WO2009124582A1

WO2009124582A1 - Gasisolierter hochspannungsschalter

Info

Publication number: WO2009124582A1
Application number: PCT/EP2008/054164
Authority: WO
Inventors: Christian Franck; Michael Schwinne; Arthouros Iordanidis
Original assignee: Abb Research Ltd
Priority date: 2008-04-07
Filing date: 2008-04-07
Publication date: 2009-10-15

Abstract

Der Schalter weist in koaxialer Anordnung zwei längs einer Achse (A) relativ zueinander verschiebbare Lichtbogenkontakte (11, 21) auf sowie ein Heizvolumen (70) und eine Isolierdüse (31) mit einer langen Engstelle (21), die zwei in Richtung der Achse (A) aufeinander folgende Abschnitte (34, 35) mit unterschiedlichem Strömungsquerschnitt enthält, von denen der an einen Eingang (32) der Düse (30) sich anschliessende erste Abschnitt (34) einen kleineren minimalen Strömungsquerschnitt aufweist als der zweite Abschnitt (35). Der Schalter wirkt in der Hochstromphase eines abzuschaltenden Kurzschlusstroms wie ein Schalter mit einer langen Engstelle und bei Annäherung des Kurzschlussstroms an einen Nulldurchgang wie ein Schalter mit einer kurzen Engstelle. Er weist daher ein hervorragendes thermisches Schaltverhalten auf.

Description

Gasisolierter Hochspannungsschalter

Erfindungsgebiet

Die Erfindung bezieht sich auf einen gasisolierten Hochspannungsschalter, der in der Hochstromphase eines abzuschaltenden Kurzschlussstroms die Energie eines Schaltlichtbogens ausnutzt, um durch Abbrand von Isolierstoff einer Isolierdüse in einer den Schaltlichtbogen aufnehmenden Lichtbogenzone heisses Druckgas zu erzeugen, welches in einem Heizvolumen als Löschgas gespeichert wird und bei Annäherung des Kurzschlussstroms an einen Nulldurchgang zusammen mit dem Gas des Schaltlichtbogens durch die Engstelle strömt und in einen Diffusor der nun als Lavaldüse wirkenden Isolierdüse expandiert.

Die Masse des abgebrannten Isolierstoffs bestimmt hierbei die Druckzunahme in der Lichtbogenzone, die Stärke einer ins Heizvolumen gerichteten Strömung des heissen Druckgases (Rückheizen) und somit auch die Menge und den Druck des im Heizvolumen gespeicherten Löschgases. Um beim Schaltvorgang die für den Druckaufbau benötigte Menge an Heissgas zu erzeugen, ist vor allem die Düsenengstelle geeignet zu dimensionieren. Typischerweise ist die Engstelle hohlzylinderförmig ausgebildet, wobei der Hohlzylinder längs der Zylinderachse weiter erstreckt ist als quer zur Achse. Es kann so gegenüber einer Düse mit einer kürzeren Engstelle ein höherer Druckaufbau in der Lichtbogenzone und damit eine bessere Rückheizung erreicht werden.

Der vorgenannte Schalter wird im allgemeinen als Leistungsschalter im Spannungsbereich von über 70 kV und für Ausschaltströme von über 10 kA eingesetzt und enthält ein Lichtbogenlöscheigenschaften aufweisendes Isoliergas, etwa auf der Basis von Schwefelhexafluorid und/oder Stickstoff und/oder Kohlendioxid, von im allgemeinen bis zu einigen bar Druck. 2 08/022

Hintergrund der Erfindung

Ausführungsformen von Schaltern der eingangs genannten Art sind beschrieben in DE 196 45 524 A1 , DE 198 09 088 C1 und US 2001/0045410 A1. Diese Schalter weisen jeweils eine Isolierdüse auf mit einem Eingang, einer Engstelle und einem Diffusor. Die Engstelle ist hohlzylindrisch ausgeführt und weist eine den Durchmesser des Hohlzylinders übertreffende Länge auf, welche in einer vorteilhaften Ausführungsform das Doppelte, gegebenenfalls auch das Drei- und Vierfache des Durchmessers beträgt. Ein beim Ausschalten eines Kurzschlussstroms zwischen zwei sich trennenden Lichtbogenkontakten brennender Schaltlichtbogen befindet sich dann in einer von den beiden

Lichtbogenkontakten axial und der Isolierdüse radial begrenzten Lichtbogenzone. Durch Abbrand von Isoliermaterial der Düse erzeugt der Schaltlichtbogen in der Hochstromphase des Kurzschlussstroms heisses und unter Überdruck stehendes Gas, das in ein von der Lichtbogenzone getrenntes Volumen geführt und dort als unter Überdruck stehendes Löschgas gespeichert wird. Bei Annäherung des Kurzschlussstroms an einen Nulldurchgang strömen aus dem Volumen austretendes Löschgas und in der Lichtbogenzone befindliches Lichtbogengas durch die Düsenengstelle und expandieren in den Diffusor der nun als Lavaldüse wirkenden Isolierdüse. Es wird so eine Unterbrechung des Kurzschlussstroms erreicht.

