CH661615A5 - Trennschalter. - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Druckgas-Trennschalter gemäss dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.

Derartige Trennschalter sind in Unterstationen vorgesehen, welche zu elektrischen Schaltanlagen gehören. Sie sind in der Regel Leistungsschaltern zugeordnet und dienen üblicherweise erstens zum Trennen bzw. Schliessen einer Leitung, die durch den Leistungsschalter aufgetrennt ist, und zweitens zur Vornahme von Umschaltungen innerhalb elektrischer Energieverteilungssysteme. Im ersten Fall dient der Trennschalter zum Öffnen und Schliessen eines nicht unter Last stehenden elektrischen Leistungskreises. Dabei ist es bekannt, dass ein Lichtbogenrückschlag über einander gegenüberstehenden Schaltkontakten des Trennschalters auftritt, wodurch ein starker und scharfer Ausschaltstoss auftritt. Der Grund für diesen Stoss liegt in der relativ niedrigen Schaltgeschwindigkeit des Trennschalters, verglichen mit derjenigen des Leistungsschalters. Es ist ferner bekannt, die Trennschalter mit einem Widerstand zu versehen, welche derartige Ein- und Ausschaltstösse unterdrückt.

Die zweite Aufgabe von Trennschaltern besteht darin, eine Verbindung zwischen verschiedenen Leiterschienen innerhalb der Unterstation herzustellen. Beispielsweise kann die Aufgabe darin bestehen, ein Leiterschienenpaar über einen Trennschalter an eine gemeinsame Leitung anzuschliessen. Beim Zusammenschalten solcher Leiterschienen werden Stromkreise unterbrochen, sobald die Ströme, die durch den Kreis einschliesslich der Leistungsschalter fliessen, einen bestimmten Wert erreichen. In diesem Zusammenhang ist es auch bekannt, die guten Schalteigenschaften von Schwefel-hexafluorid-(SFó)-Schaltern einzusetzen. Trennschalter, welche in Unterstationen eingesetzt werden, müssen daher in der Lage sein, einen unbelasteten Schaltkreis zu öffnen und zu schliessen und ausserdem die erwähnten Stromkreise zu öffnen und zu schliessen.

Ein Trennschalter mit einem Widerstand zum Unterdrücken von Ein- und Ausschaltstössen ist beispielsweise aus der japanischen OS Nr. 95,276/1978 bekannt. Danach ist ein Trennschalter mit einer Schwefelhexafluoridatmosphäre umgeben, wobei ein elektrisch leitendes Basisteil durch das das Gas einschliessende Gehäuse gasdicht hindurchgeführt ist und wobei auf dem Basisteil ein stationärer Hautkontakt und ein stationärer Lichtbogenkontakt koaxial zueinander angeordnet sind. Ferner ist auf dem Basisteil ein hohlzylindrischer Widerstand angeordnet, welcher den stationären Hauptkontakt koaxial umgibt und welcher an seinem freien Ende mit einer kreisringförmigen metallischen Abschirmung versehen ist, die über den stationären Kontakt reicht und den stationären Lichtbogenkontakt umgibt. Ein beweglicher Kontakt in der Form eines Hohlzylinders liegt dem Hauptkontakt und dem stationären Lichtbogenkontakt gegenüber und greift trennbar in diese ein, indem ein Ende trennbar zwischen den beiden anderen Teilen eingeklemmt ist.

Beim Trennen der beweglichen Kontakte vom stationären Hauptkontakt und vom stationären Lichtbogenkontakt bilden sich über die Abschirmung und das äussere Ende des beweglichen Kontaktes intermittierende Lichtbogen, welche zu starken und scharfen, durch den hohlen zylinderförmigen Widerstand gedämpften Spannungsstössen führen. Diese Erscheinung tritt auch beim Eingreifen des beweglichen Kontaktes in den stationären Hauptkontakt und den stationären Lichtbogenkontakt auf. Ferner hat der zurückspringende Lichtbogen Schäden an der Abschirmung zur Folge.

Schliesslich hat sich das elektrische Feld, welches sich in der Umgebung des zylindrischen Widerstandes gebildet hat, unmittelbar nach Auftreten des zurückspringenden Lichtbogens geändert. Und zwar ist ein scharfes Ansteigen der elektrischen Feldstärke von der Abschirmung oder dem Basisteil auf das umgebende Gehäuse festzustellen. Dieser starke Anstieg der elektrischen Feldstärke lässt die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten eines Masseschlusses ansteigen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Trennschalter der eingangs genannten Art anzugeben, der Massnahmen zum Schutz des Gehäuses bzw. der Abschirmung bei Auftreten eines zurückspringenden elektrischen Lichtbogens während des Schaltprogrammes vorsieht und der im wesentlichen frei ist von elektrischen Feldstärkeänderungen in der Nähe des feststehenden Kontaktes unmittelbar nach Auftreten eines zurückspringenden elektrischen Lichtbogens.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die im Patentanspruch 1 definierten Merkmale gelöst.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 den Längsschnitt durch einen bekannten Schalter in seiner geschlossenen Position mit den beschriebenen Teilen im Aufriss,

Fig. 2 die Schalterteile gemäss Fig. 1 beim Übergang von der geschlossenen in die geöffnete Position,

Fig. 3 die Darstellung gemäss Fig. 2, wobei der zurückspringende Lichtbogen zu einem Masseschluss führt,

Fig. 4 eine Darstellung ähnlich derjenigen aus Fig. 2 mit der Darstellung eines elektrischen Feldes in der Nähe des stationären und des beweglichen Kontaktes gemäss den Fig. 1 und 2 und vor Auftreten eines zurückspringenden elektrischen Lichtbogens,

