DE2245423A1 - ELECTRIC PRESSURE GAS SWITCH - Google Patents

Description

Elektrischer Druckgasschalter Die Erfindung betrifft einen elektrischen Hochspannungs -Druckgasschalter, bei dem ein Verdrängungssystem für den Löschgasdruck durch relativ zueinander sich bewegender Kolben und Zylinder gebildet ist e Eine Schwierigkeit bei diesen Kompressionsschaltern stellt die für eine Leistungsabschaltung erforderlione sogenannte Vorkompression dar, d. h. die Erzeugung eines Gasdruckes vor der eigentlichen LichtbogenlöschungO Diese Schwierigkeiten beziehen sich auf die erforderliche extrem hohe Schaltgeschwindigkeit und den dazu berbtigten besonders starken Schalterantrieb, vorzugsweise hydraulischer Bauart sowie auf die Verwendung besonderer hochwertiger Löschgase wie SF6 e Bisher sind zwei Grundtypen von Hochspannungs - Kompressions-Leistungsschaltern bekannt, wobei in dem einen Falle ein ortsfester Zylinder mit einem beweglichen Kolben ( DT - PS 1 184 394 ) und im anderen Falle ein ortsfester Kolben mit einem beweglichen Zylinder ( DT - PS 660 818 ) vorgesehen ist0 Auffallend bei beiden Systemen ist der für eine hohe Betriebsspannung ungewöhnlich kurze Gesamthub des Verdrängungssystems und damit eine kurze Trennstrecke zwischen den ausgeschalteten Kontakten. Dieses Faktum wird durch Einhaltung bestimmter Relationen zwischen Schaltstiftgeschwindigkeit, Lichtbogenlänge und Vorkompression, abhängig vom Verhältnis Gesamthub und Teilhub für günstigste Lichtbogenlöschbedingungen, ermöglicht. Electrical pressure gas switch The invention relates to an electrical one High-voltage compressed gas switch with a displacement system for the extinguishing gas pressure e is formed by piston and cylinder moving relative to one another The difficulty with these compression switches is that for a power cut-off required so-called pre-compression, d. H. the generation of a gas pressure before the actual arc extinction o These difficulties relate to the required extremely high switching speed and the particularly unnecessary strong switch drive, preferably hydraulic type, as well as on the use special high quality extinguishing gases such as SF6 e So far are two basic types of high voltage - Compression circuit breakers known, in one case a stationary one Cylinder with a moving piston (DT - PS 1 184 394) and in the other case a stationary piston with a movable cylinder (DT - PS 660 818) is provided ist0 What is striking about both systems is that for a high operating voltage short total stroke of the displacement system and thus a short separation distance between the deactivated contacts. This fact is determined by observance Relationship between switch pin speed, arc length and pre-compression, depending on the ratio of total stroke and partial stroke for the most favorable arc extinguishing conditions, enables.

Ferner weisen diese bei'nnten Systeme aber eine ungünstige Ausnutzung der Antriebskräfte auf. Da die Schaltstiftgeschwindigkeit nahezu konstant ist, steigert -sicn die erforderlicne Antrietzkraft, durch die Kompression beaingt, von Null kontinuierlich bis zu einem für die Uebertragungselemente extrem hohen Wert, der unter Umständen durch den Lichtbogenstaudruck noch erhöht werden kann.Furthermore, these two systems have an unfavorable utilization of the driving forces. Since the switch pin speed is almost constant, increases -sicn the required propulsion force, caused by the compression, from zero continuously up to an extremely high value for the transmission elements, which may be can be increased by the back pressure of the arc.

Will man die Abschaltleistung steigern und die Schaltsicherheit bzw. die Spannungsfestigkeit erhöhen, dann ist eine unverhältnismäßig starke Erhöhung der Antriebskraft erforderlich. Perner müßte bei einer Vergrößerung des gesamthubes für eine vorgegebene Lichtbogenbrennzeit die SchaltstiStgeschwindigkeit für die gewünschte Vorkompression gesteigert werden, damit vergrdßert sich aber die Lichtbogenlänge und damit die Lichtbogenleistung, was wiederum zu erhöhtem Druckanstieg in der Lichtbogenkammer führt und weiteren Aufwand erfordert.If you want to increase the breaking capacity and the switching reliability or increase the dielectric strength, then it is a disproportionately large increase the driving force required. Perner would have to increase the total stroke the switching speed for the desired pre-compression can be increased, but this increases the arc length and thus the arc power, which in turn increases the pressure in the arc chamber leads and requires further effort.

Bs ist daher die Aufgabe der Erfindung, die Abschaltleistung zu erhöhen, bei gleielizeitiger Heraufsetzung der Spannungssicherheit, ohne dabei jedoch eine Vergrößerung des Gesamthubes des Verdrängungssystemes und eine damit einhergehende Verminderung der vorgegebenen Vorkompression bei der jeweiligen Lichtbogenlänge in Kauf nehmen zu müssen sowie einen weit günstigeren Einsatz der Antriebskraft.It is therefore the object of the invention to increase the breaking capacity, if the voltage security is increased at the same time, but without a Enlargement of the total stroke of the displacement system and an associated one Reduction of the specified pre-compression for the respective arc length To have to accept as well as a much cheaper use of the driving force.