Dadurch, dass die Engstelle längs der Zylinderachse über eine grosse Länge erstreckt ist, wird eine gute Rückheizung erreicht und steht gegenüber einer kurzen Düse eine grossere Menge an unter Überdruck stehendem Löschgas bei der thermischen Unterbrechung des Kurzschlussstroms zur Verfügung. Es hat sich jedoch herausgestellt, dass mit einem vergleichbar ausgebildeten Schalter, der aber eine Isolierdüse mit einer kürzeren Engstelle aufweist, eine bessere thermische Unterbrechung des Kurzschlussstroms erreicht wird. 3 08/022

Zusammenfassung der Erfindung

Die Erfindung wird im Hauptanspruch definiert und charakterisiert, während die abhängigen Ansprüche weitere Merkmale der Erfindung beschreiben.

Zweck der Erfindung ist es, einen gasisolierten Hochspannungsschalter mit grossem Schaltvermögen zu schaffen, der eine Isolierdüse enthält mit einer in Durchströmrichtung der Düse langen Düsenengstelle.

Der erfindungsgemässe Schalter enthält in koaxialer Anordnung zwei längs einer Achse relativ zueinander verschiebbare Lichtbogenkontakte, ein Heizvolumen und eine Isolierdüse mit einem Eingang, einer längs der Achse ausgerichteten Engstelle, die entlang der Achse länger als senkrecht zur Achse erstreckt ist, und einem Diffusor.

Beim Ausschalten eines Kurzschlussstroms wirken diese Teile wie folgt zusammen: ein freies Ende eines ersten beider Lichtbogenkontakte und ein auf diesem Ende fussender Schaltlichtbogen werden durch die Engstelle in den Diffusor geführt, die Engstelle ist bis zum Austreten des freien Endes des ersten Lichtbogenkontakts aus der Engstelle gegen Gasverlust gedämmt, während infolge Lichtbogenabbrand aus dem Material der Isolierdüse erzeugtes heisses Druckgas aus einer den Schaltlichtbogen aufnehmenden Lichtbogenzone ins Heizvolumen gebracht und dort als unter Überdruck stehendes Löschgas gespeichert wird, und nach Austreten des freien Endes des ersten Lichtbogenkontakts aus der Engstelle und Annäherung des abzuschaltenden Stroms an einen Nulldurchgang treten aus dem Heizvolumen strömendes Löschgas und in der Lichtbogenzone befindliches Lichtbogengas als Gasströmung durch die Düsenengstelle und expandieren in den Diffusor der nun als Lavaldüse wirkenden Isolierdüse.

Die Engstelle der Isolierdüse enthält zwei in Richtung der Löschgasströmung aufeinanderfolgende Abschnitte mit unterschiedlichem Strömungswiderstand, von denen der an den Eingang der Düse sich anschliessende erste Abschnitt einen kleineren minimalen Strömungswiderstand aufweist als der zweite Abschnitt. 4 08/022

Der erfindungsgemässe Hochspannungsschalter wirkt daher in der Hochstromphase des Kurzschlusstroms wie ein Schalter mit einer langen Engstelle und führt dann dem Heizvolumen durch Rückheizung sehr viel heisses Druckgas zu, so dass im Heizvolumen eine grosse Menge an unter Überdruck stehendem Löschgas gebildet und gespeichert werden wird. Bei Annäherung des Kurzschlussstroms an einen Nulldurchgang tritt wegen der unterschiedlichen Strömungsquerschnitte am Übergang von ersten zum zweiten Abschnitt in der Gasströmung ein Druckgradient auf, der durch Bildung von Turbulenzen bereits in der Engstelle das durch die Engstelle strömende Gas kühlt. Der erfindungsgemässe Schalter wirkt daher beim Nulldurchgang des Stroms wie ein Schalter mit einer kurzen Engstelle und weist gegenüber einem Schalter mit einer langen Engstelle ein besseres thermisches Schaltverhalten auf.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Anhand von Zeichnungen wird nachfolgend die Erfindung näher erläutert. Hierbei zeigt:

Fig.1 eine Aufsicht auf einen längs einer Symmetrieachse geführten Schnitt durch einen lediglich oberhalb der Achse dargestellten Hochspannungs- Leistungsschalter nach dem Stand der Technik beim Ausschalten eines Kurzschlussstroms,

Fig.2 eine entsprechend Fig.1 dargestellte erste Ausführungsform eines

Hochspannungs-Leistungsschalters nach der Erfindung beim Ausschalten des vorgenannten Kurzschlussstroms,

Fig.3 ein Diagramm, in dem die Verteilung des in [bar] angegebenen Drucks einer axial durch eine Isolierdüse des Schalters nach Fig.1 bzw. des

Schalters nach Fig.2 strömenden Gasströmung längs der Achse dargestellt ist,

Fig.4 ein Diagramm, in dem die Verteilung der in [Mach] angegebenen

Geschwindigkeit der in Fig.3 genannten beiden Gasströmungen längs der Achse dargestellt ist, und 5 08/022

Figuren 5 bis 7 jeweils eine Isolierdüsen dreier weiterer Ausführungsformen des Schalters nach der Erfindung.