Fig. 5 eine der Fig. 4 ähnliche Darstellung mit dem elektrischen Feld unmittelbar nach Auftreten eines zurückspringenden elektrischen Lichtbogens, wie in Fig. 2 dargestellt,

Fig. 6 eine Darstellung ähnlich derjenigen aus Fig. 5 mit

2

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

3

661 615

einem abgewandelten Trennschalter gemäss dem Stand der Technik,

Fig. 7 den Längsschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel gemäss der Erfindung für einen Trennschalter, in dessen geschlossener Position und mit einzelnen Teilen in Aufrissdarstellung,

Fig. 8 die perspektivische Darstellung eines stationären Kontaktes der Anordnung gemäss Fig. 7, wobei einige Teile zur besseren Übersicht herausgeschnitten sind,

Fig. 9 den Längsschnitt durch einen Teil der Einrichtung gemäss Fig. 7, mit einigen Teilen in Aufrissdarstellung,

Fig. 10 bis 12 verschiedene Stufen des Öffnungsvorgangs für den Schalter gemäss Fig. 9,

Fig. 13 das Ersatzschaltbild für die Anordnung gemäss Fig. 7 bei Unterbrechung eines Stromkreises,

Fig. 14 eine den Fig. 11 und 12 verwandte Darstellung, welche die Position des beweglichen Kontaktes gegenüber dem stationären Kontakt kurz vor dem vollständigen Öffnen des Schalters zeigt, und

Fig. 15 das Ersatzschaltbild für die Einrichtung gemäss Fig. 7 beim Öffnen eines nichtbelasteten elektrischen Kreises.

Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung wird zunächst anhand von Fig. 1 ein Trennschalter gemäss dem Stand der Technik beschrieben, wie er insbesondere in der japanischen Offenlegungsschrift Nr. 95,276/1978 beschrieben ist. Dabei entspricht die vorliegende Fig. 1 der Fig. 5 der genannten japanischen Offenlegungsschrift. Die gezeigte Darstellung besteht aus einem Gehäuse 10 in Form eines Holzylinders mit einem offenen Ende, im gezeigten Beispiel auf der linken Seite, welches mit einer elektrisch isolierenden Abdeckung 12 hermetisch abgeschlossen ist. Innerhalb des Gehäuses 10 ist ein metallisches Basisteil 14 koaxial zum Gehäuse 10 im Bereich des geschlossenen Endes des Gehäuses 10 angeordnet. Dabei ist ein Sockel des Basisteils durch die Öffnung geführt und mit Hilfe der elektrisch isolierenden Abdeckung 12 abgedichtet. Der Sockel liegt in der Längsachse des Gehäuses 10 und die Basisplatte des Basisteils 14, welche am Sockel befestigt ist, liegt in einer Ebene quer zur Längsachse des Gehäuses 10. Ein stationärer Hauptkontakt 16, der etwaTulpenform aufweist, ist auf der Oberseite der Grundplatte des Basisteils 14 konzentrisch angeordnet. Wie in Fig. 1 dargestellt, umgibt der Hauptkontakt 16 einen stationären Lichtbogenkontakt 18, der in der Mitte der Grundplatte angeordnet ist und etwas über das freie Ende des Hauptkontaktes 16 vorragt. Der stationäre Lichtbogenkontakt 18 steht mit dem Hauptkontakt 16 über ein fingerförmiges Kontaktteil 18a in Verbindung. Ein hohlzylindrischer Widerstandskörper 20 aus Material mit einem bestimmten elektrischen Widerstand ist auf der gleichen Seite der Grundplatte angeordnet und umgibt koaxial den stationären Hauptkontakt 16. Der Widerstandskörper 20 weist an seinem freien Ende eine kreisringförmige metallische Abschirmung 22 auf. Die Abschirmung 22 ist mit einer radial nach innen verlaufenden Peripherie versehen, die halbkreisförmig nach innen gekrümmt ist mit einem relativ grossen Krümmungsradius. Die Abschirmung 22 endet mit der nach innen gekrümmten Kante oberhalb des äusseren Endes des Hauptkontaktes 16. Der halbkreisförmige Teil der Abschirmung 22 umgibt auch das freie Ende des stationären Lichtbogenkontaktes 18,

wobei die radial nach innen gekrümmte Peripherie der Abschirmung 22 gegenüber dem äusseren Ende des Lichtbogenkontakts 18 vorsteht.

Auf diese Weise ist eine stationäre Kontaktgruppe auf dem Basisteil 14 angeordnet.

Die feststehende Kontaktanordnung wirkt mit einer beweglichen Kontaktanordnung zusammen, die auf der Längsachse des Gehäuses 10 angeordnet ist.

Die bewegliche Kontaktanordnung besteht aus einem beweglichen Kontaktteil 24 mit der Form eines Hohlzylinders, der beweglich innerhalb des Gehäuses 10 auf dessen Längsachse angeordnet ist. Das freie Ende, gemäss Fig. 1 das linke Ende des beweglichen Kontaktteils 24, wirkt trennbar mit dem stationären Hauptkontakt 16 zusammen. Am linken freien Ende des beweglichen Kontaktteils 24 ist ein lichtbogenfestes Zylinderteil 26 vorgesehen. Am anderen Ende des beweglichen Kontaktteils 24, also am rechten Ende gemäss Fig. 1, ist ein Isolierstab 28, im Beispiel ein Hohlzylinder, vorgesehen. Der Isolierstab verläuft ebenfalls in der Längsachse des Gehäuses 10 und steht mit seinem rechten Ende mit einem Schalthebel 30 in Verbindung. Der Schalthebel 30 liegt im rechten Teil des Innenraums vom Gehäuse 10. Der Schalthebel 30 betätigt den beweglichen Kontaktteil 24, so dass dieser mit dem Hauptkontakt bzw. mit dem Lichtbogenkontakt in Berührung kommt bzw. von diesen entfernt wird.

