WO2009140999A1

WO2009140999A1 - Lasttrennschalter

Info

Publication number: WO2009140999A1
Application number: PCT/EP2008/056181
Authority: WO
Inventors: Nils Basse; Andreas Dahlquist; Martin Seeger
Original assignee: Abb Research Ltd
Priority date: 2008-05-20
Filing date: 2008-05-20
Publication date: 2009-11-26

Abstract

An eine von einem Ringkontakt (2) umgebene Schaltkammer (1) schliesst ein Kanal (5) mit gleichem Querschnitt an, durch welchen ein Schaltstift (7) mit einer seine Spitze bildenden Kolbenplatte (8) aus einer Einschaltstellung in eine Ausschaltstellung verschiebbar ist. Die Bewegung der den Querschnitt des Kanals (5) im wesentlichen vollständig ausfüllenden Kolbenplatte (8) bei einer Ausschaltung erzeugt bei kleinem Strom eine Saugwirkung, welche eine Gasströmung in die Schaltkammer (1) durch Öffnungen (4) in einer dem Kanal (5) gegenüberliegenden Rückwand (3) nach sich zieht, durch die ein zwischen dem Ringkontakt (2) und dem Schaltstift (7) gezogener Lichtbogen (9) beblasen und gelöscht wird. Die Öffnungen (4) können entlang der Schalterachse (12) gleichsinnig schraubenförmig geformt sein, sodass der Gasströmung ein Drall aufgeprägt wird. An der Aussenseite der Rückwand (3) kann zur Beeinflussung des Lichtbogens (9) ein Ringmagnet (10) angebracht sein. Zur Vermeidung von Beschädigungen des Schalters bei hohem Strom wird die Rückwand (3) mittels einer Druckfeder (11) gegen den Ringkontakt (2) gedrückt, sodass Rückwand (3) und Druckfeder (11) ein Überdruckventil (14) bilden.

Description

B E S C H R E I B U N G

LASTTRENNSCHALTER

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft Lasttrennschalter, wie sie vorzugsweise in Mittelspannungsanlagen eingesetzt werden.

Stand der Technik

Gattungsgemässe Lasttrennschalter werden von der Firma ABB z.B. unter der Typenbezeichnung ΛM angeboten. Bei diesen Schaltern wird der Schaltstift durch eine Düse aus der Schaltkainmer gezogen und aus einem der Düse gegenüber in die Schaltkammer mündenden Kanal beblasen und gelöscht. Die Gas- strömung wird mittels eines von einer Betätigungsvorrichtung des Schalters mitangetriebenen Blaskolbens erzeugt.

Diese Lasttrennschalter sind bewährt und funktionssicher, aber wegen des zusätzlichen Blaskolbens verhältnismässig aufwendig

Verschiedene solche Schalter sind in US 4 445 020 A und EP 0 430 189 A2 beschrieben. Dort wird jeweils bei der Ausschaltung der Schaltstift durch eine Düse, die zugleich vom Gas durchströmt wird, aus einer verhältnismässig grossen, im übrigen geschlossenen Schaltkammer zurückgezogen.

Bei einigen der gezeigten Ausführungen ist der Schaltstift hohl mit in den erweiterten Kanal mündenden Öffnungen, sodass ein Teil der Strömung durch den Schaltstift hindurchgeleitet wird. Aehnliche Ausführungen sind auch EP 0 021 951 Al entnehmbar. Bei einigen Ausführungen wird zusätzlich ein Magnet zur Beeinflussung des Lichtbogens eingesetzt. In den bekannten Schaltern ist ein Schaltstift vorhanden, dessen Spitze in der Einschaltstellung in einen an einer Rückwand der Schaltkammer angebrachten Ringkontakt eingeschoben ist und der eine gegenüber seiner Spitze in Ausschaltrichtung versetzt angebrachte Kolbenplatte trägt, welche bei einer Ausschaltung in einem an die Schaltkammer anschliessenden erweiterten Kanal, dessen Querschnitt sie im wesentlichen vollständig ausfüllt, zurückgezogen wird. Die Kolbenplatte besitzt einen markant grosseren Querschnitt als der Schaltstift selber. Erst dadurch wird eine grossvolumige Saugwirkung erzeugt, die eine starke Gasströmung aus der Schaltkammer in den besagten Kanal erzeugt, welche die Spitze des Schaltstifts umströmt und dort den Lichtbogen bebläst. Die Schalter sind eher kompliziert im Aufbau und haben wegen der zurückgesetzten und breiten Kolbeneinrichtung zwangsläufig verhältnismässig grosse und breite Bauformen. Vor allem bei kleinem Strom sinkt der Druck in der Schaltkammer rasch ab, sodass nur eine unzureichende Strömung erzeugbar ist und eine zuverlässige Löschung des Lichtbogens nicht gewährleistet ist.

