WO2016124175A1 - Leistungsschalter - Google Patents

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WO2016124175A1
WO2016124175A1 PCT/DE2016/100045 DE2016100045W WO2016124175A1 WO 2016124175 A1 WO2016124175 A1 WO 2016124175A1 DE 2016100045 W DE2016100045 W DE 2016100045W WO 2016124175 A1 WO2016124175 A1 WO 2016124175A1
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WO
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heating
circuit breaker
gas
flow
flow element
Prior art date
Application number
PCT/DE2016/100045
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English (en)
French (fr)
Inventor
Paul Gregor Nikolic
Fabian Schmidt
André Breidenbach
Armin Schnettler
Original Assignee
Rwth Aachen
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Publication date
Application filed by Rwth Aachen filed Critical Rwth Aachen
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H33/00—High-tension or heavy-current switches with arc-extinguishing or arc-preventing means
    • H01H33/70—Switches with separate means for directing, obtaining, or increasing flow of arc-extinguishing fluid
    • H01H33/7015—Switches with separate means for directing, obtaining, or increasing flow of arc-extinguishing fluid characterised by flow directing elements associated with contacts
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
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    • H01H33/70—Switches with separate means for directing, obtaining, or increasing flow of arc-extinguishing fluid
    • H01H33/7015—Switches with separate means for directing, obtaining, or increasing flow of arc-extinguishing fluid characterised by flow directing elements associated with contacts
    • H01H33/7023—Switches with separate means for directing, obtaining, or increasing flow of arc-extinguishing fluid characterised by flow directing elements associated with contacts characterised by an insulating tubular gas flow enhancing nozzle
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    • H01H33/703—Switches with separate means for directing, obtaining, or increasing flow of arc-extinguishing fluid characterised by flow directing elements associated with contacts characterised by an insulating tubular gas flow enhancing nozzle having special gas flow directing elements, e.g. grooves, extensions
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    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H33/00—High-tension or heavy-current switches with arc-extinguishing or arc-preventing means
    • H01H33/02—Details
    • H01H33/53—Cases; Reservoirs, tanks, piping or valves, for arc-extinguishing fluid; Accessories therefor, e.g. safety arrangements, pressure relief devices
    • H01H33/56—Gas reservoirs
    • H01H2033/566—Avoiding the use of SF6

Definitions

  • the present invention relates to a circuit breaker for switching electrical currents with an arranged between contacts arc chamber and with a connected to the arc chamber via a heating channel heating volume.
  • the invention further relates to a method for extinguishing an arc in such a circuit breaker.
  • Electrical circuit breakers are mechanical switching devices, which are often used in power transmission networks to turn high electrical currents there, constantly lead and interrupt. If faults occur, such as in the event of a short circuit, this is necessary. lent that the occurring high currents can be reliably switched off and the voltage that has settled after the switch-off process has been maintained across the contacts can be maintained. During the shutdown, the interconnected contacts are removed from each other. When interrupting the flow of current takes place by the separation of the contacts, a gas discharge in the form of an arc. Since current is still conducted between the contacts via the arc, it is necessary to extinguish the arc within the shortest possible time.
  • Known power switches have an arc chamber arranged between the contacts, a heating volume and a heating channel connecting the arc chamber and the heating volume.
  • the arc heats the insulating gas in the arc chamber, which leads to a pressure build-up in the heating volume.
  • the result is a pressure wave, which is initially directed towards the rear end of the heating volume, where it is reflected, whereby a countercurrent is then generated.
  • This cooler countercurrent is passed over the heating channel back into the arc chamber, where it extracts energy from the arc by cooling, so that it is extinguished.
  • the switch-off characteristics of a switch are significantly influenced in particular by the temperature of the colder gas flowing back, whereby the temperature should be as low as possible. This would also be advantageous in the use of alternative extinguishing gases to the extinguishing gas sulfur hexafluoride (SF 6 ), which is widely used in the prior art, since there are still technical challenges in extinguishing the arc in this connection.
  • SF 6 sulfur hexafluoride
  • DE 23 26 650 A describes a gas pressure switch with a flow element in the heating channel, which is to swirl the backflowing gas stream before being fed into the arc chamber.
  • this has the disadvantage that the gas flow in the high-flow phase is also swirled when introduced into the heating volume, whereby the hot gas flowing into the heating volume does not mix well with the cooler gas, so that the temperature of the resulting return flow is undesirably high.
  • the present invention therefore has as its object to provide a circuit breaker, with which the temperature of the return current can be reduced, so that the switch-off characteristics of the switch can be improved.
  • this object is achieved in a circuit breaker of the type mentioned above gel ö, that in the heating channel, a flow element for directing a channel flowing through the heating gas flow is arranged.
  • a flow element arranged in the heating channel By means of a flow element arranged in the heating channel, a gas stream flowing through the heating channel can be selectively directed, whereby the thorough mixing of the gas present in the heating volume with the newly flowing gas stream is improved.
  • the gas stream heated by the arc and the colder gas located in the heating volume can thus be better mixed with each other, which can result in an overall lower gas temperature for blowing and extinguishing the arc.
  • it can be achieved that the arc can be safely erased even at the first current zero crossing.
  • the temperature of the return flow but also the gas temperature in the entire circuit breaker can be lowered by the steering of the gas flow by means of the flow elements.
  • the flow element By the flow element, the gas flow can be directed directed into the heating volume.
  • the gas flow is turbulence-free, in particular turbulence-free.
  • An advantageous embodiment provides that the flow element is arranged at the heating volume-side end, in particular in the transition region of the heating channel and the heating volume.
  • the gas stream flowing through the heating channel can be directed according to a predetermined flow profile before it enters the heating volume.
  • the gas flow then has a directed, in particular laminar, flow upon entering the heating volume, by means of which the subsequent thorough mixing of the gases can be improved.
  • the flow element extends at least partially into the heating volume.
  • Such an arrangement of the flow element does not lead to undesired turbulences at the entrance of the heating volume, but in particular the gas flow can be guided along a wall of the heating volume, whereby the proportion of cold gas in the heating volume can be additionally increased.
  • the flow element is arranged at a distance from the walls of the heating channel, in particular centrally in the heating channel. Due to the central arrangement of the gas stream can be performed above or below the flow element.
  • the flow element is arranged centrally in the heating channel, but it is also possible that the flow element is arranged on the side walls of the heating channel or laterally offset in the heating channel.
  • the flow element has two opposite guide surfaces.
  • the guide surfaces can form the top and bottom of the flow element.
  • the two guide surfaces can be connected to one another via further guide surfaces arranged at the front and rear of the flow element.
  • the gas flow directed through the flow element can be guided along the guide surfaces.
  • at least one of the guide surfaces is arranged obliquely in the heating channel. Due to the oblique arrangement of the guide surfaces of the gas stream can be directed so that it is directed upwards and / or directed downwards.
  • the guide surfaces of the flow element are arranged obliquely in the direction of a central axis of the power switch, ie in particular in the direction of an inner side wall of the heating channel.
  • the baffles may be disposed at an angle between 0 ° and 60 °, more preferably between 10 ° and 45 °, and most preferably between 10 ° and 20 °.
  • a further preferred embodiment provides that the guide surfaces are arranged obliquely to each other. This also allows the flow behavior of the gas stream to be further influenced. It is also advantageous if an exhaust opening for blowing out a heated gas stream and a suction opening for sucking a colder gas stream from the heating volume is provided.
  • the exhaust opening and the suction opening may preferably be formed by the intermediate space between the flow element and the wall of the heating channel. Particularly preferably, the openings are located in the heating channel and in particular at the heating volume end.
  • the heated gas flow generated by the arc can be guided through the exhaust opening into the heating volume.
  • the colder gas return flow which flows from the heating volume via the heating channel in the direction of the arc chamber, can flow through the suction port and be sucked into the arc space.
  • both the back and the back-flowing gas flow can be selectively guided via one of the openings.
  • the discharge opening is arranged below the flow element and the suction opening above the flow element at the heating volume end of the flow element.
  • the heated gas stream below the flow element along the central axis facing side of the heating channel and the heating volume can be performed.