Axial wird der bewegliche Kontaktteil 24 gleitend gelagert durch ein elektrisch leitendes Teil 32 in Form eines Hohlzylinders mit einem fingerförmigen Kontaktteil 34. Das elektrisch leitende Teil 32 verläuft bezüglich des beweglichen Kontaktteils 24 koaxial. Es ist mit einem Sockel 36 einteilig verbunden, wobei der Sockel 36 aus elektrisch leitendem Material besteht und senkrecht zur Längsachse des Gehäuses 10 verläuft. Der Sockel 36 ist durch eine zweite elektrisch isolierende Abdeckung 38 geführt, welche die Öffnung innerhalb des Gehäuses 10 in dieser Richtung hermetisch abschliesst.

Das elektrisch leitende Teil 32 weist an beiden Enden Abschirmelemente 40 auf, welche der Abschirmung 22 ähnlich sind.

Das Gehäuse 10 ist mit Schwefelhexafluorid-(SFó)-Gas gefüllt.

Im folgenden wird die Arbeitsweise der in Fig. 2 gezeigten Vorrichtung beschrieben. Wenn der Schalthebel 30 betätigt wird, um den beweglichen Kontaktteil 24 vom Hauptkontakt 16 und vom Lichtbogenkontakt 18 zu entfernen, entsteht ein zurückspringender elektrischer Lichtbogen 42 zwischen dem lichtbogenfesten Zylinderteil 26 auf dem beweglichen Kontaktteil 24 und der Abschirmung 22 auf dem feststehenden Kontaktteil, wie aus Fig. 2 hervorgeht. Fig. 2 illustriert die Art und Weise, in welcher der Strom des Systems unterbrochen wird.

Die zurückspringenden Lichtbogen 42 werden intermittierend bei jedem Öffnen und Schliessen des Trennschalters hervorgerufen. Durch entsprechende Isolationsmassnahmen am Trennschalter wird verhindert, dass auf der Oberfläche der Abschirmung 22 durch den zurückspringenden Lichtbogen 42 bleibende Schäden entstehen. Aus diesem Grund wird der elektrische Lichtbogen 42 der Abschirmung 22 nur auf einer begrenzten Fläche zugeleitet. Durch diese Massnahme wird ausserdem der zurückspringende Lichtbogen daran gehindert, den erwähnten Kurzschluss gegenüber Masse zu verursachen. Entsprechende Einzelheiten sind beschrieben in S. Narimatsu et al «Interrupting Performance of Capacity Current by Disconnecting Switch for Gas Insu-lated Switchgear», IEEE PES 81 WM 144-5 ( 1981 ).

Fig. 3 wiederholt die Darstellung aus Fig. 2 und zeigt zusätzlich einen elektrischen Lichtbogen 44, wie er bei einem Kurzschluss gegenüber Masse entsteht, der sich aus einem zurückspringenden Lichtbogen entwickelt hat. Es soll mit Hilfe der Fig. 3 die Entwicklung des zurückspringenden Lichtbogens zu einem unerwünschten Masseschluss gezeigt werden. Vermutlich entwickelt sich der Lichtbogen 44 aus einer Situation, die mit einem elektrischen Feld entsteht, welches sich neben den stationären und den beweglichen

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

661 615

4

Kontaktteilen bildet. Teile dieses Feldes werden offenbar durch den elektrischen Lichtbogen 42 zerstört, welcher sich zwischen den stationären und den beweglichen Kontaktteilen bildet. Zur Vermeidung dieses Effektes ist es zweckmässig, begrenzte Bereiche auf der Abschirmung 22 vorzusehen, auf welche der elektrische Lichtbogen 42 konzentriert wird.

In Fig. 4 sind Äquipotentiallinien Pi gezeigt, welche ein elektrisches Feld andeuten, das sich neben dem Hohlzylinder-Widerstand 20 gemäss der Anordnung von Fig. 1 dadurch gebildet hat, dass die bewegliche Kontaktanordnung auf einem Potential von 1,0 p.u. und die stationäre Kontaktanordnung auf einem Potential von -1,0 p.u. gehalten wird. Fig. 2 zeigt den Zeitpunkt unmittelbar bevor der elektrische Lichtbogen 42 zwischen dem Zylinderteil 26 und der Abschirmung 22 zurückspringt. Der Pfeil Ei in Fig. 4, der von einem Ende des Hohlzylinder-Widerstandes 20 am Ansatzpunkt der Abschirmung 22 beginnt, bezeichnet einen Vektor für die elektrische Feldstärke in diesem Bereich. Der zweite Pfeil, welcher vom entgegengesetzten Ende des Widerstandskörpers beginnt, neben dem Basisteil 14, bezeichnet den Vektor für die elektrische Feldstärke am anderen Ende des Widerstandskörpers.