Wege zur Ausführung der Erfindung

In den Figuren beziehen sich gleiche Bezugszeichen auf gleichwirkende Teile. Die in den Figuren 1 und 2 dargestellten Hochspannungs-Leistungsschalter können beispielsweise in einem mehrphasigen Hochspannungsnetz mit einer Nennspannung von 245 kV als Pol zum Schalten einer der Phasen eingesetzt werden und beherrschen hierbei einen Nenn-Kurzschlussausschaltstrom von typischerweise 50 kA. Jeder dieser Schalter weist ein nicht dargestelltes

Löschkammergehäuse auf, welches mit einem komprimierten Isoliergas, etwa auf der Basis Schwefelhexafluorid oder eines Schwefelhexafluorid enthaltenden Gasgemischs, gefüllt ist und in dem eine Kontaktanordnung angeordnet ist. Die Kontaktanordnung enthält zwei längs einer Symmetrieachse Achse A relativ zueinander verschiebbare Schaltstücke 10, 20, von denen das Schaltstück 10 mit einem nicht dargestellten Antrieb verbunden ist, während das Schaltstück 20 im allgemeinen feststehend im Löschkammergehäuse angeordnet ist. Beide Schaltstücke 10, 20 enthalten jeweils einen Lichtbogenkontakt 11 , 21 und in koaxialer Anordnung jeweils einen mit dem innenliegenden Lichtbogenkontakt elektrisch leitend verbundenen, aussenliegenden Nennstromkontakt 12, 22. Der Lichtbogenkontakt 11 ist als Kontaktfinger enthaltende Kontakttulpe, der Lichtbogenkontakt 21 als zylinderförmiger Kontaktstift mit konstantem Durchmesser D ausgeführt. Der Kontaktstift 21 muss nicht notwendigerweise feststehend gehalten sein, er kann auch über ein nicht dargestelltes Umlenkgetriebe mit dem Schaltstück 10 resp. einer an diesem Schaltstück befestigten Isolierdüse 30 gekoppelt sein und bewegt sich dann gegenläufig zum Schaltstück 10 bzw. zum Lichtbogenkontakt 11.

Das Schaltstück 10 trägt in koaxialer Anordnung eine innenliegende Isolierhilfsdüse 40, welche an einem freien Ende des als Tulpe ausgebildeten Lichtbogenkontakts 11 befestigt ist, und die Isolierdüse 30. Beide Düsen enthalten ein bei Lichtbogeneinwirkung löschgasabgebendes polymeres Isoliermaterial, 6 08/022 vorzugsweise Polytetrafluorethylen. Beide Düsen 30 und 40 begrenzen einen axialsymmethsch ausgebildeten Heizkanal 50, der in eine entlang der Achse A erstreckte, von der Kontakttulpe 11 und dem Kontaktstift 21 axial und der Isolierhilfsdüse 40 und der Isolierdüse 30 radial nach aussen begrenzte Lichtbogenzone 60 mündet und diese Zone mit einem die Kontakttulpe 11 umgebenden Heizvolumen 70 verbindet.

Die Isolierdüse 30 enthält eine vom polymeren Isoliermaterial radial nach aussen begrenzte, zylindersymmetrische Engstelle 31 , welche in Richtung der Achse A nach links von einem sich konisch verjüngenden Düseneingang 32 und nach rechts von einem sich konisch erweiternden Diffusor 33 begrenzt ist. In entsprechender Weise enthält die Isolierhilfsdüse 40 eine zylindersymmetrische Engstelle 41 , einen Eingang 42 und einen Diffusor 43.

Beim Abschalten eines mittleren oder grossen Kurzschlussstroms, welcher typischerweise 10% bis 100% des Nenn-Kurzschlussausschaltstroms beträgt, wird das Schaltstück 1 nach links bewegt und trennen sich zunächst die beiden

Nennstromkontakte 12, 22. Danach trennen sich die beiden Lichtbogenkontakte 11 , 21 und bildet sich ein auf den lichtbogenabbrandfest ausgebildeten freien Enden der beiden Lichtbogenkontakte fussender Schaltlichtbogen S. Das abbrandfeste freie Ende des Kontakts 21 und dementsprechend auch der auf diesem Ende fussende Schaltlichtbogen S werden durch die Engstelle 31 in den Diffusor 33 geführt.