  • the cooler gas located in the heating volume can be sucked in as a colder gas stream via the suction opening out of the heating volume in the direction of the arcing space and guided above the flow element. Due to the improved mixing of the gas located in the heating volume, the colder gas can collect in the region of the intake opening, resulting in a decrease in the intake pressure. Opening a higher proportion of cold gas can be returned to the heating channel.
  • the opening width of the exhaust opening is smaller than the opening width of the intake opening. It is thus possible that the heated gas stream exits via a small exhaust opening, so as to increase the inflow velocity into the heating volume.
  • the opening width of the exhaust opening to the opening width of the intake opening may preferably be in a range from 1: 2 to 2: 3.
  • the gas stream is steerable in such a way that a targeted mixing of the heated gas takes place with a cooler gas located in the heating volume, as a result of which a significant lowering of the temperature of the blowing gas can be achieved.
  • the heated gas stream can be directed in such a way that there are no hotspots in the heating volume. Rather, it can be achieved that a more homogeneous temperature profile results within the heating volume.
  • the flow element may have interruptions, which, however, may also be arranged rotationally symmetrically. It is also advantageous if the flow element tapers in the direction of the heating volume.
  • the diameter of the cross-section of the flow element may be greatest between the arc space side end and the center of the flow element and decrease in the direction of the heating volume. Preference is given to a continuous taper, in particular a gradual and / or uniform reduction of the diameter of the flow element.
  • the flow element can taper at the heating-volume-side end. In this way, the gas flow can be selectively directed above and below the flow element and a directed inflow into the heating volume. Due to the tapered shape of the gas flow can be deflected in the direction of the central axis facing wall of the heating volume.
  • the cross-section of the flow element is designed in the form of an airfoil, wedge-shaped, rod-shaped or drop-shaped.
  • other cross sections can be used.
  • different pressure ranges can be established, as is known, for example, from aircraft technology or the like, and thus the flow behavior can be further influenced.
  • the flow velocity in particular above and below the flow element, can be controlled.
  • the turbulent gas flow should not be generated by the flow element, but the laminar flow should be maintained and directed.
  • the gas flow in the heating channel, in particular in the high-current phase, should be low-turbulence, in particular turbulence-free.
  • the flow element is streamlined.
  • the heating channel has an angled course.
  • the heating channel can be guided from the arc chamber to the heating volume. It is advantageous if the heating channel is likewise rotationally symmetrical, in particular ring-shaped. Due to the angled course of the heating channel, the heating volume can be offset relative to the arc chamber, whereby the overall size of the circuit breaker can be reduced. It is preferred if the heating channel has a constant width, whereby a continuous gas flow along the heating channel can be realized. The arrangement of the flow element in the heating channel of this is narrowed at this point.
  • a plurality of heating channels and / or a plurality of heating volumes can furthermore be provided.
  • the invention should be understood to mean that when spoken by a heating channel and / or a heating volume, several heating channels and / or heating volume are also included.
  • a plurality of heating channels can be provided for a common heating volume, whereby a gas flow into the arcing space results from several directions.
  • only one heating channel can be connected to a heating volume, it is advantageous if then several heating channels and a plurality of heating volumes are provided, which are arranged rotationally symmetrical. It is further preferred if the heating volume is rotationally symmetrical and in particular has a rectangular cross-section.
  • the heating volume can be arranged coaxially with the central axis of the switch, whereby the size of the circuit breaker can be reduced.
  • the heating volume may preferably be designed in the manner of a closed chamber with a heating channel opening.
  • the heating volume is advantageously greater than the arc space and as the heating channel, wherein the arc chamber is particularly preferably greater than the heating channel.
  • the arc chamber and the heating channel are arranged in a nozzle system, in particular in an insulating nozzle system.
  • the arc chamber can extend between two insulating nozzles. The energy of the arc can cause the insulating material material to burn off, creating a pressure wave that can initiate the self-blowing effect.
  • the arc chamber and the heating volume with an extinguishing and / or insulating gas are filled.
  • Carbon dioxide (C0 2 ) as quenching gas can replace the hitherto standard sulfur hexafluoride (SF 6 ).
  • SF 6 hitherto standard sulfur hexafluoride
  • Oxide (C0 2 ) can lead to an increased rate of degradation of the blow-by pressure in the heating volume due to the flow rate, as a result of which the reflux properties against sulfur hexafluoride (SF 6 ) are inferior.
  • this disadvantage can be reduced by a flow element according to the invention and the flow properties can also be improved.
  • a carbon dioxide gas mixture can also be used.
  • extinguishing gases and synthetic air or nitrogen (N 2 ) or any other gas or gas mixture can be used.
  • a compression volume and other areas of the circuit breaker may be filled with the same quenching gas.
  • a further advantageous embodiment provides that the arc chamber is connected via one or more heating channels with one or more heating volume.
  • the arc chamber can be connected via any number of heating channels with any number of heating volume. However, it is particularly preferred if in each case a heating channel is connected to a heating volume.
  • the object is achieved gel ö that a heating channel flowing through the gas stream is directed by means of a flow element in the heating channel.
  • the circuit breaker according to the invention can be achieved that the gas temperature is lowered in the heating volume, in the heating channel and in particular in the arc chamber.
  • the temperature of the gas stream at the time of zero current passage in the arc chamber is less than the dissociation temperature of the gas, which is 2,000 K at carbon dioxide (C0 2 ).
  • the temperature of the gas stream is preferably in a range between 1 .000 K and 2,000 K, but more preferably between 1 .500 K and 2,000 K.
  • FIG. 2 is a schematic representation of a circuit breaker according to the invention
  • Fig. 3 shows various schematic representations of cross sections of a
  • Flow element and Fig. 4 is a schematic representation of the temperature profile of the circuit breaker.
  • a circuit breaker 1 which can be used for switching high electrical currents, for example in the form of a gas pressure switch.
  • the compressed gas switch can in turn be configured, for example, as Doubleblas antiquesschalter or buffer switch.
  • Fig. 1 a shows a circuit breaker 1, which is in the on state.
  • a nominal contact system 3 and a consumable contact system 2 are rotationally symmetrical.
  • the nominal contact system 3 has two nominal contacts 3.1, 3.2 displaceable relative to one another in the axial direction
  • the consumable contact system 2 also has two consumable contacts 2.1, 2.2, which are likewise movable in the axial direction.
  • the nominal contacts 3.1, 3.2 are connected to each other in the on state and carry the electrical current, which is shown in Fig. 1a by an arrow.
  • the state shown in this partial image is the normal operating state of a self-blowing circuit breaker. 1
  • the rated or short-circuit current to be switched changes to the consumable contact system 2 about, cf. Fig. 1 b.
  • the current is now passed through the contacts 2.1, 2.2, see the arrow in Fig. 1 b.
  • the valves 11 open, whereby a located in a compression volume 10 gas is compressed.
  • the compression volume 10 is pressed onto the fixed compression piston 12, so that an increase in pressure in the compression volume 10 and in the heating volume 6 is achieved.
  • an arc space 4 is formed between them, in which an arc 9 is ignited.
  • the arc 9 is guided between the insulating material nozzles 8.
  • the arc chamber 4 is arranged in a nozzle system 8, in particular in a Isolierstoffdüsensystem, which is composed of two nozzles 8.1, 8.2.
  • the energy converted in the arc 9 hits partly as radiant energy on the insulating material nozzles 8.1, 8.2, which are then partially burned.
  • the nozzles 8.1, 8.2 are thereby widened and lose their original shape.
  • the gaseous nozzle material then flows at least partially into the heating volume 6 via the heating channel 5 guided between the two insulating material nozzles 8.1, 8.2, where it provides an additional pressure build-up.
  • the gas in the heating volume 6 flows through the heating channel 5 back into the arc chamber 4 and there ensures cooling of the arc 9.
  • built in the heating volume 6 pressure is used to a gas flow in the Generate arc space 4, which deletes the arc 9 in the current zero crossing, see. Fig. 1 d.
  • the current flow through the switch 1 is interrupted and the switching process is completed.