Wenn der zurückspringende elektrische Lichtbogen 42 zwischen dem Zylinderteil 26 und der Abschirmung 22 entsteht, werden unmittelbar aus den Äquipotentiallinien Pi und den Vektoren Ei die Äquipotentiallinien P2 und Vektoren, von denen einer mit E2 bezeichnet ist, gemäss Fig. 5. In der Anordnung gemäss Fig. 5 sind das lichtbogenfeste Zylinderteil 26 und das Abschirmelement 40 auf der Seite der beweglichen Kontaktteile sowie die Abschirmung 22 auf der Seite der stationären Kontaktanordnung von einem zurückspringenden Lichtbogen 42 überbrückt, worauf unmittelbar beide Seiten das gleiche Potential annehmen. Wenn Z eine Span-nungsstossimpedanz einer nicht dargestellten Sammelschiene bezeichnet, welche mit dem Basisteil 14 verbunden ist, R die Grösse des Widerstandes für den hohlzylindrischen Widerstandskörper 20 bezeichnet und wenn die Potentialdifferenz zwischen der stationären und der beweglichen Kontaktseite 20 p.u. beträgt, kann die Potentialdifferenz VP durch folgenden Ausdruck dargestellt werden:

Vp = 2-0x zTRinp'u- (l)

Diese Gleichung gilt für den Augenblick unmittelbar nach Auftreten des zurückspringenden Lichtbogens. Dies bedeutet, dass das Basisteil 14 das folgende Potential aufweist:

1 \r Z-R .

l-VP = z + Rin p.u. (2)

Die Leiterschiene weist eine Spannungsstossimpedanz Z auf, die wesentlich kleiner ist als die Grösse des Widerstandes R des hohlzylindrischen Widerstandskörpers 20, wie er in der Anordnung gemäss Fig. 1 zum Unterdrücken der Spannungs-stösse dargestellt ist. Aus den Gleichungen 1 und 2 ergibt sich, dass unmittelbar nach dem Zurückspringen des elektrischen Lichtbogens 42 das Potential an der Abschirmung 22 gegenüber der Polarität am Basisteil 14 umgekehrt wird, wie in Fig. 4 dargestellt ist.

Der Vektor E2 gemäss Fig. 5 ist wesentlich grösser als der Vektor Ei gemäss Fig. 4.

Ein Vergleich der Fig. 4 und 5 zeigt, dass bei einem Trennschalter mit einem hohlzylindrischen Widerstandskörper 20, der um den stationären Hauptkontakt 16 gemäss Fig. 1 angeordnet ist, das elektrische Feld, welches sich in der Nähe des Widerstandes 20 bildet, beim Zurückspringen des elektrischen Lichtbogens plötzlich ändert. Dadurch entsteht ein plötzliches Anwachsen der elektrischen Feldstärke zwischen der Abschirmung 22 bzw. dem Basisteil 14 gegenüber dem Gehäuse 10. Dadurch verliert der Schalter seine elektrische Isolationswirkung gegenüber Masse, welches seine eigentliche Aufgabe wäre. Wie gezeigt wurde, besteht also eine hohe Wahrscheinlichkeit für das Auftreten eines Kurzschlusses gegenüber Masse.

Um die elektrische Feldstärke E2 gemäss Fig. 5 zu reduzieren, wurde bereits eine Vorrichtung gemäss Fig. 6 vorgeschlagen, in welcher gleiche Bauteile mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet sind wie in Fig. I. Die Vorrichtung gemäss Fig. 6 unterscheidet sich von derjenigen gemäss Fig. 1 einzig dadurch, dass in Fig. 6 eine zylindrische Abschirmung 22a von demjenigen Ende der Abschirmung 22 abgeht, mit welchem die Abschirmung 22 am hohlzylindrischen Widerstandskörper 20 befestigt ist. Die Zusatzabschirmung 22a überdeckt im gezeigten Beispiel etwa die Hälfte des zylindrischen Widerstandskörpers 20, wobei zwischen beiden Teilen ein Abstand bleibt. Die Zusatzabschirmung 22a reduziert die elektrische Feldstärke E2 gemäss Fig. 5, aber es findet eine Verstärkung der elektrischen Feldstärke E3 am äusseren Ende der Zusatzabschirmung 22a statt, wie dies in Fig. 6 angedeutet ist. Aus der Figur ergibt sich auch das veränderte elektrische Feld, welches durch Äquipotentiallinien P3 angedeutet wurde. Um diesen Nachteil zu überwinden, kann die Zusatzabschirmung 22a einen grösseren Krümmungsradius aufweisen. Eine Vergrösserung des Krümmungsradius hat jedoch zur Folge, dass der Innendurchmesser des Gehäuses vergrössert werden muss, da ein Minimalabstand zur Aufrechterhaltung der elektrischen Isolation gegenüber der Masse notwendig ist. Die Anordnung gemäss Fig. 6 besitzt also funktionelle sowie wirtschaftliche Nachteile.

Fig. 7 zeigt ein Ausführungsbeispiel für einen Trennschalter gemäss der Erfindung. Die Anordnung umfasst ein Gehäuse 100 in Form eines hohlen Metallzylinders, dessen eines Ende, im Beispiel das linke, offen ist und mit einer elektrisch isolierenden Abdeckung 102 versehen ist. Es weist ferner ein elektrisch leitendes Basisteil 104 auf, welches als Träger im mittleren Bereich des Gehäuses angeordnet ist und mit Hilfe der elektrisch isolierenden Abdeckung 102 gegenüber dem Gehäuse abgeschlossen ist. Ferner ist eine elektrisch leitende Abschirmung 106 vorgesehen, welche die Form eines Hohlzylinders aufweist, der im Innern des Gehäuses 100 angeordnet ist und mit dessen Längsachse koaxial liegt. Die Abschirmung 106 besteht aus einem Teil, im Beispiel dem linken, welches mit dem elektrisch leitenden Basisteil 104 verbunden ist. Dieses Ende der Abschirmung ist nach innen auf das Basisteil 104 hin gekrümmt. Es läuft in einen Flansch aus. Das entgegengesetzte, freie, im Beispiel rechte Ende der Abschirmung 106 geht in ein halbkreisförmig gekrümmtes Teil über, welches vom Hauptteil der leitenden Abschirmung weg nach innen gekrümmt ist und eine kreisförmige Öffnung 106a definiert.