In der Hochstromphase des abzuschaltenden (Wechsel)stroms strahlt der Schaltlichtbogen S intensiv und verdampft dann das der Lichtbogenstrahlung ausgesetzte Material der Isolierdüse 30 und der Isolierhilfsdüse 40. Der Durchmesser D der Engstelle 31 ist so bemessen, dass der Kontaktstift 21 die Engstelle in Einschaltzustand des Schalters verdämmt. Ein Teil des verdampften Materials wird als heisses Druckgas über den Heizkanal 50 ins Heizvolumen 70 geführt und dort mit kühlem Isoliergas zu hochwertigem, unter Überdruck stehendem Löschgas vermischt. Eine ausreichend grosse Menge an Gas wird im allgemeinen erreicht, wenn die axiale Länge der Engstelle 31 mindestens das 1 - bis 2-fache des Durchmessers beträgt. Bei Annäherung des abzuschaltenden Stroms an einen Nulldurchgang strömt das im Heizvolumen 70 gespeicherte 7 08/022

Löschgas 80 über den Heizkanal 50 in die Lichtbogenzone 60, wobei auf der Achse A ein Staupunkt SP auftritt. Am Staupunkt SP bildet sich eine nach rechts durch die Isolierdüse 30 bzw. eine nach links durch die Isolierhilfsdüse 40 gerichtete Gasströmung 81 bzw. 82 aus, welche das Löschgas und heisse Gase das Schaltlichtbogens S umfasst. Im Eingangsbereich der Isolierdüse wird die Gasströmung 81 auf sich der Mach-Zahl 1 nähernde sonische Geschwindigkeit beschleunigt.

Ist die Engstelle 31 der Isolierdüse 30 - wie aus dem Stand der Technik bekannt - als vergleichsweise langer Hohlzylinder mit konstantem Durchmesser D und mit einer typischerweise das 1 - bis 2-fache des Durchmessers betragenden oder übertreffenden Länge L_G ausgebildet, so wird die Geschwindigkeit der Gasströmung 81 in der Engstelle 31 die Mach-Zahl 1 nicht wesentlich überschreiten und erst durch Expansion in den Diffusor 33 bei stark abnehmendem statischem Druck eine grossere Mach-Zahl erreichen.

Entsprechendes gilt auch für die durch die Isolierhilfsdüse 40 geführte

Gasströmung 82. Weist diese Düse als Engstelle 41 einen entsprechend der Isolierdüse 30 dimensionierten Hohlzylinder auf, so erreicht die Geschwindigkeit der Gasströmung 82 erst im Diffusor 43 eine wesentlich über 1 liegende Mach- Zahl.

Weist die Engstelle 31 der Isolierdüse 30 hingegen zwei aus den Figuren 2, 5, 6 und 7 ersichtliche und in Richtung der Gasströmung 81 aufeinanderfolgende Abschnitte 34, 35 mit unterschiedlichem Querschnitt für die Gasströmung auf, von denen der an den Einlauf 32 sich anschliessende Abschnitt 34 gegenüber der Gasströmung 81 einen kleineren minimalen Strömungsquerschnitt aufweist als der von diesem Abschnitt und dem Diffusor 33 axial begrenzte Abschnitt 35, so wird ein geändertes Verhalten der Gasströmung 81 erreicht. Zum einen erzeugt der Schaltlichtbogen S wie beim Schalter nach dem Stand der Technik in der Hochstromphase des Kurzschlussstroms durch Abbrand von Isolierstoff über die gesamte axiale Länge L_G der Engstelle 31 das zum Druckaufbau im Heizvolumen 70 erforderliche heisse Gas. Da in der Engstelle der Abstand des

Schaltlichtbogens von Material der Düse 30 gering ist, ist die dabei anfallende Heissgasmenge praktisch genauso gross wie bei einem Hohlzylinder der Länge 8 08/022

L_G. Die Engstelle 31 wirkt daher in der Hochstromphase bei vorgegebenem Durchmesser als langer Hohlzylinder, durch den in der Hochstromphase der Löschgasdruck im Heizvolumen 70 infolge Materialabbrand wesentlich zunimmt. Zum anderen stellt der Übergang vom Bereich 34 in den Bereich 35 ein Mittel dar, welches den Druckgradienten der Gasströmung 81 erhöht, wodurch sich bereits am Übergang in der Engstelle 31 die Geschwindigkeit der Gasströmung 81 auf über 1 [Mach] erhöht. Der Schaltlichtbogen S wird daher bei Annäherung an den Stromnulldurchgang bereits in der Engstelle 31 wirksam mit Löschgas beblasen und gekühlt. Da der statische Druck der Gasströmung 81 beim Eintritt in den Diffusor 33 stark ansteigt, wird zugleich die dielektrisch hoch belastete Strecke zwischen dem freien Ende des Kontaktstifts 21 und der Isolierdüse 30 durch Erhöhung des statischen Drucks des im Diffusor 33 befindlichen Gases dielektrisch verfestigt und die Wahrscheinlichkeit einer Rückzündung des im Stromnulldurchgang erloschenen Schaltlichtbogens erheblich reduziert. Die Engstelle 31 wirkt daher bei Annäherung des Kurzschlussstroms an einen

Nulldurchgang bei vorgegebenem Durchmesser als kurzer Hohlzylinder, durch den gegenüber einem langen Hohlzylinder eine das thermische Schaltverhalten verbessernde Gasströmung 81 fliesst. Das Schaltvermögen des erfindungsgemässen Schalters wird so gegenüber dem Schalter nach dem Stand der Technik verbessert.