Bei einem ähnlichen in der EP 0 639 843 Al beschriebenen Lasttrennschalter wird der Schaltstift durch kongruente, deckungsgleiche Öffnungen in parallelen Blechen zurückgezogen, zwischen denen durch die Rückzugsbewegung der Kolbenplatte seitlich Gas aus einem umgebenden Gasraum angesaugt wird.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, gattungsgemässe Lasttrennschalter zu vereinfachen, zugleich aber eine ausreichende Beblasung des Lichtbogens auch bei kleinen Strömen sicherzustellen.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale von Anspruch 1 gelöst. Dort wird ein Lasttrennschalter angegeben, der eine Schaltkammer und einen in der Schaltkammer angeordneten Kontakt sowie einen Schaltstift mit einer Spitze aufweist, die in einer Einschaltstellung in der Schalt kämmer liegt und den Kontakt berührt, wobei der Schalter entlang einer Schalterachse längs erstreckt ist, wobei ferner der Schaltstift in einem unmittelbar an die Schaltkammer anschliessenden Kanal bewegbar angeordnet ist und in der Einschaltstellung ein an die Spitze anschliessender Kolbenabschnitt des Schaltstifts den Querschnitt der Schaltkammer im wesentlichen ausfüllt und der Schaltstift aus der Einschaltstellung in eine Ausschalt- Stellung, in der seine Spitze vom Kontakt beabstandet ist, durch den Kanal verschiebbar ist, wobei der Kolbenabschnitt auch den Querschnitt des Kanals im wesentlichen ausfüllt, und wobei ferner die Schaltkammer durch mindestens eine Öffnung an einer dem Kanal gegenüberliegenden Seite der Schaltkammer mit einem Gasraum verbunden ist.

Beim erfindungsgemässen Lasttrennschalter wird der Schaltstift selbst als Saugkolben eingesetzt, was einen sehr einfachen und platzsparenden Aufbau erlaubt. Durch die Verbindung mit einem ausserhalb der Schaltkammer liegenden Gasraum ist trotzdem eine nachhaltige Gasströmung und damit eine ausreichende, sicher zur Löschung führende Beblasung des Lichtbogens sichergestellt .

Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen, die hier als aufgeführt gelten, und auch in der folgenden Beschreibung und den Figuren dargestellt. Die kennzeichnenden Merkmale in den abhängigen Ansprüchen sind jeweils einzeln oder in Kombination miteinander realisierbar.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren, welche lediglich Ausführungsbeispiele darstellen, näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch einen erfindungsgemässen Lasttrennschalter gemäss einer ersten Ausführungsform, oben in Einschaltstellung, unten in einer Zwischenstellung zwischen Einschalt- Stellung und Ausschaltstellung,

Fig. 2 einen schematischen Längsschnitt durch einen erfindungsgemässen Lasttrennschalter gemäss einer zweiten Ausführungsform, oben in Einschaltstellung, unten in einer Zwischenstellung zwischen Einschalt- Stellung und Ausschaltstellung und

Fig. 3 vergrössert einen Schnitt längs III-III in Fig. 2.