Eine elektrisch leitende Strebe 108 bildet eine Querverstrebung für den Flansch der leitenden Abschirmung 106. Die Strebe 108 verläuft senkrecht zur Längsachse des Gehäuses 100 (siehe Fig. 8) und ist in der Mitte mit einem elektrisch leitenden Federgehäuse 100 in Form eines Hohlzylinders verbunden, welcher in der Längsachse des Gehäuses 100 liegt. Auf der der Strebe 108 abgewandten Seite, im Beispiel gemäss Fig. 7 auf der linken Seite, ist eine Eingangsöffnung für das Federgehäuse 110 vorgesehen. Auf der linken Seite ist das Federgehäuse 110 mit einem elektrisch leitenden Verbindungssteg 112 verbunden, der parallel zur Ebene der Strebe 108 verläuft, zu dieser aber senkrecht steht. Auf beiden Seiten des Verbindungssteges 112 sind Widerstände 114 angeordnet, wobei diese parallel zur Längsachse des Gehäuses 100 verlaufen (siehe Fig. 7 und 8). Jeder dieser s

10

IS

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

5

661 615

Widerstände besteht aus einem Stapel übereinander angeordneter Widerstandselemente 114a in Form von Platten, wobei ein elektrisch isolierender Stab 114b sich durch die Platten erstreckt und die Widerstandselemente 114a mit Hilfe einer metallischen Endplatte zu einer einheitlichen Struktur zusammenfasst. Das Widerstandspaar 114 ist über ein Paar metallischer Streben 114c mit einer kreisförmigen Elektrode 116 verbunden, die innerhalb der Öffnung der Abschirmung 106 angeordnet ist und sich im wesentlichen auf der gleichen Höhe wie die Kante der Eintrittsöffnung für die Abschirmung 106 befindet. Die Elektrode 116 wird im folgenden als Widerstandselektrode bezeichnet.

Die Strebe 108 ist auf derjenigen Oberfläche, welche vom Federgehäuse 110 entfernt ist, mit einem vorstehenden Teil in Form eines festen Zylinders und mehreren elektrisch leitenden Streifen 118 versehen. Die Streifen 118 verlaufen vom vorstehenden Teil der Strebe 108 ausgehend radial nach aussen, wobei sie mit gleichen Winkelabständen zueinander angeordnet sind. Mit der inneren Kante sind die Streifen 118 am vorstehenden Teil der Strebe 108 befestigt. Auf diese Weise bilden die Streifen 118 ein gemeinsames feststehendes Kontaktteil, welches mit der elektrisch leitenden Strebe 108 verbunden ist. Deshalb bezeichnet das Bezugszeichen 118 auch das stationäre Hauptkontaktteil gemäss dem zuvor verwendeten Begriff.

Ein elektrisch leitender Stützstab 120 ist beweglich im mittleren Teil der elektrisch leitenden Strebe 108 und des Federgehäuses 110 angeordnet, so dass er in der Längsachse des Gehäuses 100 liegt. An seinem rechten Ende ist er, wie in Fig. 7 dargestellt, mit einem stationären Lichtbogenkontaktteil 122 versehen, welches die Form eines sphärischen Teils aufweist und aus einem Material besteht, welches dem Lichtbogen widersteht. Das Lichtbogenkontaktteil 122 ist elektrisch mit der leitenden Abschirmung 106 über den Stützstab 120, das Federgehäuse 110 und die elektrisch leitende Strebe 108 verbunden.

Eine Spiralfeder 124 ist innerhalb des Federgehäuses 110 angeordnet. Sie liegt zwischen einem Ende des Federgehäuses 110 auf der linken Seite und einem mit dem Stützstab 120 verbundenen Anschlag, so dass das Lichtbogenkontaktteil 122 normalerweise in Richtung der Öffnung 106a der Abschirmung 106 gestossen wird. In der offenen Stellung des Trennschalters, wie sie beispielsweise in Fig. 11 gezeigt ist, stösst der Federanschlag gegen die elektrisch leitende Strebe 108, wodurch das Lichtbogenkontaktteil 122 etwas über das freie Ende des stationären Hauptkontaktteils 118 vorragt und im wesentlichen in einer Ebene liegt, die durch die Öffnung I06a der Abschirmung 106 definiert ist.

Wie aus Fig. 7 weiter hervorgeht, ist auf der rechten Hälfte des Trennschalters eine elektrisch leitende Abschirmung 123 vorgesehen, welche mit dem Gehäuse 100 in Verbindung steht. Diese Verbindung erfolgt über ein am unteren Ende der Abschirmung 123 angebrachtes elektrisch leitendes Sok-kelteil 125, welches mit H ilfe einer elektrisch isolierenden und die Öffnung innerhalb des Gehäuses 100 verschlies-senden Abdeckung 127 im hermetisch abgeschlossenen Innenteil des Gehäuses 100 angebracht ist. Die Abschirmung 123 besteht aus einem Paar von Abschirmteilen, die nach innen gerichtete Flanschteile aufweisen, welche senkrecht zur Längsachse des Gehäuses 100 verlaufen und dort befestigt sind. Die Abschirmung 123 weist auf einander gegenüberliegenden Seiten Öffnungen auf, welche in der Längsachse des Gehäuses 100 liegen. Ein Zylinder 126 aus elektrisch leitendem Material steht mit den erwähnten Flanschen der Abschirmung 123 über einen radial nach aussen reichenden Flansch in Verbindung. Ein Kolben 128 ist im Zylinder 126 gleitend angeordnet. Der Kolben 128 verläuft koaxial zur Längsachse des Gehäuses 100. Der Kolben 128

besteht aus elektrisch leitendem Material und steht mit dem beweglichen Hauptkontaktteil 130 in Verbindung, welches sich in der Längsachse des Gehäuses 100 auf das stationäre Hauptkontaktteil 118 hin ausrichtet. Das Hauptkontaktteil 130 ist mit einem beweglichen Lichtbogenkontaktteil 132 in Form eines am äusseren Ende des Hauptkontaktteils 130 angeordneten Ringes versehen. Das bewegliche Hauptkontaktteil 130 umfasst ferner ein Führungsteil 130a für ein Fluid, wobei das Führungsteil 130a mit dem Innern des Zylinders 126 in Verbindung steht.