  • the entire circuit breaker 1 is rotationally symmetrical with respect to a through the circuit breaker 1 extending axis A, which is why the cross section shown in FIG. 1 by the circuit breaker 1 may represent any orientation of the switch 1.
  • the cavities of the circuit breaker 1, such as the arc chamber 4, the heating channel 5, the heating volume 6 and the compression volume 10 are filled with any quenching gas.
  • the gas sulfur hexafluoride (SF 6 ) is used, but this should be avoided from an environmental point of view.
  • Carbon dioxide (C0 2 ), synthetic air or nitrogen (N 2 ) can also be used as further substitutes.
  • the cavities are filled with carbon dioxide (C0 2 ).
  • a flow element 7 for directing the gas flow flowing through the heating channel 5 is arranged in the heating channel 5.
  • Such a switch 1 shows in a schematic representation Fig. 2, wherein the illustrated state of the switch 1 corresponds approximately to the switching phases shown in Figs. 1c and 1d.
  • the heated gas flow generated by the arc 9 can be directed into the heating volume 6 as well as the colder gas flow flowing back from the heating volume 6 into the arc space 4.
  • the total gas flow can be directed so that the befind Anlagenere in the heating volume 6 colder gas mixes better with the incoming warmer gas. This results in the heating volume 6 an overall lower gas temperature and thus also a total colder gas reflux, which can then be used to blow the arc 9.
  • the flow element 7 is arranged at the heating volume end in the transition region of the heating channel 5 and the heating volume 6. Since the circuit breaker 1 is rotationally symmetrical, the heated gas stream can flow along the wall of the heating volume 6 facing the axis A, thereby avoiding the formation of hotspots and significantly better and more homogeneous mixing in the area of the heating volume 6 on the compression volume side of the gas can be achieved.
  • the colder gas collects, however, at the heating channel end of the heating volume 6.
  • An exemplary temperature profile is shown in FIG. 4.
  • a reduction of the gas temperature of more than 30% and / or 250 K over known circuit breakers 1 can be achieved.
  • By lowering the gas temperature in the arc chamber 4 can be assumed to increase the thermal breaking capacity in a similar size.
  • the flow element 7 is arranged centrally in the heating channel 5 and via support elements 13 with the walls of the heating channel 5. prevented.
  • the support elements 13 may be, for example, thin struts or the like which have as little influence as possible on the flow behavior of the gas flow.
  • the central arrangement of the flow element 7 in the heating channel 5 results below the Strömungsele- ment 7 a blowout 14 for blowing out the heated gas stream and above the flow element 7, a suction port 15 for sucking the colder gas stream from the heating 6.
  • the size of the opening width of the suction opening 15 and the blow-out opening 14 can further influence the mixing-through effect.
  • the opening width of the blow-out opening 14 is smaller than the opening width of the suction opening 15.
  • the shape of the flow element 7 can also influence the flow behavior of the gas flow.
  • the flow element 7, like the entire switch 1, is rotationally symmetrical and in particular has a ring shape.
  • the flow element 7 may be in the form of drops (FIG. 3 a), wing-shaped (FIG. 3 b, d), elliptical (FIG. 3 c), rod-shaped (FIG. 3 e) or wedge-shaped (FIG. 3 f).
  • the choice of the cross section of the flow element 7 is in each case dependent on the desired flow profile of the gas stream.
  • the flow element 7, as shown in Fig. 2 formed in a wing-shaped, resulting in a laminar flow. Similar to an airplane, for example, it rises above the flow elements 7, the flow rate, whereas this is reduced below.
  • the flow elements 7 are designed such that a turbulence-poor, in particular turbulence-free, gas flow in the heating channel 5 results.
  • the flow element 7 serves to maintain the laminar character of the flow.
  • the gas flow should be controlled in such a way that it flows far into the heating volume 6 along the nozzle-side heating channel wall.
  • the flow element 7 tapers in the direction of the heating volume 6, whereby the flow path is guided in the direction of the side facing the axis A and the mixing behavior of the gas located in the heating volume 6 is improved.
  • the flow element 7 has two guide surfaces 16.1 and 16.2, which are opposite each other and of which at least one slant is arranged in the heating channel 5.
  • the two guide surfaces 16.1, 16.2 extend obliquely to one another, as a result of which the course of flow of the gas flow can be further influenced.
  • a plurality of heating channels 5 and / or a plurality of heating volumes 6 may be provided, wherein the rotational symmetry is to be maintained in principle. Because when using carbon dioxide (C0 2 ) as quenching gas is formed in the middle of the arc chamber 4 at the level of Schukanalö Anlagen a stagnation region at which the resistance of the contact section is maximum. Through the use of multiple heating channels 5 and / or heating volume 6 may additionally a Multiplication of the cooling effect can be achieved. If a plurality of heating channels 5 and / or heating volume 6 are provided, the flow element 7 may have interruptions which correspond to the respective openings of the heating channels 5 and / or the heating volume 6.
  • the heating channel 5 extends at an angle, whereby the heating volume 6 can be arranged offset relative to the arc space 4.
  • the heating channel 5 has a constant width over its entire length, which leads to a continuous gas flow in the heating channel 5.
  • the heating channel 5 is also rotationally symmetrical and in particular annular.
  • the heating volume 6 is rotationally symmetrical and has a rectangular cross-section.
  • FIG. 4 shows a schematic distribution of the hot gas and the cold gas on the left in the case of a power switch 1 known from the prior art and on the right in a circuit breaker 1 according to the invention.
  • the dotted area represents the heated gas and the hatched area represents the colder gas.
  • the heated gas is applied to the back of the circuit breaker Heating volume 6 out, which is more colder gas at the heating channel end of the heating volume 6, which can then be sucked back into the heating channel 5.
  • the colder gas located in the heating volume 6 is better mixed with the heated gas stream flowing into the heating volume 6 through the flow element 7, whereby a higher colder gas content is available at the heating channel end of the heating volume 6. supply, which can then be sucked back into the heating channel 5.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Leistungsschalter (1) zum Schalten elektrischer Ströme mit einem zwischen Kontakten (2.1, 2.2) angeordneten Lichtbogenraum (4) und mit einem, mit dem Lichtbogenraum (4) über einen Heizkanal (5) verbundenen Heizvolumen (6), wobei im Heizkanal (5) ein Strömungselement (7) zum Lenken eines den Heizkanal (5) durchströmenden Gasstroms angeordnet ist. Weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Löschen eines Lichtbogens (9) bei einem erfindungsgemäßen Leistungsschalter (1).

Description

Leistungsschalter
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Leistungsschalter zum Schalten elektrischer Ströme mit einem zwischen Kontakten angeordneten Lichtbogenraum und mit einem mit dem Lichtbogenraum über einen Heizkanal verbundenen Heizvolumen. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Löschen eines Lichtbogens bei einem derartigen Leistungsschalter.
Bei elektrischen Leistungsschaltern handelt es sich um mechanische Schaltgeräte, die häufig in Energieübertragungsnetzen eingesetzt werden, um dort hohe elektrische Ströme einzuschalten, dauernd zu führen und zu unterbrechen. Treten Störungen auf, wie beispielsweise im Kurzschlussfall, so ist es erforder- lieh, dass die auftretenden hohen Ströme zuverlässig abgeschaltet und die nach dem Abschaltvorgang über den Kontakten einschwingende Netzspannung gehalten werden kann. Während des Abschaltvorgangs werden die miteinander in Verbindung stehenden Kontakte voneinander entfernt. Beim Unterbrechen des Stromflusses findet durch die Trennung der Kontakte eine Gasentladung in Form eines Lichtbogens statt. Da über den Lichtbogen weiterhin Strom zwischen den Kontakten geführt wird, ist es erforderlich, den Lichtbogen innerhalb möglichst kurzer Zeit zu löschen.
