets ( 12 ) gebildet werden, deren Traj ektorien (121 , 122 ) einander vor Erreichen der Prallwand (14 , 140 ) kreuzen .
4. Verfahren zur Kühlung eines Schaltgases nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass a) eine Abstrahlcharakteristik der Ausströmöffnungen (11) so an einen Abstand (H) zur Prallwand ( 14 , 140) angepasst wird, dass die Wirbel (13 ) an oder im Bereich (14a) der Prallwand (14 , 140) gebildet werden und/oder b) das Schaltgas und insbesondere die Wirbel (13 ) auf Kreisbahnen, Schraubenbahnen oder auf Spiralbahnen entlang der Prallwand ( 14 , 140) geführt wird oder werden.
Elektrisches Schaltgerät (1) für ein elektrisches Energieversorgungsnetz, insbesondere Generatorschalter
(1) , umfassend eine Schaltkammer (2) , die von einem Schaltkammergehäuse (3 ) umschlossen ist und eine zentrale Achse ( Ia) sowie einen ersten Kontakt (4 ) und einen zweiten Kontakt (5) aufweist, wobei in einem Auspuffbereich (7 , 8) des ersten oder zweiten Kontakts
(4 , 5) ein Körper ( 10) mit Ausströmöffnungen ( 11) zum Durchströmen von Schaltgas vorhanden ist , der Auspuff- bereich ( 7 , 8) durch den Körper (10) in ein inneres Volumen (7a) und ein äusseres Volumen (7b) unterteilt ist und im äusseren Volumen (7b) eine Prallwand (14 , 140) zur Kühlung des Schaltgases vorhanden ist, wobei ferner die Ausströmöffnungen (11) des Körpers (10) zur Erzeugung einer Vielzahl gerichteter Gasj ets ( 12 ) dienen, die Gasj ets (12) auf die Prallwand (14 , 140) gerichtet sind und eine Vielzahl von Wirbeln (13 ) ausbilden und die Wirbel (13) einen konvektiven Wärmeübergang vom Schaltgas in die Prallwand ( 14 , 140) bewirken, dadurch gekennzeichnet , dass die Prallwand (14 , 140) durch mindestens einen Abschnitt (14 ) des Schaltkammergehäuses (3 ) gebildet ist oder an einem Abschnitt des Schaltkammergehäuses (3) befestigt ist . 6. Elektrisches Schaltgerät (1 ) nach Anspruch 5 , dadurch gekennzeichnet , dass a) die Prallwand ( 14 , 140 ) auf dem Potential des Schaltkammergehäuses (3 ) liegt und/oder b) die Prallwand (14 , 140 ) Teil einer Strombahn (15 ) des Schaltgeräts ( 1) ist .
7. Elektrisches Schaltgerät ( 1) nach einem der Ansprüche 5 - 6 , dadurch gekennzeichnet , dass a) die Prallwand (14 , 140) eine grosse Wärmekapazität zur Kühlung des turbulenten Schaltgases aufweist und/oder b) die Prallwand (14 , 140) zur Kühlung des turbulenten Schaltgases eine grosse Wärmeleitfähigkeit aufweist und wärmeleitend mit dem Schaltkammergehäuse ( 3 ) verbunden ist und/oder c) der Körper ( 10) eine geringe Wärmekapazität und/oder geringe Wärmeleitfähigkeit aufweist .
8. Elektrisches Schaltgerät ( 1) nach einem der Ansprüche 5 - 7 , dadurch gekennzeichnet , dass a) die Ausströmöffnungen (11) des Körpers (10) Düsen
( 110 , 111 , 112 ) sind, die aufgrund ihrer Anordnung, Form und/oder Ausrichtung den Gasj ets ( 12 ) eine gewünschte Strahlcharakteristik und/oder Ausrichtung vorgeben und b) insbesondere dass die Gasj ets ( 12 ) in den Düsen ( 110 , 111 , 112 ) eine Kollimierung, Aufweitung oder
Fokussierung erfahren, die so an einen Abstand (H) zur Prallwand ( 14 , 140 ) angepasst ist , dass die Wirbelbildung an der Prallwand ( 14 , 140) oder in einem Bereich ( 14a) der Prallwand ( 14 , 140) erfolgt .
3. Elektrisches Schaltgerät ( 1) nach Anspruch 8 , dadurch gekennzeichnet , dass a) die Düsen (110) in radialer Strömungsrichtung des Schaltgases trichterförmig verjüngt sind und/oder b) Düsen ( 111 , 112 ) vorhanden sind, insbesondere einander benachbarte Düsen ( 111 , 112 ) , die gegeneinander gerichtet sind derart , dass die Traj ektorien ( 121 , 122 ) der zugehörigen Gasj ets ( 12 ) einander vor Erreichen der Prallwand (14 , 140 ) kreuzen und vor Erreichen der Prallwand (14 , 140) Wirbel ausbilden .
10. Elektrisches Schaltgerät ( 1 ) nach einem der Ansprüche 5 - 9 , dadurch gekennzeichnet , dass a) der Körper ( 10 ) eine Hülse (10 ) , insbesondere aus Metall , ist , deren eingeschlossenes Volumen V zur Gesamtfläche A der Ausströmöffnungen ( 11) ein Verhältnis bilden, das in einem Bereich 0 , 5 m < V/A < 1 , 5 m, bevorzugt 1 m < V/A < 1 , 4 m, besonders bevorzugt 1 , 2 m < V/A < 1 , 3 m, liegt und/oder b) die Ausströmöffnungen ( 11) an dem Körper (10 ) gehäuft in zwei radial gegenüberliegenden Bereichen
(IIa , IIb) angeordnet sind, um im Schaltgas im äus- seren Volumen ( 7b) eine auf Kreisbahnen, Schraubenbahnen und/oder Spiralbahnen an der Prallwand ( 14 , 140 ) geführte Strömung zu induzieren .
11. Elektrisches Schaltgerät ( 1 ) nach einem der Ansprüche 5- 10 , dadurch gekennzeichnet , dass a) im inneren Volumen ( 7a) mindestens ein weiterer Körper mit weiteren Ausströmöffnungen zur Erzeugung weiterer Gasj ets vorhanden ist oder sind und das innere Volumen (7a) durch den weiteren Körper in ein inneres und äusseres Untervolumen unterteilt ist und b) in dem äusseren Untervolumen mindestens eine weitere Prallwand derart angeordnet ist , dass die weiteren Gasj ets gegen die weitere Prallwand gerichtet sind . 12. Elektrisches Schaltgerät ( 1) nach einem der Ansprüche 5-11 , dadurch gekennzeichnet , dass mindestens j e ein Körper (10) und mindestens j e eine zugehörige Prall- wand ( 14 , 140) in einem ersten Auspuffbereich (7 ) des ersten Kontakts (4 ) und in einem zweiten Auspuff- bereich (8 ) des zweiten Kontakts (5) vorhanden sind.
13. Elektrisches Schaltgerät (1) nach einem der Ansprüche 5-12 , dadurch gekennzeichnet, dass a) das Schaltkammergehäuse (3 ) ein druckdichtes Kapselungsgehäuse (3 ) für das Schaltgas ist und/oder b) das Schaltkammergehäuse (3) von einem magnetfeldabschirmenden Aussengehäuse umgeben ist und/oder c) das Schaltgerät ( 1) ein Generatorschalter (1) ist .
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