Der Kolben 128 steht mit einem Betätigungsstab 134 aus elektrisch isolierendem Material in Verbindung. Der Stab 134 liegt in der Längsachse des Gehäuses 100 und stellt eine Wirkverbindung zwischen dem Kolben 128 und einer nicht dargestellten Antriebsquelle dar. Die Kraftübertragung erfolgt über einen Hebel 136, der in einem Antriebsgehäuse gelagert ist, welches am rechten Ende des Gehäuses 100 befestigt ist. Auf diese Weise kann die Kraftübertragung auf das Innere des Gehäuses 100 erfolgen.

Das Gehäuse 100 ist mit einem funkenlöschenden Gas, beispielsweise mit gasförmigem Schwefelhexafluorid (SFò) gefüllt.

Wie sich aus den Fig. 7 und 10 ergibt, ist der bewegliche Hauptkontaktteil 130 so ausgebildet und angeordnet, dass er in den stationären Hauptkontaktteil 118 greift, wodurch ein Paar von Hauptkontakten 138 entsteht (siehe Fig. 9), während das bewegliche Lichtbogenkontaktteil 132 mit dem stationären Lichtbogenkontaktteil 122 zusammenwirkt, wodurch auch diese beiden ein Lichtbogenkontaktpaar 140 bilden (Fig. 9). Das Lichtbogenkontaktpaar 140 wird geöffnet, nachdem das Hauptkontaktpaar 138 sich voneinander entfernt und damit geöffnet ist.

Im folgenden wird die Arbeitsweise der Einrichtung gemäss Fig. 7 beschrieben. In Fig. 7 ist das bewegliche Lichtbogenkontaktteil 132 so dargestellt, dass es über eine ringförmige Kontaktfläche mit dem stationären Lichtbogenkontaktteil 122 zusammenwirkt und dass dabei die Kontaktoberfläche, welche direkt am beweglichen Hauptkontaktteil 130 liegt, im Innern des stationären Hauptkontaktteils 118 liegt, wobei die Feder 124zusammengepresst ist. Wenn eine Stromschleife der oben beschriebenen Art mit der Vorrichtung gemäss Fig. 7 unterbrochen werden soll, wird der elektrisch isolierte Stab 135 gemäss der Darstellung in Fig. 7 nach rechts bewegt, und zwar durch den Hebel 136. Auf diese Weise wird der bewegliche Hauptkontaktteil 130 von dem stationären Hauptkontaktteil 118 entfernt. Dadurch wird der zum stationären Hauptkontaktteil 118 gehörende Stab 120 unter der Wirkung der Feder 124 zusammen mit dem beweglichen Hauptkontaktteil 130 nach rechts bewegt. Damit nehmen der stationäre Kontaktteil 118 und der bewegliche Hauptkontaktteil 130 gemeinsam die in Fig. lOgezeigte Position ein. Durch diesen Vorgang wird der Druck innerhalb des Zylinders 126 reduziert, so dass ein Druckunterschied zwischen der Atmosphäre im Gehäuse 100 und dem Innern des Zylinders 126 auftritt.

Bei einer weiteren Bewegung des beweglichen Hauptkontaktteils 130 nach rechts beginnt der bewegliche Lichtbogenkontaktteil 132 sich vom stationären Lichtbogenkontaktteil 122 zu lösen, worauf durch den Strom im jetzt geöffneten Kreis ein elektrischer Lichtbogen 142 zwischen den Kontaktteilen 132 und 122 gezündet wird, wie dies in Fig. 11 dargestellt ist. Dieser elektrische Lichtbogen 142 wird durch den entstehenden Druckunterschied zwischen der Atmosphäre im Gehäuse 100 und dem Innern des Zylinders 126 von dem dadurch entstehenden Gasstrom ausgelöscht.

Der bewegliche Hauptkontaktteil 130 wird nun weiter nach rechts bewegt. Die als Folge von dem unterbrochenen

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

661615

6

Stromkreis sich bildende Spannung liegt normalerweise in der Grössenordnung von einigen 100 V. Nach der Unterbrechung des Stromkreises entsteht kein elektrischer Lichtbogen, und die beweglichen Hauptkontaktteile 130 erreichen schliesslich die in Fig. 12 dargestellte Position, womit der Trennvorgang abgeschlossen ist.

Fig. 13 zeigt ein Ersatzschaltbild der beschriebenen Vorrichtung im Augenblick der Unterbrechung des Stromkreises.

Der Trennschalter ist als Parallelstromkreis dargestellt mit dem beweglichen Lichtbogenkontaktteil 122, dem stationären Hauptkontaktteil 118 und einer Öffnung zwischen den Kontaktteilen 122 und 118, einem Strompfad, der das bewegliche Lichtbogenkontaktteil 132 enthält, das Lichtbogenkontaktteil 122 sowie den Lichtbogen 142 über dem beweglichen Lichtbogenkontaktteil 132, die kreisförmige Elektrode 116 und die elektrisch leitende Strebe 108, sowie einem Strompfad mit dem beweglichen Lichtbogenkontaktteil 132, der Widerstandselektrode 114 mit dem Widerstand R, einem Gas zwischen dem beweglichen Lichtbogenkontaktteil 132 und der kreisförmigen Elektrode 116, dem parallelen Widerstand 114 und dem Federgehäuse 110. Diese Parallelschaltung ist an einem Ende mit dem Lichtbogenkontaktteil 122 verbunden und mit ihrem anderen Ende über die Abschirmung 106 mit dem Leitungsanschluss 104. Das elektrisch leitende Lichtbogenkontaktteil 122 ist mit dem Anschlusskontakt 104 über einen Strompfad verbunden, in welchen der Strom i vom Lichtbogenkontaktteil 122 zum Anschlusskontakt 104 fliesst.