Bekannte Leistungsschalter weisen einen zwischen den Kontakten angeordneten Lichtbogenraum, ein Heizvolumen sowie einen den Lichtbogenraum und das Heizvolumen verbindenden Heizkanal auf. Durch den Lichtbogen wird das sich im Lichtbogenraum befindliche Isoliergas erhitzt, was zu einem Druckaufbau in dem Heizvolumen führt. Es entsteht eine Druckwelle, welche zunächst in Richtung des hinteren Endes des Heizvolumens gerichtet ist, dort jedoch reflektiert wird, wodurch dann ein Gegenstrom erzeugt wird. Dieser kühlere Gegenstrom wird über den Heizkanal zurück in den Lichtbogenraum geführt, wo er dem Lichtbogen Energie durch Kühlung entzieht, so dass dieser gelöscht wird.
Um die Temperatur des rückströmenden Gasstroms zu reduzieren, ist es beispielsweise aus der DE 198 50 395 A1 bekannt, im Heizvolumen Strömungsele- mente anzuordnen. Bei dem dort offenbarten Leistungsschalter wird in einer ersten Phase des Ausschaltvorgangs der durch den Lichtbogen erzeugte heiße Gasstrom über einen Heizkanal entlang der Strömungselemente zur Oberseite des Heizvolumens geführt, wobei ein kälterer Gasstrom durch die Öffnungen zwischen den Strömungselementen und dem Heizkanal angesaugt wird. In ei- ner zweiten Phase strömt der kältere Gasstrom über den Heizkanal zurück in den Lichtbogenraum und führt dort zur Löschung des Lichtbogens.
Die Ausschalteigenschaften eines Schalters werden insbesondere durch die Temperatur des zurückströmenden kälteren Gases wesentlich mitbestimmt, wobei die Temperatur möglichst gering sein sollte. Dies wäre auch bei der Verwendung von alternativen Löschgasen zu dem im Stand der Technik weitverbreiteten Löschgas Schwefelhexafluorid (SF6) von Vorteil, da in diesem Zusammenhang bei der Löschung des Lichtbogens noch technische Herausforde- rungen bestehen.
Die DE 23 26 650 A beschreibt einen Druckgasschalter mit einem Strömungselement im Heizkanal, welches den rückströmenden Gasstrom vor der Zuführung in den Lichtbogenraum verwirbeln soll. Dies hat allerdings den Nachteil, dass der Gasstrom in der Hochstromphase bei der Einleitung in das Heizvolumen ebenfalls verwirbelt wird, wodurch sich das in das Heizvolumen einströmende heiße Gas nicht gut mit dem kühleren Gas durchmischt, so dass die Temperatur des resultierenden Rückstroms unerwünscht hoch ist. Die vorliegende Erfindung stellt sich daher die A u f g a b e , einen Leistungsschalter anzugeben, mit welchem die Temperatur des Rückstroms verringert werden kann, so dass die Ausschalteigenschaften des Schalters verbessert werden. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einem Leistungsschalter der eingangs genannten Art dadurch g e l ö s t , dass im Heizkanal ein Strömungselement zum Lenken eines den Heizkanal durchströmenden Gasstroms angeordnet ist. Durch ein im Heizkanal angeordnetes Strömungselement kann ein den Heizkanal durchströmender Gasstrom gezielt gelenkt werden, wodurch die Durchmischung des sich im Heizvolumen befindlichen Gases mit dem neu einströmenden Gasstrom verbessert wird. Der durch den Lichtbogen erwärmte Gasstrom und das sich im Heizvolumen befindliche kältere Gas können so besser miteinander vermischt werden, wodurch sich eine insgesamt geringere Gastemperatur zum Beblasen und Löschen des Lichtbogens ergeben kann. So kann erreicht werden, dass der Lichtbogen auch beim ersten Stromnulldurchgang sicher gelöscht werden kann. Die Temperatur des Rückstroms aber auch die Gastempe- ratur im gesamten Leistungsschalter kann dabei durch das Lenken des Gasstroms mittels der Strömungselemente abgesenkt werden. Durch das Strömungselement kann die Gasströmung gerichtet in das Heizvolumen gelenkt werden. Die Gasströmung ist hierbei turbulenzarm, insbesondere turbulenzfrei.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass das Strömungselement am heiz- volumenseitigen Ende, insbesondere im Übergangsbereich des Heizkanals und des Heizvolumens angeordnet ist. Durch die Anordnung des Strömungselements am heizvolumenseitigen Ende des Heizkanals kann der den Heizkanal durch- strömende Gasstrom vor dem Eintreten in das Heizvolumen entsprechend einem vorgegebenen Strömungsverlauf gelenkt werden. Der Gasstrom weist dann beim Eintreten in das Heizvolumen eine gerichtete, insbesondere laminare, Strömung auf, mittels welcher die anschließende Durchmischung der Gase verbessert werden kann.
In diesem Zusammenhang ist es von Vorteil, wenn das Strömungselement zumindest teilweise in das Heizvolumen hineinreicht. Durch eine solche Anordnung des Strömungselementes kommt es nicht zu unerwünschten Verwirbelun- gen am Eingang des Heizvolumens, sondern der Gasstrom kann insbesondere an einer Wand des Heizvolumens entlang geführt werden, wodurch der Kaltgasanteil im Heizvolumen zusätzlich erhöht werden kann.
Des Weiteren ist es von Vorteil, wenn das Strömungselement beabstandet zu den Wänden des Heizkanals, insbesondere mittig im Heizkanal, angeordnet ist. Durch die mittige Anordnung kann der Gasstrom oberhalb oder unterhalb des Strömungselementes geführt werden. Bevorzugt ist das Strömungselement mittig im Heizkanal angeordnet, allerdings ist es auch möglich, dass das Strömungselement an den Seitenwänden des Heizkanals oder seitlich versetzt im Heizkanal angeordnet ist.
Eine weitere Ausgestaltung sieht dabei vor, dass das Strömungselement zwei sich gegenüberliegende Leitflächen aufweist. Die Leitflächen können dabei die Ober- und Unterseite des Strömungselementes bilden. Zusätzlich können die beiden Leitflächen über weitere vorne und hinten am Strömungselement angeordnete Leitflächen miteinander verbunden sein. Der durch das Strömungselement gelenkte Gasstrom kann dabei an den Leitflächen entlang geführt werden. Bevorzugt ist mindestens eine der Leitflächen schräg im Heizkanal angeordnet. Durch die schräge Anordnung der Leitflächen kann der Gasstrom derart gelenkt werden, dass er nach oben gerichtet und/oder nach unten gerichtet geführt wird. So sieht eine bevorzugte Ausgestaltung vor, dass die Leitflächen des Strömungselementes schräg in Richtung einer zentralen Achse des Leistungs- Schalters, d. h. insbesondere in Richtung einer innenliegenden Seitenwand des Heizkanals angeordnet sind. Bevorzugt können die Leitflächen in einem Winkel zwischen 0° und 60°, bevorzugter zwischen 10° und 45° und besonders bevorzugt zwischen 10° und 20° angeordnet sein. Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung sieht vor, dass die Leitflächen schräg zueinander angeordnet sind. Auch hierdurch kann das Strömungsverhalten des Gasstroms weiter beeinflusst werden. Weiterhin vorteilhaft ist, wenn eine Ausblasöffnung zum Ausblasen eines erwärmten Gasstroms und eine Ansaugöffnung zum Ansaugen eines kälteren Gasstroms aus dem Heizvolumen vorgesehen ist. Die Ausblasöffnung und die Ansaugöffnung können bevorzugt durch den Zwischenraum zwischen dem Strömungselement und der Wandung des Heizkanals gebildet werden. Besonders bevorzugt befinden sich die Öffnungen im Heizkanal und insbesondere am heizvolumenseitigen Ende. Der durch den Lichtbogen erzeugte erwärmte Gasstrom kann durch die Ausblasöffnung in das Heizvolumen geführt werden. Der kältere Gasrückstrom, welcher aus dem Heizvolumen über den Heizkanal in Richtung des Lichtbogenraums strömt, kann durch die Ansaugöffnung strömen und so in den Lichtbogen räum gesaugt werden. Insoweit kann sowohl der hin- als auch der rückströmende Gasstrom über eine der Öffnungen gezielt geführt werden.