Wege zur Ausführung der Erfindung

Gemäss einer ersten Ausführungsform weist der erfindungs- gemasse Lasttrennschalter (Fig. 1) eine kurze zylindrische Kammer 1 auf, die im Sinne dieser Offenbarung auch Schaltkammer 1 genannt wird, und die von einem Ringkontakt 2 und einer an diesen anschliessenden Rückwand 3 umschlossen ist. Die Rückwand 3 ist von einer zentralen kreisrunden Öffnung 4 durchbrochen. An der der Rückwand 3 gegenüberliegenden Seite schliesst an die Sehaltkämmer 1 ein Kanal 5 (Düsenengnis 5) mit einem bevorzugt gleichen, runden Querschnitt an, der von einem zylindrischen Gehäuse 6 ( Isolierstoffdüse 6) umschlossen ist. Die Öffnung 4 verbindet die Schaltkammer 1 mit einem Gasraum, dessen Volumen vorzugsweise mindestens dem Zehnfachen des Volumens der Schaltkammer 1 und des Kanals 5 entspricht. Es kann sich dabei auch um den Aussenraum handeln. Das Gehäuse 6 besteht aus einem Isolierstoff. Die den Kanal 5 begrenzende Innenwand des Gehäuses 6 wird insbesondere von einer Auskleidung aus einem Abbrandmaterial gebildet, das unter der Einwirkung eines Lichtbogens Löschgas abgibt .

In der Schaltkammer 1 und dem Kanal 5 ist ein Schaltstift 7 axial verschiebbar angeordnet. Er trägt an seiner Spitze einen als Kolbenplatte 8 ausgebildeten Kolbenabschnitt, der den Querschnitt der Sehaltkämmer 1 und des anschliessenden Kanals 5 im wesentlichen ausfüllt. Die Querschnittsfläche des verbleibenden Ringspalts macht höchstens 20%, vorzugsweise höchstens 5%, der gesamten Querschnittsfläche des Kanals 5 aus .

In einer in der oberen Hälfte der Figur dargestellten Einschaltstellung steht der Schaltstift 7 in elektrisch leitender Verbindung mit dem Ringkontakt 2. Der Ringkontakt 2 kann dazu elastische oder elastisch gelagerte Kontaktfinger aufweisen, die gegen die Seitenfläche der Kolbenplatte 8 drücken; er bildet dann eine Kontakttulpe. Die Frontseite der Kolbenplatte 8 liegt dabei knapp vor der Rückwand 3.

Bei der Ausschaltung wird der Schaltstift 7 in der Figur nach rechts vom Ringkontakt 2 abgezogen, wobei sich zwischen dem Ringkontakt 2 und der Kolbenplatte 8 ein Lichtbogen 9 ausbildet. Bei geringem Strom ist der Lichtbogen 9 schwach, sodass die Erwärmung des Gases und die dadurch bewirkte Erhöhung des Druckes in der Ξchaltkammer 1 gering bleiben. Deshalb überwiegt die durch die Bewegung der Kolbenplatte 8 erzeugte Saugwirkung, die eine Gasströmung (Pfeil) durch die Öffnung 4 in die Schaltkammer 1 nach sich zieht. Die Gasströmung geht durch den Ringkontakt 2 hindurch, was eine kräftige Beblasung des Lichtbogens 9 sicherstellt. Da die Kolbenplatte 8 die Schaltkammer 1 und den Kanal 5 nahezu vollständig ausfüllt und das Volumen des zwischen der Rückwand 3 und der Kolbenplatte 8 liegenden Teils der Schalt kämmer 1 klein ist, ist die Gasströmung durch die Öffnung 4 von Anfang an sehr ausgeprägt. Ihre Geschwindigkeit v_fi_ow lässt sich durch die Dimensionierung der Öffnung 4 einstellen und entspricht im Durchschnitt annähernd der Geschwindigkeit v_pi_Ξton des Schaltstifts 7, multipliziert mit dem Quotienten von Querschnitt A_Pi_gton des Kanals 5 zu Querschnitt Ai_ni_et der Öffnung 4: v_fi_ow ~ {Ap_iston/Äi_niet) *v_Pi_Ston. Bei einer Schaltstift^¬ geschwindigkeit von z.B. Vpi_ston = 5m/s und einem Quotienten von z.B. (A_pi_Ston/A_ini_et} = 4, wie er sich bei einem Radius der Öffnung 4 ergibt, der der Hälfte des Radius der Schaltkammer 1 und des Kanals 5 entspricht, beträgt also die Gasströmungsgeschwindigkeit v_flow = 20m/s. Der Lichtbogen 9 wird so gezielt beblasen und gelöscht. Der Schaltstift 7 wird bei der Ausschaltung ganz aus dem Kanal 5 herausgezogen.