Aus Fig. 13 ist zu erkennen, dass beim Unterbrechen des Stromkreises der Strom den Weg über die Lichtbogenkontaktteile 122 und 132 allein nimmt.

Im folgenden wird das Öffnen eines elektrischen Leitungskreises für den unbelasteten Kreis beschrieben. Die Arbeitsweise und der Ablauf der Schaltvorgänge ist, soweit der Trennschalter selbst betroffen ist, identisch für die beiden Fälle, dass ein Strompfad unterbrochen wird bzw. dass ein lastfreier Kreis geöffnet wird. Allerdings sind Unterschiede vorhanden im Hinblick auf die Fortbewegung der beweglichen Kontaktteile von den stationären Kontaktteilen.

Wie oben bereits beschrieben wurde, soll für das Abschalten eines lastfreien Kreises der isolierende Stab 134 zunächst nach rechts bewegt werden, worauf zuerst der bewegliche Hauptkon taktteil 130 vom stationären Hauptkontaktteil 118 entfernt wird und anschliessend der bewegliche Lichtbogenkontaktteil 132 vom stationären Lichtbogenkontaktteil 122 entfernt wird. In diesem Moment tritt eine Potentialdifferenz zwischen den Lichtbogenkontaktteilen 122 und 132 auf, da die an den Schalter angeschlossene kommerzielle Stromversorgungsquelle, die in der Figur nicht dargestellt ist, eine vorgegebene Frequenz besitzt. Aufgrund dieser Erscheinung entsteht ein Lichtbogen über den beiden Kontaktteilen 122 und 132.

Der entstehende Lichtbogen bewirkt eine plötzlich auftretende Amplitudenspitze, die auf das 1,7- bis l,9fache des vorher vorhandenen Wertes ansteigen kann. Eine derartige Spitze ist im wesentlichen proportional der Potentialdifferenz zwischen den Kontaktteilen bei Auftreten des elektrischen Lichtbogens. Die Potentialdifferenz ist ferner proportional dem Abstand zwischen den Kontaktteilen. Eine solche Spitze wird durch Einschalten eines Widerstandes unterdrückt. Dieser Unterdrückung sind jedoch Grenzen gesetzt durch den Abstand, in welchem das bewegliche Hauptkontaktteil 130 vom Lichtbogenkontaktteil 122 entfernt ist. Dieser Abstand hängt von dem Typ des Schalters ab und ist in der Regel nicht geringer als etwa ein Viertel bis ein Drittel der Maximaldistanz, in welche der bewegliche Hauptkontaktteil 130 von dem Lichtbogenkontaktteil 122 in seiner vollständig geöffneten Position gebracht werden kann.

Folglich wird eine auftretende Spitze aufgrund eines elektrischen Lichtbogens, der zwischen dem beweglichen Hauptkontaktteil 130 und dem Lichtbogenkontaktteil 122 entsteht, nicht durch Einschalten eines Widerstandes unterdrückt werden müssen. Sobald der bewegliche Hauptkontaktteil 130 die in Fig. 14 gezeigte Position erreicht, in welcher es vom Lichtbogenkontaktteil 122 eine Distanz hat, die etwa einem Drittel bis der Hälfte der oben beschriebenen Maximaldistanz entspricht, wird ein elektrischer Lichtbogen 144 zwischen dem beweglichen Lichtbogenkontaktteil 132 und der Widerstandselektrode 116 entstehen. Der Lichtbogen 144 kann eine Potentialdifferenz zwischen dem beweglichen Lichtbogenkontaktteil 132 und der Widerstandselektrode 116 von bis zu 2 p.u. hervorrufen. Dieser Betrag ist doppelt so hoch wie der Spitzenwert einer Normalspannung gegenüber Masse. Daher ist die aufgrund des entstehenden Lichtbogens auftretende Spitze sehr hoch. Es ist daher notwendig, einen Serienwiderstand in die Schaltung einzufügen, um diese Spitze am Trennschalter zu unterdrücken.

Der Lichtbogenkontaktteil 122 ist nun so angeordnet, dass die Abschirmung 106 von der Ebene der Öffnung I06a nicht weit entfernt ist, verglichen mit der Widerstandselektrode 116. Auf diese Weise entsteht ein Abstand zwischen der Öffnung 106a innerhalb der Abschirmung 106 und der Widerstandselektrode 116. Dadurch wird es ermöglicht, dass jeder auftretende Lichtbogen den Weg zwischen dem beweglichen Lichtbogenkontaktteil 132 und der Widerstandselektrode 116 nimmt. Wegen des Abstandes, der zwischen der Öffnung 106a und der Widerstandselektrode 116 besteht, kann der elektrische Lichtbogen innerhalb eines Bereichs verschoben werden, der durch den Oberflächenbereich der Widerstandselektrode 116 begrenzt ist, die dem beweglichen Lichtbogenkontakt 132 gegenüberliegt, ohne dass der Lichtbogen auf die Abschirmung 106 überspringt. Dies bedeutet, dass der elektrische Lichtbogen kaum eine Potentialverteilung zerstört, die im Bereich der Abschirmung 106 und des Stützstabes 120 sich ausgebildet hat. Der elektrische Lichtbogen kann daher nur mit einer sehr geringen Wahrscheinlichkeit zu einem Masseschluss führen.