Bei der Ausführungsform des erfindungsgemässen Schalters nach Fig.2 ist der Abschnitt 34 als Hohlzylinder ausgeführt, wohingegen der angrenzende zweite Abschnitt 35 sich mit einem Öffnungswinkel CI_E konisch öffnet. Der Öffnungswinkel <3_E ist in jedem Fall kleiner als der im allgemeinen mehr als 25° betragende Öffnungswinkel CI_D des Diffusors 33, da nur so über die gesamte axiale Länge L_G der Engstelle 31 die erwünschte Heizleistung des Schaltlichtbogens S zur Erzeugung von heissem Druckgas infolge Düsenabbrand ausgenutzt werden kann. Je nach Grosse des Durchmessers des die Engstelle 31 bei geschlossenem Schalter verdämmenden Kontaktstifts 21 liegt der Öffnungswinkel CI_E zwischen 3 und 10°.

Die Wirkungsweise der beiden Schalter nach den Figuren 1 und 2 ist aus den Diagrammen gemäss den Figuren 3 und 4 ersichtlich. In diesen Diagrammen sind bei einem Nulldurchgang des Kurzschlussstroms die Verteilung des Drucks in 9 08/022

[bar] und die Verteilung der Geschwindigkeit in [Mach] des axial durch die Isolierdüse 30 des Schalters nach Fig.2 und des vergleichbar ausgebildeten Schalters nach dem Stand der Technik strömenden Gases 81 entlang der Achse A in Funktion des Ortes dargestellt. Hierbei sind in Strömungsrichtung aufeinanderfolgend der Staupunkt SP, der Beginn P_Gi der Engstelle 31 , die

Grenze Pu am Übergang vom Abschnitt 34 und in den Abschnitt 35 und das Ende P_G2 der Engstelle an deren Übergang in den Diffusor 33 eingezeichnet.

Wie aus Fig.3 ersichtlich ist fällt der Druck sowohl beim erfindungsgemässen Schalter nach Fig.2 als auch beim Schalter nach dem Stand der Technik stromabwärts des Staupunkts SP sehr rasch ab, da bei beiden Schaltern die

Gasströmung 81 im sich konisch verengenden Eingang 32 der Isolierdüse 30 stark beschleunigt wird und wie aus der Geschwindigkeitsverteilung nach Fig.4 ersichtlich ist zu Beginn der Engstelle 31 , d.h. am Punkt P_Gi, auf eine Mach-Zahl von ca. 0,9 beschleunigt ist. In der Engstelle 31 des Schalters nach dem Stand der Technik fällt der Druck bis kurz vor Erreichen des Endes P_G2 der Engstelle 31 nur wenig ab und wird das Gas dementsprechend langsam auf eine Geschwindigkeit der Mach-Zahl 1 ,4 beschleunigt. Im Abschnitt 34 der Engstelle 31 des erfindungsgemässen Schalters nach Fig.2 fällt der Druck bereits viel früher und mit einem stärkeren Gradienten als beim Schalter nach dem Stand der Technik ab und überschreitet die Geschwindigkeit der Gasströmung 81 bereits am Übergang des Abschnitts 34 in den Abschnitt 35, d.h. am Punkt Pu, die Mach- Zahl 1. Infolge des stärkeren Druckgradienten im Abschnitt 34 wird die Gasströmung 81 bereits in diesem vorderen Bereich der Düsenengstelle 31 stark beschleunigt. Es bilden sich daher in der Gasströmung 81 Turbulenzen aus, welche die thermischen Löscheigenschaften des Schalters verbessern. Der erfindungsgemässe Schalter zeichnet sich daher gegenüber dem Schalter nach dem Stand der Technik durch ein verbessertes Schaltvermögen aus.