Bei höherem Strom wird vor allem der Druckaufbau in der Schaltkammer 1 für die Löschung des Lichtbogens ausgenützt. Der in diesem Fall stärkere Lichtbogen bewirkt eine rasche Erhitzung des Gases in der Schaltkammer 1 und damit eine entsprechende Erhöhung des Drucks. Der Lichtbogen wird gelöscht, wenn der Schaltstift 7 ganz aus dem Kanal 5 gezogen ist und die Öffnung am anderen Ende der Schaltkammer 1, welche der Einströmöffnung 4 gegenüberliegt, freigibt, da dann der hohe Druck in der Schaltkammer 1 und im Kanal 5 eine starke Strömung durch die besagte Öffnung ins Freie bewirkt. Damit der Druckaufbau nicht durch ein Abströmen von Gas aus der Schaltkammer 1 durch die Öffnung 4 gemindert wird, kann die Öffnung 4 mit einem gestrichtelt dargestellten Rückschlagventil 13 versehen sein, das sich nur öffnet, wenn der Druckunterschied zwischen dem Gasraum und der Schaltkammer 1 einen positiven Grenzwert überschreitet. Zur Verhinderung einer Beschädigung des Schalters bei sehr hohem Strom und entsprechend grossem Druckaufbau in der Schaltkammer 1 und im Kanal 5 kann auch, etwa im Gehäuse 6 oder in der Rückwand 3, ein gestrichelt angedeutetes Überdruckventil 14 vorgesehen sein.

Die Ausbildung der Rückwand 3, insbesondere die Anordnung und Ausbildung der Öffnung oder Öffnungen 4, kann in vielfältiger Weise dazu benützt werden, die Gasströmung in die Schaltkammer 1 zu steuern und möglichst wirksam zu gestalten. Ein Beispiel für eine solche gezielte Ausgestaltung der Rückwand 3 ist im zweiten Ausführungsbeispiel (Fig. 2, 3) gezeigt. In diesem Fall ist die Rückwand 3 separat ausgebildet und besteht aus einem Isolierstoff. Sie weist eine Anzahl von Öffnungen 4 auf, welche in gleichem Abstand von der Achse des Schalters, also auf einem zum Ringkontakt 2 konzentrischen, die Schalterachse umgebenden Kreis angeordnet sind. Die Öffnungen sind leicht schräg zur Schalterachse, d.h. entlang ihrer Längserstreckung in Umfangsrichtung des Kreises geneigt, ausgebildet; dabei sind die Neigungen gleichsinnig, sodass der Gasströmung ein Drall aufgeprägt wird. Dies führt zu einer schraubenlinienförmigen Ausbildung der Gasströmung mit ausgeprägter Verwirbelung und zu einer entsprechend umfassenden Beblasung des Lichtbogens 9 auf seiner ganzen Länge. Zur Verstärkung der Dichtwirkung ist die Kolbenplatte 8 etwas dicker ausgebildet. Die günstige Wirkung dieser Massnahmen kann durch einen Ringmagneten 10 verstärkt werden, der an der Aussenseite der Rückwand 3, ebenfalls konzentrisch mit dem Ringkontakt 2, angebracht ist. Er beeinflusst den Lichtbogen 9 im Sinne einer Verlängerung und Verteilung des Lichtbogens 9 über grossere Teile der Schaltkammer 1 und des Kanals 5, sodass der Lichtbogen 9 der Gasströmung noch umfassender ausgesetzt ist.