Fig. 15 zeigt eine Ersatzschaltung für den Fall, dass ein Lichtbogen an einer unbelasteten Leitung, wie anhand von Fig. 14 beschrieben, auftritt. Das Ersatzschaltbild unterscheidet sich von demjenigen der Fig. 13 nur darin, dass in Fig. 15 der elektrische Lichtbogen 144 zwischen dem beweglichen Lichtbogenkontaktteil 132 und der Widerstandselektrode 116 auftritt, ohne dass der elektrische Lichtbogen 142 zwischen den Kontaktteilen 132 und 122 auftreten kann. Es fällt demnach der Strompfad für die direkte Verbindung zwischen dem Lichtbogenkontaktteil 122 und dem Anschlusskontakt 104 weg. Aus Fig. 15 ist zu erkennen, dass mit dem beweglichen Lichtbogenkontaktteil 132 in der Position gemäss Fig. 14 der Widerstand 114 eine gefährliche Spitze unterdrückt, die zwischen dem Lichtbogenkontaktteil 122 und dem Anschlusskontakt 104 entsteht. Der Grund für diesen Effekt liegt darin, dass alle durch den Lichtbogen entstehenden Spitzen den Widerstand 114 passieren müssen.

Zu diesem Zeitpunkt tritt die Potentialdifferenz VP gemäss Gleichung (1) über dem Widerstand 114 auf. Damit ist es erforderlich, genügend grosse elektrisch isolierende Distanzen zu schaffen zwischen der Widerstandselektrode 116 und der Abschirmung 106 und zwischen den Streben 114c bzw. 108.

Die Potentialdifferenz VP wird über den Widerstand 114 erzeugt, während Energie aus der auftretenden Spannungsspitze abgebaut wird. Bricht die elektrische Isolation in einem Bereich zwischen der Abschirmung 106 und einem

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

7

661 615

Ende der Widerstandsgruppe 114 zusammen, sind die Spannungen am Widerstand 114 gleich, während sich die Potentialverteilung zwischen der Abschirmung 106 und dem Gehäuse 100 nicht ändert. Dies bedeutet, dass der erfin-dungsgemässe Trennschalter die elektrischen Isolationseigenschaften gegenüber Masse aufrechterhält, worin die Hauptaufgabe liegt und was keineswegs erschwert ist.

Nachdem der bewegliche Hauptkontaktteil 130 auf einen Abstand bewegt worden ist, der eine gute elektrische Isolation bedeutet, um auch Potentialdifferenzen von beispielsweise 2 p.u. zu überstehen, die über die Kontakte 118 und 130 auftreten können, verschwindet der elektrische Lichtbogen. Daraufhin wird der bewegliche Hauptkontaktteil 130 in seine vollständig geöffnete Position gemäss Fig. 12 weiterbewegt.

Zusammenfassend ergibt sich, dass gemäss der vorliegenden Erfindung eine unabhängige Widerstandselektrode 5 zwischen einer Abschirmung und einem Widerstand im Innern der Abschirmung angeordnet ist. Diese Massnahme verhindert eine Verschlechterung der Isolationseigenschaften gegenüber Masse beim Auftrennen des Schalters. Durch Ausbildung der Widerstandselektrode aus einem io lichtbogenunempfindlichen Metall, beispielsweise aus einer Kupfer-Wolfram-Legierung oder aus Kohlenstoff, wird diese besonders widerstandsfähig, und stationäre sowie bewegliche Kontaktteile können höheren gegenseitigen Spannungen widerstehen.

B

6 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

661 615 PATENTANSPRÜCHE

1. Trennschalter mit mindestens einem Hauptkontaktpaar und mindestens einem Lichtbogenkontaktpaar sowie mit einem Widerstand zur Lichtbogenunterdrückung in Schaltungskreisen mit kommutierenden Strömen, dadurch gekennzeichnet, dass ein elektrisch leitendes Abschirmelement ( 106) mit einer kreisrunden Öffnung ( 106a) vorgesehen ist, dass ein zu den Hauptkontakten bzw. zu den Lichtbogenkontakten gehörendes bewegliches Kontaktteil (130) derart angeordnet ist, dass es durch die Öffnung ( 106a) hindurch in das Abschirmelement (106) führbar ist, dass das bewegliche Kontaktteil mit einem Kontaktelement (132) versehen ist, welche mit den zur anderen Gruppe der Haupt- bzw. Lichtbogenkontakte gehörenden Kontakten zusammenwirken, dass die unterschiedlichen Kontakte innerhalb des Abschirmelementes ( 106) angeordnet sind, wenn Haupt- und Lichtbogenkontakte geschlossen sind, in welchem Falle eine kreisringförmige Widerstandselektrode (116) zwischen der Öffnung ( 1 06a) in dem Abschirmelement ( 106) und dem beweglichen Kontaktteil (130) angeordnet ist, dass die Oberfläche der Widerstandselektrode gekrümmt ist und über die Öffnung ( 1 06a) vorsteht.

2. Trennschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beim Öffnen des Lichtbogenkontaktpaares diese Lichtbogenkontakte parallel zueinander liegende Serienkreise aus der Widerstandselektrode (116) und einer Lichtbogenstrecke zwischen der Widerstandselektrode (116) und dem beweglichen Kontaktteil ( 130) bilden.

3. Trennschalternach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstandselektrode (116) von mehreren Stützstäben getragen ist, die mit dem elektrischen Widerstand (114) in leitender Verbindung stehen.