Es hat sich gezeigt, dass diese Verbesserung des Schaltvermögens mit Sicherheit dann erreicht wird, wenn die längs der Achse erstreckte Länge L₀ des Abschnitts 34 höchstens das 0,8-fache der axialen Länge L_G der Engstelle 31 ist. Beträgt die Länge L₀ des Abschnitts 34 höchstens das 1 ,5-fache des Durchmessers D des Abschnitts 34 resp. des Durchmessers des Kontaktstifts 21 , so ist sichergestellt, dass die Turbulenzen bereits vergleichsweise dicht am Eingang der Isolierdüse 30 10 08/022 auftreten, wodurch eine gutes thermische Schaltleistung erreicht wird. Eine noch ausreichende Verbesserung der thermischen Schaltleistung wird erreicht, wenn die axiale Länge L₀ des Abschnitts 34 mindestens das 0,5-fache des Durchmessers des Kontaktstifts 21 ist. Eine übermässige Baulänge wird vermieden, wenn die Länge L_G der Engstelle 31 höchstens das 5-fache des Durchmessers D des Kontaktstifts 21 ist.

Durch geeignete Ausbildung der Isolierhilfsdüse 40 kann das Schaltvermögen des erfindungsgemässen Schalters zusätzlich verbessert werden. Materialabbrand an der Düse 40 tritt im Unterschied zur Düse 30 vorwiegend an der der Düse 30 gegenüberliegenden Stirnseite auf. Daher kann die Engstelle 41 der Düse 40 eine geringere axiale Länge Lc aufweisen als die Engstelle 31 der Düse 30 und kann sich - wie in Fig.2 dargestellt - die Engstelle 41 unweit der abbrandausgesetzten Stirnseite zur Kontakttulpe 11 hin konisch öffnen. Der Öffnungswinkel des Konus entspricht im wesentlichen dem Öffungswinkel CI_E der Engstelle 31. Es wird so wie bei der Düse 30 in der Hochstromphase eine Druckerhöhung des Löschgases und bei Annäherung an einen Stromnulldurchgang bereits zu Beginn der Engstelle 41 eine weit über der Mach-Zahl 1 liegende Geschwindigkeit der Gasströmung 82 erreicht. Damit sich der Durchmesser der Engstelle 41 an dieser Stirnseite infolge Materialabbrand nach einigen Schaltvorgängen nicht zu stark vergrössert, ist es vorteilhaft, dass die Engstelle 41 neben einem sich konisch erweiternden Abschnitt 45 einen hohlzylindrisch ausgebildeten Abschnitt 44 aufweist, der zwischen der abbrandausgesetzten Stirnseite resp. dem Düseneingang 42 und dem Abschnitt 45 angeordnet ist und den gleichen Durchmesser D wie die Engstelle 31 aufweist.

Bei der Ausführungsform des erfindungsgemässen Schalter nach Fig.5 sind im Unterschied zur Ausführungsform nach Fig.2 die Abschnitte 34 und 35 jeweils als Hohlzylinder ausgeführt. Der Durchmesser D des Abschnitts 34 ist ca. 5 bis 10% kleiner als der Durchmesser D' des Abschnitts 35. Der Übergang vom Abschnitt 34 zum Abschnitt 35 weist daher eine den Strömungsquerschnitt des Abschnitts 35 vergrössernde Stufe 36 auf. Der starke Druckgradient bis hin zur sonischen

Strömungsgeschwindigkeit findet auch hier im vorderen Bereich (Abschnitt 34) der Düsenengstelle 31 statt und es wird so eine gute thermische Unterbrechung des Kurzschlussstroms erreicht. Um den für einen guten Druckaufbau ausreichenden 1 1 08/022

Abbrand an Düsenmaterial über die gesamte, die beiden Abschnitte 34 und 35 umfassenden Engstelle 31 zu erreichen, sollte der Durchmesser des Abschnitts 35 höchstens 20% grösser sein als der des Abschnitts 34.

Bei der Ausführungsform des erfindungsgemässen Schalters nach Fig.6 ist im Unterschied zur Ausführungsform nach Fig.5 in den Abschnitt 35 eine unmittelbar an die Stufe 36 anschliessende Ringnut 37 eingeformt ist. Durch diese Ringnut kann die Höhe der Stufe 36 beibehalten werden, obwohl der Unterschied zwischen D und D' in einer starken Materialabbrand begünstigenden Weise kleiner gehalten werden kann als bei der Ausführungsform nach Fig.5. Bleiben D und D' gegenüber der Ausführungsform nach Fig.5 unverändert, so wird eine grossere Stufenhöhe erreicht. Am Übergang vom Abschnitt 34 zum Abschnitt 35 entsteht dann in der Gasströmung 81 eine definierte Ablösekante, was im vorderen Abschnitt 34 der Engstelle 31 zum starken Druckgradienten und damit zur Verbesserung des thermischen Löschvermögens führt.