Auch hier können die Öffnungen 4 mit Rückschlagventilen versehen sein, die schliessen, wenn der Druck in der Schaltkammer 1 höher ist als im an der anderen Seite der Rückwand 3 anschliessenden Gasraum. Optional ist die Rückwand 3 ausserdem mit dem Ringkontakt 2 nicht fest verbunden, sondern durch eine starke Druckfeder 11, welche ihren Randbereich gegen den Ringkontakt 2 drückt, an einem feststehenden Gehäuseteil abgestützt, sodass die Rückwand 3 bei sehr hohem Strom und entsprechendem Druckaufbau in der Schaltkammer 1 gegen die Kraft der Druckfeder 11 vom Ringkontakt 2 weggedrückt wird und sich zwischen dem Ringkontakt 2 und der Rückwand 3 ein Ringspalt öffnet, durch den Gas aus der Schaltkammer 1 entweichen kann. Die Rückwand 3 wirkt so zusammen mit der Druckfeder 11 als Überdruckventil.

Für die Anordnung und Ausbildung der Öffnungen 4 gibt es viele weitere Möglichkeiten. So kann eine zusätzliche zentrale Öffnung 4 wie beim ersten Ausführungsbeispiel vorgesehen werden oder kleinere, längs mehrerer konzentrischer Kreise verteilte Gruppen von Öffnungen mit durchwegs gleichsinnigen oder auch gruppenweise entgegengesetzten Neigungen zur Erzeugung konzentrischer schraubenförmiger Gasströmungen mit gleichem oder entgegengesetzten Drehsinn bzw. Drall. Die Schaltstiftgeschwindigkeit sollte mindestens 3m/s erreichen, damit eine ausreichend starke Gasströmung sichergestellt ist. Der Schaltstift 7 kann auch konstanten Querschnitt aufweisen, sodass er den Kanal 5 überall im wesentlichen vollständig ausfüllt .

Bezugszeichenliste

1 Schaltkairaner

2 Ringkontakt, Kontakttulpe, Hohlkontakt

3 Rückwand 4 Öffnung (en)

5 Kanal, Düsenengnis

6 Gehäuse, Isolierstoffdüse

7 Schaltstift

8 Kolbenplatte, Schaltstiftende 9 Lichtbogen

10 Ringmagnet

11 Druckfeder

12 Schalterachse, Längsachse

13 Rückschlagventil (optional) 14 Überdruckventil (optional)

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E

1. Lasttrennschalter mit einer Schaltkammer (1) und einem in der SchaItkämmer (1) angeordneten Kontakt (2) sowie einem Schaltstift (7) mit einer Spitze, welche in einer Einschaltstellung in der Schaltkammer (1) liegt und den Kontakt (2) berührt, wobei der Schalter entlang einer Schalterachse (12) längs erstreckt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltstift (7) in einem unmittelbar an die Schalt kammer (1) anschliessenden Kanal (5) bewegbar angeordnet ist und in der Einschaltstellung ein an die Spitze anschliessender Kolbenabschnitt (8) des Schaltstifts (7) den Querschnitt der Schaltkammer (1} im wesentlichen ausfüllt und der Schaltstift (7) aus der Einschaltstellung in eine Ausschaltstellung, in der seine Spitze vom Kontakt (2) beabstandet ist, durch den Kanal (5) verschiebbar ist, wobei der Kolbenabschnitt (8) auch den Querschnitt des Kanals (5) im wesentlichen ausfüllt, und wobei ferner die Schaltkammer (1) durch mindestens eine Öffnung (4) an einer dem Kanal (5) gegenüber- liegenden Seite der Schaltkammer (1) mit einem Gasraum verbunden ist.

2. Lasttrennschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenabschnitt (8) den Querschnitt des Kanals (5) bis auf einen umlaufenden Spalt ausfüllt.

3. Lasttrennschalter nach Anspruch 2, dadurch gekenn^¬ zeichnet, dass der umlaufende Spalt eine Fläche von höchstens 20%, bevorzugt höchstens 5%, des Querschnitts des Kanals (5) einnimmt.

4. Lasttrennschalter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal (5) zumindest über eine vom Kolbenabschnitt (8} des Schaltstifts (7) überstrichenen Länge einen gleichbleibenden, insbesondere zylindrischen, Querschnitt aufweist.

5. Lasttrennschalter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt des Kanals

(5) kreisrund ist.

6. Lasttrennschalter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt des Kolben^¬ abschnitts (8) des Schaltstifts (7) kreisrund ist.

7. Lasttrennschalter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenabschnitt (8) des Schaltstifts (7) zugleich eine Kontaktfläche, insbeson- dere eine seitliche Kontaktfläche, des Schaltstifts (7) zum Kontaktieren des Kontakts (2), insbesondere eines in der Einschaltstellung ringförmig aussen anliegenden Kontakts (2}, bildet.

8. Lasttrennschalter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal (5) von einer

Seitenwand begrenzt ist, welche mindestens in einem an die Schaltkammer (1) anschliessenden Bereich ein Löschgas abgebendes Abbrandmaterial aufweist.

9. Lasttrennschalter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltkammer (1) an der dem Kanal (5) gegenüberliegenden Seite von einer Rückwand

(3) begrenzt ist, welche von der mindestens einen Öffnung

(4) durchbrochen ist.

10. Lasttrennschalter nach Anspruch 9, dadurch gekenn- zeichnet, dass die Rückwand (3) von einer Mehrzahl von

Öffnungen (4) durchbrochen ist.

11. Lasttrennschalter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kontakt (2) als die Schaltkammer (1) umgebender Ringkontakt (2} ausgebildet ist und die Öffnungen (4) mindestens zum Teil auf mindestens einem zum Ringkontakt (2) konzentrischen Kreis angeordnet sind.

12. Lasttrennschalter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen (4) eine Erstreckung entlang der Schalterachse (2) aufweisen und entlang dieser Erstreckung in Umfangsrichtung des Kreises geneigt sind, um einer durch die Öffnungen {4) einströmenden Gasströmung einen Drall entlang der Schalterachse (12} vorzugeben.

13. Lasttrennschalter nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Neigungen der Öffnungen (4) gleichsinnig orientiert sind, oder dass die Neigungen von solchen Öffnungen, die auf unterschiedlichen, insbesondere benachbarten, Kreisen liegen, zueinander gegensinnig orientiert sind.

14. Lasttrennschalter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er einen an der Schaltkammer (1) angeordneten Magneten (10) zur Verdrallung des Lichtbogens entlang der Schalterachse (12} umfasst.

15. Lasttrennschalter nach einem der Ansprüche 9-13 und nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnet (10) an einer Aussenseite der Rückwand (3) angeordnet ist.

16. Lasttrennschalter nach Anspruch 11 und nach einem der Ansprüche 14-15, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnet (10) als zum Ringkontakt (2) etwa konzentrischer Ringmagnet (10) ausgebildet ist.

17. Lasttrennschalter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Öffnung (4) mit einem Rückschlagventil (13) zur Verhinderung von Druckverlust in der Schaltkammer (1) versehen ist.

18. Lasttrennschalter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er mindestens ein Überdruckventil (14} aufweist, über das die Schaltkammer (1) mit dem Gasraum oder dem Aussenraum zur Überdruckentlastung in der Schaltkammer (1} verbunden ist.

19. Lasttrennschalter nach einem der Ansprüche 9-10 und nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückwand

(3} mittels einer Druckfeder (11) gegen den Ringkontakt (2) gedrückt ist, sodass die Rückwand (3) und die Druckfeder (11) das Überdruckventil (14) bilden.