In diesem Zusammenhang ist es dabei vorteilhaft, wenn die Ausblasöffnung unterhalb des Strömungselements und die Ansaugöffnung oberhalb des Strömungselements am heizvolumenseitigen Ende des Strömungselements angeordnet ist. Hierdurch kann der erwärmte Gasstrom unterhalb des Strömungselements entlang der der zentralen Achse zugewandten Seite des Heizkanals und des Heizvolumens geführt werden. Das sich im Heizvolumen befindliche kühlere Gas kann als kälterer Gasstrom über die Ansaugöffnung aus dem Heizvolumen heraus in Richtung des Lichtbogenraums angesaugt und oberhalb des Strömungselementes geführt werden. Durch die verbesserte Durchmischung des sich im Heizvolumen befindlichen Gases kann sich das kältere Gas im Bereich der Ansaugöffnung sammeln, wobei daraus resultierend über die Ansaug- Öffnung ein höherer Kaltgasanteil in den Heizkanal zurückgeführt werden kann.
In diesem Zusammenhang ist es besonders vorteilhaft, wenn die Öffnungsweite der Ausblasöffnung kleiner als die Öffnungsweite der Ansaugöffnung ist. Es ist somit möglich, dass der erwärmte Gasstrom über eine kleine Ausblasöffnung austritt, um so die Einströmgeschwindigkeit in das Heizvolumen zu erhöhen. Durch die größere Öffnungsweite der Ansaugöffnung kann hingegen ein größerer Sog in Richtung des Lichtbogenraums erzeugt werden, wodurch die Strö- mungs- und damit auch die Beblasungsgeschwindigkeit vergrößert werden kann. Bevorzugt kann dabei die Öffnungsweite der Ausblasöffnung zur Öffnungsweite der Ansaugöffnung in einem Bereich von 1 :2 bis 2:3 liegen.
Es ist ferner vorteilhaft, wenn der Gasstrom derart lenkbar ist, dass eine ge- zielte Durchmischung des erwärmten Gases mit einem sich im Heizvolumen befindlichen kühleren Gas erfolgt, wodurch eine signifikante Temperatursenkung des Beblasungsgases erreicht werden kann. Der erwärmte Gasstrom kann dabei derart gelenkt werden, dass sich im Heizvolumen keine Hotspots ergeben. Vielmehr kann erreicht werden, dass sich ein homogenerer Temperatur- verlauf innerhalb des Heizvolumens ergibt. Durch die Lenkung des Gasstromes ist es des Weiteren möglich, dass sich mehr kühleres Gas am eingangsseitigen Ende des Heizvolumens sammelt, welches dann über die Ansaugöffnung des Strömungselementes angesaugt werden kann. Insgesamt ergeben sich dadurch eine Herabsetzung der Temperatur des Beblasungsgases und damit ein deutlich kühlerer Gasstrom zurück in den Lichtbogen räum des Leistungsschalters. So kann auf einfache Art und Weise erreicht werden, dass der Lichtbogen auch bei der Verwendung von alternativen Löschgasen sicher beim ersten Stromnulldurchgang gelöscht werden kann. Nachdem genauer auf die allgemeine Funktion und Anordnung des Strömungselementes eingegangen wurde, soll nachfolgend detaillierter auf das Strömungselement und dessen Eigenschaften eingegangen werden. Da der Leistungsschalter, und insbesondere der Heizkanal und das Heizvolumen, zumeist rotationssymmetrisch ausgebildet sind, sieht eine vorteilhafte Ausgestaltung vor, dass auch das Strömungselement rotationssymmetrisch, insbesondere ringförmig, ausgebildet ist, wodurch die Symmetrie erhalten werden kann. Das Strömungselement kann dabei ringförmig um die zentral durch den Leistungsschalter verlaufende Mittelachse angeordnet sein. Sind in einem Leistungsschalter mehrere Heizkanäle und/oder Heizvolumen vorgesehen, kann das Strömungselement Unterbrechungen aufweisen, welche jedoch ebenfalls rotationssymmetrisch angeordnet sein können. Vorteilhaft ist ferner, wenn sich das Strömungselement in Richtung des Heizvolumens verjüngt. Der Durchmesser des Querschnitts des Strömungselements kann zwischen dem lichtbogenraumseitigen Ende und der Mitte des Strömungselements am größten sein und in Richtung des Heizvolumens hin abnehmen. Bevorzugt ist dabei eine kontinuierliche Verjüngung, insbesondere eine allmähliche und /oder gleichmäßige Verringerung des Durchmessers des Strömungselements. Besonders bevorzugt kann das Strömungselement dabei am heizvolumenseitigen Ende spitz zulaufen. Auf diese Weise kann der Gasstrom ober- und unterhalb des Strömungselementes gezielt gelenkt werden und ein gerichteter Einstrom in das Heizvolumen erfolgen. Durch die sich verjüngende Form kann der Gasstrom in Richtung der der Mittelachse zugewandten Wand des Heizvolumens umgelenkt werden.
Des Weiteren ist es von Vorteil, wenn der Querschnitt des Strömungselements tragflächenförmig, keilförmig, stabförmig oder tropfenförmig ausgebildet ist. Alternativ können auch andere Querschnitte verwendet werden. In Abhängigkeit des Querschnitts können verschiedene Druckbereiche aufgebaut werden, wie dies beispielsweise aus der Flugzeugtechnik oder dergleichen bekannt ist, und so das Strömungsverhalten weiter beeinflusst werden. Auch kann die Strömungsgeschwindigkeit, insbesondere oberhalb und unterhalb des Strömungselements, gesteuert werden.
Durch das Strömungselement sollte keine turbulente Gasströmung erzeugt werden, sondern die laminare Strömung aufrechterhalten und gerichtet wer- den. Der Gasstrom im Heizkanal, insbesondere in der Hochstromphase, sollte turbulenzarm, insbesondere turbulenzfrei sein. Bevorzugt ist das Strömungselement stromlinienförmig.
Im Folgenden soll auf Einzelheiten und Eigenschaften des Leistungsschalters selbst eingegangen werden.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass der Heizkanal einen abgewinkelten Verlauf aufweist. Der Heizkanal kann dabei vom Lichtbogenraum hin zum Heizvolumen geführt sein. Es ist von Vorteil, wenn der Heizkanal eben- falls rotationssymmetrisch, insbesondere ringförmig, ausgebildet ist. Durch den abgewinkelten Verlauf des Heizkanals kann das Heizvolumen gegenüber dem Lichtbogenraum versetzt angeordnet werden, wodurch sich die Gesamtgröße des Leistungsschalters verringern lässt. Bevorzugt ist, wenn der Heizkanal eine konstante Breite aufweist, wodurch sich ein kontinuierlicher Gasstrom entlang des Heizkanals realisieren lässt. Durch die Anordnung des Strömungselements im Heizkanal wird dieser an dieser Stelle verengt.
Um die Temperatur im Lichtbogenraum weiter zu verringern, können des Weiteren mehrere Heizkanäle und/oder mehrere Heizvolumen vorgesehen sein. So soll die Erfindung derart verstanden werden, dass wenn von einem Heizkanal und/oder einem Heizvolumen gesprochen wird, auch mehrere Heizkanäle und/oder Heizvolumen mit umfasst sind. Bevorzugt können mehrere Heizkanäle für ein gemeinsames Heizvolumen vorgesehen sein, wodurch sich ein Gas- ström in den Lichtbogenraum aus mehreren Richtungen ergibt. Auch kann nur ein Heizkanal mit einem Heizvolumen verbunden sein, wobei es von Vorteil ist, wenn dann mehrere Heizkanäle und mehrere Heizvolumen vorgesehen sind, welche rotationssymmetrisch angeordnet sind. Bevorzugt ist es ferner, wenn das Heizvolumen rotationssymmetrisch ausgebildet ist und insbesondere einen rechteckigen Querschnitt aufweist. Das Heizvolumen kann koaxial zur zentralen Achse des Schalters angeordnet sein, wodurch sich die Baugröße des Leistungsschalters verringern lässt. Das Heizvolumen kann bevorzugt nach Art einer geschlossenen Kammer mit einer Heizka- nalöffnung ausgebildet sein. Das Heizvolumen ist dabei vorteilhafterweise größer als der Lichtbogenraum und als der Heizkanal, wobei der Lichtbogenraum besonders bevorzugt größer ist als der Heizkanal.