Bei der Ausführungsform des erfindungsgemässen Schalters nach Fig.7 weist der Abschnitt 34 eine am Übergang vom Abschnitt 34 zum Abschnitt 35 angeordnete Drosselstelle 38 mit dem Durchmesser D auf, während der übrige Teil der Engstelle 31 als Hohlzylinder ausgebildet ist und einen typischerweise 5 bis 10% grosseren Durchmesser D' als die Drosselstelle 38 aufweist. In dem stromaufwärts der Drosselstelle 38 gelegenen Abschnitt 34 dieser Ausführungsform wird die Gasströmung wie bei den Ausführungsformen nach den Figuren 2, 5 und 6 im wesentlichen auf einem vergleichsweise hohen Druck und einer Geschwindigkeit mit der Mach-Zahl 1 gehalten. Ist diese Drosselstelle 38 als Ring ausgeführt und besteht dieser Ring aus einem Material, welches wie eine Keramik, ein Metall oder ein mit Keramik- oder Metallpulver gefülltes Polymer eine höhere Festigkeit gegen Lichtbogenabbrand aufweist als das übrige Material der Engstelle 31 , so behält diese Drosselstelle auch nach dem Abschalten mehrerer Kurzschlussströme nahezu unverändert ihre Form. Das Schaltvermögen des Schalters ändert sich daher auch nach dem Abschalten einer grosseren Anzahl an Kurzschlussströme nicht wesentlich. Der Materialabbrand in dem stromauf- und stromabwärts der Drosselstelle 38 gelegenen Abschnitten 34 und 35 reicht wegen des geringen Abstands des Düsenmaterials in der gesamten Engstelle 31 von der Achse A resp. dem Schaltlichtbogen S aus, um in der Hochstromphase den Druck des 12 08/022

Löschgases ausreichend zu erhöhen. Zugleich sorgt die Drosselstelle 38 dafür, dass bei Annäherung des Kurzschlussstroms an einen Nulldurchgang stromaufwärts weit oberhalb des Diffusors 33 ein starker Druckabfall und eine starke Beschleunigung der Gasströmung 81 erreicht werden.

Eine Vergrösserung des Strömungsquerschnitts im Abschnitt 35 der Düsenengstelle 31 wird im allgemeinen durch eine zylindersymmetrische Geometrie erreicht, kann aber auch durch eine von der Zylindersymmetrie abweichende Geometrie erreicht werden, beispielsweise durch überwiegend axial geführte und in den Diffusor 33 erstreckte Nuten. Gegenüber der Höhe der Stufe 36 weisen diese Nuten eine grossere Nuttiefe auf. Daher kann die Breite der Nuten gering gehalten werden und wird das Abbrandverhalten einer als Hohlzylinder ausgebildeten Düsenengstelle 31 weitgehend beibehalten.

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BEZUGSZEICHENLISTE

10, 20 Schaltstücke

11 Lichtbogenkontakt, Kontakttulpe 21 Lichtbogenkontakt, Kontaktstift

12, 22 Nennstromkontakte

30 Isolierdüse

31 Engstelle der Düse 30

32 Eingang der Düse 30 33 Diffusor der Düse 30

34, 35 Abschnitte der Engstelle 31

36 Stufe

37 Ringnut

38 Drosselstelle 40 Isolierhilfsdüse

41 Engstelle der Düse 40

42 Eingang der Düse 40

43 Diffusor der Düse 40

44, 45 Abschnitte der Engstelle 41 50 Heizkanal

60 Lichtbogenzone

70 Heizvolumen

80, 81 , 82 Gasströmungen

A Achse D Durchmesser des Abschnitte 34 resp. des Kontakts 21

D' Durchmesser des Abschnitts 35

L_G, L_C Länge der Engstelle 31 resp. der Engstelle 41

L₀ Länge des Abschnitts 34

S Schaltlichtbogen SP Staupunkt

P_GI Anfang der Engstelle 31

Pu Übergang vom Abschnitt 34 in den Abschnitt 35

P_G2 Ende der Engstelle 31

<3_E Öffnungswinkel des Abschnitts 31 CI_D Öffnungswinkel des Diffusors 33

Claims

14 08/022PATENTANSPRÜCHE

1. Gasisolierter Hochspannungsschalter, enthaltend in koaxialer Anordnung zwei längs einer Achse (A) relativ zueinander verschiebbare Lichtbogenkontakte (11 , 21 ), ein Heizvolumen (70) und eine Isolierdüse (30) mit einem Eingang (32), einer axialsymmetrischen Engstelle (31 ), die entlang der Achse länger als quer zur Achse erstreckt ist, und einem Diffusor (33), bei dem beim Ausschalten eines Kurzschlussstroms

- ein freies Ende des ersten Lichtbogenkontakts (21 ) und ein auf diesem Ende fussender Schaltlichtbogen (S) durch die Engstelle (31 ) in den

Diffusor (33) geführt werden,

- die Engstelle (31 ) bis zum Austreten des freien Endes des ersten Lichtbogenkontakts (21 ) aus der Engstelle (31 ) gegen Gasverlust gedämmt ist, während infolge Lichtbogenabbrand aus dem Material der Isolierdüse (31 ) erzeugtes heisses Druckgas aus einer den