Es ist ferner vorteilhaft, wenn der Lichtbogenraum und der Heizkanal in einem Düsensystem, insbesondere in einem Isolierstoffdüsensystem, angeordnet sind. Der Lichtbogenraum kann sich dabei zwischen zwei Isolierstoffdüsen erstrecken. Durch die Energie des Lichtbogens kann es zum Abbrennen des Isolierstoffdüsenmaterials kommen, wodurch eine Druckwelle erzeugt wird, welche den Selbstblaseffekt initiieren kann.
Darüber hinaus ist es von Vorteil, wenn der Lichtbogenraum und das Heizvolumen mit einem Lösch- und/oder Isoliergas, insbesondere mit Kohlenstoffdioxid (C02), gefüllt sind. Kohlenstoffdioxid (C02) als Löschgas kann das bislang standardmäßig verwendete Schwefelhexafluorid (SF6) ersetzen. Bei Kohlenstoffdi- oxid (C02) kann es aufgrund der Strömungsgeschwindigkeit zu einer erhöhten Abbaurate des Beblasungsdrucks im Heizvolumen kommen, wodurch die Rückstromeigenschaften gegenüber Schwefelhexafluorid (SF6) schlechter sind. Dieser Nachteil kann jedoch durch ein erfindungsgemäßes Strömungselement vermindert und die Strömungseigenschaften außerdem verbessert werden. Anstelle von reinem Kohlenstoffdioxid kann auch ein Kohlenstoffdioxid- Gasgemisch verwendet werden. Alternativ können als Löschgase auch synthetische Luft oder Stickstoff (N2) oder ein beliebiges anderes Gas oder Gasgemisch verwendet werden. Zusätzlich können auch ein Kompressionsvolumen sowie weitere Bereiche des Leistungsschalters mit dem gleichen Löschgas gefüllt sein.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass der Lichtbogenraum über einen oder mehrere Heizkanäle mit einem oder mehreren Heizvolumen verbunden ist. Der Lichtbogenraum kann dabei über eine beliebige Anzahl von Heizkanälen mit einer beliebigen Anzahl von Heizvolumen verbunden sein. Besonders bevorzugt ist jedoch, wenn jeweils ein Heizkanal mit einem Heizvolumen verbunden ist. Durch das Vorsehen mehrerer Heizkanäle und/oder Heizvolumen kann sich eine Beblasung aus mehreren Richtungen zum Lichtbogen räum hin ergeben, wodurch sich die Temperatur im Lichtbogenraum weiter verringern lässt.
Bei einem Verfahren der eingangs genannten Art wird die Aufgabe dadurch g e l ö s t , dass ein den Heizkanal durchströmender Gasstrom mittels eines Strömungselements im Heizkanal gelenkt wird. Hierbei ergeben sich dieselben Vorteile, welche bereits im Zusammenhang mit dem Leistungsschalter beschrieben wurden. Durch den erfindungsgemäßen Leistungsschalter kann erreicht werden, dass die Gastemperatur im Heizvolumen, im Heizkanal und insbesondere im Lichtbogenraum abgesenkt wird. Vorteilhafterweise ist die Temperatur des Gasstroms zum Zeitpunkt des Stromnulldurchgangs im Lichtbogenraum kleiner als die Dissoziationstemperatur des Gases, welche bei Kohlenstoffdioxid (C02) bei 2.000 K liegt. Durch das Unterschreiten der Dissoziationsschwelle von Kohlenstoffdioxid (C02) kann erreicht werden, dass der Lichtbogen beim ersten Stromnulldurchgang sicher gelöscht werden kann. Bevorzugt liegt die Temperatur des Gasstroms dabei in einem Bereich zwischen 1 .000 K und 2.000 K, be- sonders bevorzugt jedoch zwischen 1 .500 K und 2.000 K.
Bei dem Verfahren können auch die anhand des Leistungsschalters erläuterten Merkmale und Ausgestaltungen allein und in Kombination verwendet werden. Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sollen nachfolgend anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert werden. Hierin zeigt:
Fig. 1 eine schematische Darstellung des Funktionsprinzips eines Selbst- blasleistungsschalters,
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Leistungsschalters,
Fig. 3 verschiedene schematische Darstellungen von Querschnitten eines
Strömungselements und Fig. 4 eine schematische Darstellung des Temperaturverlaufs des Leistungsschalters.
In der Fig. 1 ist das generelle Funktionsprinzip eines Leistungsschalters 1 dargestellt, welcher zum Schalten hoher elektrischer Ströme beispielsweise in Form eines Druckgasschalters verwendet werden kann. Der Druckgasschalter kann dann wiederum beispielsweise als Selbstblasleistungsschalter oder Pufferschalter ausgebildet sein.
Die Fig. 1 a zeigt einen Leistungsschalter 1 , welcher sich im eingeschalteten Zustand befindet. Innerhalb des Schalters 1 ist rotationssymmetrisch ein Nennkontaktsystem 3 sowie ein Abbrandkontaktsystem 2 angeordnet. Das Nennkontaktsystem 3 weist dabei zwei gegeneinander in axialer Richtung verschiebba- re Nennkontakte 3.1 , 3.2 auf und das Abbrandkontaktsystem 2 zwei gegeneinander ebenfalls in axialer Richtung bewegbare Abbrandkontakte 2.1 , 2.2. Die Nennkontakte 3.1 , 3.2 sind im eingeschalteten Zustand miteinander verbunden und führen den elektrischen Strom, was in der Fig. 1a durch einen Pfeil dargestellt ist. Bei dem in diesem Teilbild dargestellten Zustand handelt es sich um den normalen Betriebszustand eines Selbstblasleistungsschalters 1.
Wird nun der Ausschaltvorgang eingeleitet, so bewegen sich der erste Teil des Schalters 1 , in welchem der Nennkontakt 3.1 sowie der Abbrandkontakt 2.1 angeordnet sind, und der zweite Teil des Schalters 1 , in welchem der Nenn- kontakt 3.2 sowie der Abbrandkontakt 2.2 angeordnet sind, in axialer Richtung auseinander, wodurch sich die beiden Nennkontakte 3.1 , 3.2 voneinander trennen. Aufgrund der Geometrie des Leistungsschalters 1 wechselt der zu schaltende Nenn- bzw. Kurzschlussstrom auf das Abbrandkontaktsystem 2 über, vgl. Fig. 1 b. Der Strom wird nun über die Kontakte 2.1 , 2.2 geführt, siehe Pfeilverlauf in der Fig. 1 b.
Durch die Bewegung der beiden Teile des Schalters 1 öffnen sich die Ventile 11 , wodurch ein sich in einem Kompressionsvolumen 10 befindliches Gas komprimiert wird. Das Kompressionsvolumen 10 wird dabei auf die feststehenden Kompressionskolben 12 gedrückt, so dass eine Druckerhöhung im Kompressionsvolumen 10 sowie im Heizvolumen 6 erreicht wird. Werden die Kontakte 2.1 , 2.2 nun weiter auseinander bewegt, entsteht zwischen diesen ein Lichtbogenraum 4, in welchem ein Lichtbogen 9 gezündet wird. Wie dies der Fig. 1c zu entnehmen ist, wird der Lichtbogen 9 dabei zwischen den Isolierstoffdüsen 8 geführt. Der Lichtbogenraum 4 ist dabei in einem Düsensystem 8 angeordnet, insbesondere in einem Isolierstoffdüsensystem, welches sich aus zwei Düsen 8.1 , 8.2 zusammensetzt. Die im Lichtbogen 9 umgesetzte Energie trifft zum Teil als Strahlungsenergie auf die Isolierstoffdüsen 8.1 , 8.2, welche daraufhin teilweise abgebrannt werden. Die Düsen 8.1 , 8.2 werden dadurch aufgeweitet und verlieren ihre ursprüngliche Form. Das gasförmige Düsenmaterial strömt dann zumindest teilweise über den zwischen den beiden Isolierstoffdüsen 8.1 , 8.2 geführten Heizkanal 5 in das Heizvolumen 6 und sorgt dort für einen zusätzlichen Druckaufbau.
In der darauf folgenden Phase des Abschaltvorgangs strömt das sich im Heizvolumen 6 befindliche Gas über den Heizkanal 5 zurück in den Lichtbogenraum 4 und sorgt dort für eine Kühlung des Lichtbogens 9. Insoweit wird der in dem Heizvolumen 6 aufgebaute Überdruck genutzt, um eine Gasströmung in den Lichtbogenraum 4 zu generieren, welche den Lichtbogen 9 im Stromnulldurchgang löscht, vgl. Fig. 1 d. Der Stromfluss durch den Schalter 1 ist unterbrochen und der Schaltvorgang beendet. Der gesamte Leistungsschalter 1 ist bezüglich einer durch den Leistungsschalter 1 längs verlaufenden Achse A rotationssymmetrisch ausgebildet, weshalb der in der Fig. 1 dargestellte Querschnitt durch den Leistungsschalter 1 eine beliebige Ausrichtung des Schalters 1 darstellen kann.
Die Hohlräume des Leistungsschalters 1 , wie beispielsweise der Lichtbogenraum 4, der Heizkanal 5, das Heizvolumen 6 sowie das Kompressionsvolumen 10 sind mit einem beliebigen Löschgas gefüllt. Standardmäßig wird hierbei das Gas Schwefelhexafluorid (SF6) verwendet, was jedoch aus umwelttechnischen Aspekten vermieden werden sollte. Als weitere Substitute können beispielsweise auch Kohlenstoffdioxid (C02), synthetische Luft oder Stickstoff (N2) verwendet werden. Im Ausführungsbeispiel sind die Hohlräume mit Kohlenstoffdioxid (C02) gefüllt.
Um eine erfolgreiche Stromunterbrechung in alternativen Löschgasen erreichen zu können, ist es erforderlich, die Gastemperatur im Isolierstoffdüsensystem 8 des Leistungsschalters 1 eine Temperatur unter die Dissoziationsschwelle des Löschgases zu reduzieren. Da der Leistungsschalter 1 im Ausführungsbei- spiel mit Kohlenstoffdioxid (C02) gefüllt ist, bedeutet dies, dass eine Reduzierung der Gastemperatur unter 2.000 K erfolgen muss. Um dies zu erreichen, ist es erforderlich, die Temperatur im Lichtbogenraum 4 und im Heizvolumen 6 zu senken und insbesondere einen kälteren, über den Heizkanal 5 aus dem Heizvolumen 6 zurück strömenden Gasstrom zu erhalten.
Bei einem erfindungsgemäßen Leistungsschalter 1 ist daher im Heizkanal 5 ein Strömungselement 7 zum Lenken des den Heizkanal 5 durchströmenden Gasstroms angeordnet. Einen solcher Schalter 1 zeigt in schematischer Darstellung die Fig. 2, wobei der dargestellte Zustand des Schalters 1 etwa den in den Fig. 1c und 1d dargestellten Schaltphasen entspricht.
Über die im Heizkanal 5 angeordneten Strömungselemente 7 kann zum einen der durch den Lichtbogen 9 erzeugte, erwärmte Gasstrom in das Heizvolumen 6 als auch der aus dem Heizvolumen 6 in den Lichtbogenraum 4 zurück strömende kältere Gasstrom gelenkt werden. Durch die Strömungselemente 7 kann der Gesamtgasstrom dabei so gelenkt werden, dass sich das im Heizvolumen 6 befindlichere kältere Gas mit dem einströmenden wärmeren Gas besser durchmischt. Hierdurch ergibt sich im Heizvolumen 6 eine insgesamt geringere Gastemperatur und damit auch ein insgesamt kälterer Gasrückstrom, welcher dann zum Beblasen des Lichtbogens 9 verwendet werden kann.
Das Strömungselement 7 ist am heizvolumenseitigen Ende im Übergangsbe- reich des Heizkanals 5 und des Heizvolumens 6 angeordnet. Da der Leistungsschalter 1 rotationssymmetrisch aufgebaut ist, kann so der erwärmte Gasstrom an der der Achse A zugewandten Wand des Heizvolumens 6 entlang strömen, wodurch die Entstehung von Hotspots vermieden und in dem kompressionsvo- lumenseitigen Bereich des Heizvolumens 6 eine deutlich bessere und homoge- nere Durchmischung des Gases erreicht werden kann. Das kältere Gas sammelt sich hingegen am heizkanalseitigen Ende des Heizvolumens 6. Einen exemplarischen Temperaturverlauf zeigt die Fig. 4. Mit Hilfe des Strömungselements 7 kann eine Reduktion der Gastemperatur von mehr als 30 % und/oder 250 K gegenüber bekannten Leistungsschaltern 1 erreicht werden. Durch die Absenkung der Gastemperatur im Lichtbogenraum 4 kann von einer Erhöhung des thermischen Ausschaltvermögens in ähnlicher Größe ausgegangen werden.
Im Ausführungsbeispiel ist das Strömungselement 7 mittig im Heizkanal 5 angeordnet und über Stützelemente 13 mit den Wänden des Heizkanals 5 ver- bunden. Bei den Stützelementen 13 kann es sich beispielsweise um dünne Streben oder dergleichen handeln, welche möglichst wenig Einfluss auf das Strömungsverhalten des Gasstroms haben. Durch die mittige Anordnung des Strömungselements 7 im Heizkanal 5 ergibt sich unterhalb des Strömungsele- mentes 7 eine Ausblasöffnung 14 zum Ausblasen des erwärmten Gasstroms und oberhalb des Strömungselementes 7 eine Ansaugöffnung 15 zum Ansaugen des kälteren Gasstroms aus dem Heizvolumen 6.
Über die Größe der Öffnungsweite der Ansaugöffnung 15 und der Ausblasöff- nung 14 kann der Durchmischungseffekt weiter beeinflusst werden. Die Öffnungsweite der Ausblasöffnung 14 ist dabei kleiner als die Öffnungsweite der Ansaugöffnung 15. Durch eine große Ansaugöffnung 15 kann der Sog in den Heizkanal 5 und damit die Größe des rückströmenden kälteren Gasstroms vergrößert werden.
Über die Form des Strömungselementes 7 kann ebenfalls Einfluss auf das Strömungsverhalten des Gasstroms genommen werden. Das Strömungselement 7 ist, wie der gesamte Schalter 1 , rotationssymmetrisch ausgebildet und weist insbesondere eine Ringform auf.
In den Fig. 3a bis 3f sind verschiedene exemplarische Ausführungsbeispiele eines möglichen Strömungselements 7 dargestellt. So kann das Strömungselement 7 beispielsweise tropfenförmig (Fig. 3a), tragflächenförmig (Fig. 3b, d), ellipsenförmig (Fig. 3c), stabförmig (Fig. 3e) oder keilförmig (Fig. 3f) ausgebil- det sein. Die Wahl des Querschnitts des Strömungselementes 7 ist dabei jeweils abhängig von dem gewünschten Strömungsverlauf des Gasstroms. Im Ausführungsbeispiel ist das Strömungselement 7, wie in Fig. 2 dargestellt, tragflächenförmig ausgebildet, wodurch sich eine laminare Strömung ergibt. Ähnlich wie beispielsweise bei einem Flugzeug, erhöht sich oberhalb des Strömungs- elements 7 die Strömungsgeschwindigkeit, wohingegen sich diese unterhalb verringert. So entsteht oberhalb des Strömungselements 7 ein Unterdruck, durch welchen der Ansaugeffekt verstärkt wird. Unterhalb des Strömungselements 7 herrscht hingegen ein Überdruck. Zusätzlich zu den erfindungsgemä- ßen Strömungselementen 7 können im Heizkanal 5 und/oder im Heizvolumen 6 weitere Strömungselemente 7 angeordnet sein.