Schaltlichtbogen (S) aufnehmenden Lichtbogenzone (60) ins Heizvolumen (70) gebracht und dort als unter Überdruck stehendes Löschgas gespeichert wird, und

- nach Austreten des freien Endes des ersten Lichtbogenkontakts (21 ) aus der Engstelle (31 ) und Annäherung des auszuschaltenden

Kurzschlussstroms an einen Nulldurchgang aus dem Heizvolumen (70) strömendes Löschgas (80) und in der Lichtbogenzone (60) befindliches Lichtbogengas als Gasströmung (81 ) durch die Düsenengstelle (31 ) treten und in den Diffusor (33) der nun als Lavaldüse wirkenden Isolierdüse (30) expandieren, dadurch gekennzeichnet, dass die Engstelle (31 ) zwei in Richtung der Gasströmung (81 ) aufeinander folgende Abschnitte (34, 35) mit unterschiedlichem Strömungsquerschnitt aufweist, von denen der an den Eingang (32) sich anschliessende erste Abschnitt (34) einen kleineren minimalen Strömungsquerschnitt aufweist als der zweite Abschnitt (35). 15 08/022

2. Schalter nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass entlang der Achse die Länge (L₀) des ersten Abschnitts (34) höchstens das 0,8-fache der Länge (L_G) der Engstelle (31 ) beträgt.

3. Schalter nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Lichtbogenkontakt (21 ) als zylinderförmiger Kontaktstift mit konstantem Durchmesser (D) ausgeführt ist.

4. Schalter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge (L₀) des ersten Abschnitts (34) höchstens das 1 , 5-fache des Durchmessers des Kontaktstifts (21 ) ist.

5. Schalter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge (L₀) des ersten Abschnitts (34) mindestens das 0,5-fache des Durchmessers (D) des Kontaktstifts (21 ) ist.

6. Schalter nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge (L₀) der Engstelle (31 ) höchstens das 5-fache des Durchmessers (D) des Kontaktstifts (21 ) ist.

7. Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass am Übergang vom ersten (34) in den zweiten Abschnitt (35) Mittel zur Erhöhung des Druckgradienten der Gasströmung (81 ) vorgesehen sind.

8. Schalter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass beim Ausschalten eines mindestens 10% des Nenn-Kurzschlussausschaltstroms erreichenden

Kurzschlussstroms die Erhöhung des Druckgradienten ausreicht, um am Übergang eine Beschleunigung der Gasströmung auf eine Mach-Zahl grösser 1 zu erreichen.

9. Schalter nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der erste (34) und der zweite Abschnitt (35) jeweils als Hohlzylinder ausgeführt und voneinander durch eine den Querschnitt des zweiten Abschnitts (35) vergrössernde Stufe (36) getrennt sind. 16 08/022

10. Schalter nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser des zweiten Abschnitts (35) mindestens 5% und höchstens 20% grösser ist als der des ersten Abschnitts (34).

11. Schalter nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass in den zweiten Abschnitt (35) eine unmittelbar an die Stufe (36) anschliessende Ringnut (37) eingeformt ist.

12. Schalter nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein an den ersten Abschnitt (34) angrenzender Teil des zweiten Abschnitts (35) als zum Diffusor (33) geöffneter Konus ausgebildet ist.

13. Schalter nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem über den gesamten zweiten Abschnitt (35) erstreckten Konus der Öffnungswinkel (CI_E) des Konus zwischen 3° und 10° liegt.

14. Schalter nach einen der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Abschnitt (34) eine an den zweiten Abschnitt (35) angrenzende Drosselstelle (38) aufweist.

15. Schalter nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Drosselstelle (38) aus einem Material besteht, welches eine höhere Festigkeit gegen Lichtbogenabbrand aufweist als das übrige Material der Engstelle (31 ).

16. Gasisolierter Hochspannungsschalter, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 15, enthaltend in koaxialer Anordnung zwei längs einer

Achse (A) relativ zueinander verschiebbare Lichtbogenkontakte (11 , 21 ), ein Heizvolumen (70) und eine Isolierdüse (30), bei dem der zweite Lichtbogenkontakt (11 ) als Kontakttulpe ausgebildet und koaxial umgeben ist von einer Isolierhilfsdüse (40) mit einer zwischen der Kontakttulpe (11 ) und einem Staupunkt (SP) einer Gasströmung (80) angeordneten Engstelle (41 ), dadurch gekennzeichnet, dass die Engstelle (41 ) der Isolierhilfsdüse (40) einen zur Kontakttulpe (11 ) sich öffnenden, konisch ausgebildeten Abschnitt (45) aufweist. 17 08/022

17. Schalter nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Engstelle (41 ) der Isolierhilfsdüse (40) einen zwischen einem Eingang (42) der Isolierhilfsdüse (40) und dem konisch ausgebildeten Abschnitt (45) angeordneten hohlzylinderförmigen Abschnitt (44) aufweist.