Die Strömungselemente 7 sind derart ausgebildet, dass sich ein turbulenzarmer, insbesondere turbulenzfreier, Gasstrom im Heizkanal 5 ergibt. Das Strö- mungselement 7 dient dazu, den laminaren Charakter der Strömung aufrechterhalten. Der Gasstrom soll derart gesteuert werden, dass er an der düsensei- tigen Heizkanalwandung entlang weit ins Heizvolumen 6 einströmt.
Das Strömungselement 7 verjüngt sich in Richtung des Heizvolumens 6, wo- durch der Strömungsverlauf in Richtung der der Achse A zugewandten Seite hin geführt und das Durchmischungsverhalten des sich im Heizvolumen 6 befindlichen Gases verbessert wird. Das Strömungselement 7 weist zwei Leitflächen 16.1 und 16.2 auf, welche sich gegenüberliegen und wovon mindestens eine Schräg im Heizkanal 5 angeordnet ist. Im Ausführungsbeispiel verlaufen die beiden Leitflächen 16.1 , 16.2 schräg zueinander, wodurch der Strömungsverlauf des Gasstroms weiter beeinflusst werden kann.
Um die Temperatur des Beblasungsgases zusätzlich zu senken, können mehrere Heizkanäle 5 und/oder mehrere Heizvolumen 6 vorgesehen sein, wobei die Rotationssymmetrie grundsätzlich erhalten bleiben soll. Denn bei der Verwendung von Kohlenstoff dioxid (C02) als Löschgas entsteht in der Mitte des Lichtbogenraums 4 auf Höhe der Heizkanalöffnung ein Stagnationsbereich, an welchem der Widerstand der Kontaktstrecke maximal wird. Durch die Verwendung von mehreren Heizkanälen 5 und/oder Heizvolumen 6 kann zusätzlich eine Vervielfachung der Kühlwirkung erreicht werden. Sind mehrere Heizkanäle 5 und/oder Heizvolumen 6 vorgesehen, kann das Strömungselement 7 Unterbrechungen aufweisen, welche den jeweiligen Öffnungen der Heizkanäle 5 und/oder der Heizvolumen 6 entsprechen.
Wie dies beispielsweise der Strömungsdarstellung in der Fig. 4 zu entnehmen ist, verläuft der Heizkanal 5 abgewinkelt, wodurch das Heizvolumen 6 gegenüber dem Lichtbogenraum 4 versetzt angeordnet werden kann. Der Heizkanal 5 weist über seine gesamte Länge eine konstante Breite auf, was zu einem kontinuierlichen Gasstrom im Heizkanal 5 führt. Der Heizkanal 5 ist ebenfalls rotationssymmetrisch und insbesondere ringförmig ausgebildet. Auch das Heizvolumen 6 ist rotationssymmetrisch ausgebildet und weist einen rechteckigen Querschnitt auf. Des Weiteren ist in der Fig. 4 eine schematische Verteilung des Heißgases und des Kaltgases links bei einem aus dem Stand der Technik bekannten Leistungs- schalter 1 und rechts bei einem erfindungsgemäßen Leistungsschalter 1 dargestellt. Der gepunktete Bereich stellt dabei das erwärmte Gas und der schraffierte Bereich das kältere Gas dar. Wie dies zu erkennen ist, wird bei dem er- findungsgemäßen Leistungsschalter 1 im Gegensatz zu dem aus dem Stand der Technik bekannten Leistungsschalter 1 das erwärmte Gas bis zur Rückseite des Heizvolumens 6 geführt, wodurch sich mehr kälteres Gas am heizkanalseitigen Ende des Heizvolumens 6 befindet, welches dann zurück in den Heizkanal 5 gesogen werden kann.
Wie vorstehend beschrieben wurde, wird durch das Strömungselement 7 das sich im Heizvolumen 6 befindliche kältere Gas besser mit dem in das Heizvolumen 6 einströmenden, erwärmten Gasstrom vermischt, wodurch ein höherer kälterer Gasanteil am heizkanalseitigen Ende des Heizvolumens 6 zur Verfü- gung steht, welcher dann in den Heizkanal 5 zurückgesogen werden kann. Durch die gezielte Durchmischung der Gase kann die Beblasungstemperatur zum Zeitpunkt des Stromnulldurchgangs unter die Dissoziationsschwelle des beispielhaft bevorzugten Löschgases Kohlenstoffdioxid (C02), d. h. unter 2.000 K reduziert werden, wodurch sich eine sichere Löschung des Lichtbogens 9 auch beim ersten Stromnulldurchgang erreichen lässt. Es ist somit möglich, auf einfache Art und Weise einen verbesserten Leistungsschalter 1 zur Verfügung zu stellen, bei welchem die Ausschaltleistung verbessert werden kann.
Bezugszeichen:
1 Leistungsschalter
2 Abbrandkontaktsystem
2.1 , 2.2 Abbrandkontakte
3 N en nkontaktsystem
3.1 , 3.2 Nennkontakte
4 Lichtbogenraum
5 Heizkanal
6 Heizvolumen
7 Strömungselement
8 Düsensystem
8.1 , 8.2 Düsen
9 Lichtbogen
10 Kompressionsvolumen
1 1 Ventil
12 Kompressionskolben
13 Stützelement
14 Ausblasöffnung
15 Ansaugöffnung
16.1 Leitfläche
16.2 Leitfläche A Achse

Claims

Patentansprüche:
Leistungsschalter zum Schalten elektrischer Ströme mit einem zwischen Kontakten (2.1 , 2.2) angeordneten Lichtbogenraum (4) und mit einem, mit dem Lichtbogenraum (4) über einen Heizkanal (5) verbundenen Heizvolumen (6),
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,
dass im Heizkanal (5) ein Strömungselement (7) zum Lenken eines den Heizkanal (5) durchströmenden Gasstroms angeordnet ist.
Leistungsschalter nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungselement (7) am heizvolumenseitigen Ende, insbesondere im Übergangsbereich des Heizkanals (5) und des Heizvolumens (6), angeordnet ist.
Leistungsschalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungselement (7) zumindest teilweise in das Heizvolumen (6) hineinreicht.
Leistungsschalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungselement (7) beabstandet zu den Wänden des Heizkanals (5) angeordnet ist.
Leistungsschalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungselement (7) zwei sich gegenüberliegende Leitflächen (16.1 , 16.2) aufweist. Leistungsschalter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Leitflächen (16.1 , 16.2) schräg im Heizkanal (5) angeordnet ist.
Leistungsschalter nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitflächen (16.1 , 16.2) schräg zueinander angeordnet sind.
Leistungsschalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasstrom derart lenkbar ist, dass eine gezielte Durchmischung des erwärmten Gases mit einem sich im Heizvolumen (6) befindlichen kühleren Gas erfolgt.
Leistungsschalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungselement (7) rotationssymmetrisch ausgebildet ist.
10. Leistungsschalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Strömungselement (7) in Richtung des Heizvolumens (6) verjüngt.
1 1 . Leistungsschalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt des Strömungselements (7) trag- flächenförmig, keilförmig, stabförmig oder tropfenförmig ausgebildet ist.
12. Leistungsschalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtbogenraum (4) und das Heizvolumen (6) mit Kohlenstoffdioxid gefüllt sind. Leistungsschalter nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtbogenraum (4) über einen oder mehrere Heizkanäle (5) mit einem oder mehreren Heizvolumen (6) verbunden ist.
Verfahren zum Löschen eines Lichtbogens (9) bei einem Leistungsschalter (1) mit einem zwischen Kontakten (2.1, 2.2) angeordneten Lichtbogenraum (4) und mit einem, mit dem Lichtbogenraum (4) über einen Heizkanal (5) verbundenen Heizvolumen (6),
dadurch gekennzeichnet,
dass ein den Heizkanal (5) durchströmender Gasstrom mittels eines Strömungselements (7) im Heizkanal (5) gelenkt wird.
15. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Gasstroms zum Zeitpunkt des Nulldurchgangs im Lichtbogenraum (4) kleiner als 2.000 K ist.
PCT/DE2016/100045 2015-02-04 2016-02-01 Leistungsschalter WO2016124175A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

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