Dies wird beim eingangs genannten Schalter erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß beide Verdrängungseleente, nämlich Kolben und Zylinder bzw. Teile seiner Nandungen, bewegbar sind und sich bei Beginn der Löschgasdruckerzeugung £egenläufig aufeinander zubewegen und während des weiteren Ausschaltvorganges eines der Verdrängungselemente seine Bewegungsrichtung umkehrt, so daß das Volumen des Kompressionsraumes sich nahezu kontinuierlich vermindert0 Für die Erfindung eignen sich alle Verdrängungs- bzw. Pumpsysteme mit kolben- und zylinderartigen Verdrängungselementen, so auch Balgen. Mit ihr ist es möglich, die bekannten Massenrelationen für günstige Löschbedingungen einzuhalten, do h0 eine Lichtbogenlänge einer bestimmten Vorkompression zuzuordnen. Der Zylinder braucht nicht länger gebaut zu werden und die Antriebskräfte werden auch weit günstiger, weil gleichmäßiger, eingebracht als es bei einer Zylinderverlängerung der Fall wäreO Das größte Drehmoment benötigt er neue Antrieb kurz vor der Umkehr eines der Verdrängungselemente, während bei den bekannten Systemen das Drehmoment auf höhere Werte am Ende der Ausschaltung anlangt, wo es gar nicht mehr benötigt wird.According to the invention, this is achieved in the switch mentioned at the beginning achieved that both displacement elements, namely piston and cylinder or parts its Nandungen, are movable and at the beginning of the extinguishing gas pressure generation £ in opposite directions move towards each other and during the further switch-off process one the displacement element reverses its direction of movement, so that the volume of the Compression space are reduced almost continuously0 are suitable for the invention all displacement or pump systems with piston- and cylinder-like displacement elements, so also bellows. With it it is possible to use the known mass relations for favorable To comply with extinguishing conditions, do h0 an arc length of a certain pre-compression assign. The cylinder and the driving forces no longer need to be built are also much cheaper, because more evenly, introduced than with a cylinder extension the case would be o The greatest torque he needs new drive shortly before the reversal one of the displacement elements, while in the known systems the torque reaches higher values at the end of the switch-off, where it is no longer needed will.

Der erfindungsgemäße Schalter eignet sich insbesondere als Leistungsschalter in SF6 - Gas isolierten Höchstspannungsschaltanlagen, Auf beiliegender Zeichnung ist die Erfindung in beispielhafter Ausführungsform dargestellt, insbesondere wird gezeigt wie einfach sich die Relativsteuerungen der Verdrängungselemente durchführen läßt.The switch according to the invention is particularly suitable as a circuit breaker in SF6 - gas insulated high voltage switchgear, on the enclosed drawing the invention is illustrated in an exemplary embodiment, in particular shown how easy it is to control the displacement elements relative to each other leaves.

Fig. 1 zeigt die aktiven Teile der Lichtbogenlöschverrichtung eines Poles eines Eoxchspannungs-Leistungsschalters in Kompressionsbauform im eingeschalteten Zustand, Das ganze System befindet sich in einem geschlossenen Raum mit teilweise elektrisch isolierenden Wandungen mit einer unter leichtem Uberdruck befindlichen Löschgasfüllung, vorzugsweise SF6.Fig. 1 shows the active parts of the arc extinguishing device Poles of an anodized voltage circuit breaker in compression design when switched on State, the whole system is in an enclosed space with partially electrically insulating walls with a slightly excess pressure Extinguishing gas filling, preferably SF6.

Der ortsfeste Schaltstift 1 ist über die Wandung 2 mit einem äußeren Anschlußelement verbunden, Er greift elektrisch leitend in den Tulpenkontakt 3, der auf der Stirnseite des beweglichen Zylinders befestigt ist0 An diesem Zylinder 4 sind nichteingezeichnete Kontaktelemente vorgesehen, die die elektrisch leitende Verbindung zu einem weiteren äußeren Anschlußelement herstellen0 Ferner wird der Zylinder 4 in ortsfesten nicht eingezeichneter Führungeschienen so gehalten, daß er axial gerichtete Bewegungen ausführen kann, wenn die ortsfeste Welle 5 in Pfeilrichtung gedreht wird0 Hierbei erfolgt die Kraftübertragung über den Hebel 6, den Lenker 7 und das Lagerstück 8, das auf der offenen Stirnfläche des Zylinders 4 befestigt ist. Dreht sich die Welle 5, von einem Antrieb bewegt in Pfeilrichtung um einen Winkel von ca. 90t, dann wird der Zylinder 4 in eine untere Endstellung gezogen, dabei trennen sich der Schaltstift 1 und die Kontakttulpe 3 bis zur Ausschaltendstellung, In dem Zylinder 4 ist der Kolben 9 axial verschiebbar und durch die Zylinderinnenwand geführt angeordnet. Er wird über den Lenker 10 und den Hebel 11 von der Welle 5 betätigt. Die Hebel 6 und 11 sind gleicherweise auf der Welle 5 befestigt und führen somit gleiche Bewegungen aus.The stationary switch pin 1 is on the wall 2 with an outer Connection element connected, it engages electrically conductively in the tulip contact 3, which is attached to the face of the movable cylinder 0 on this cylinder 4, not drawn contact elements are provided that the electrically conductive Establish connection to another external connection element 0 Further the cylinder 4 is held in stationary guide rails, not shown, in such a way that that he can perform axially directed movements when the fixed shaft 5 in Direction of arrow is rotated 0 The power is transmitted via the lever 6, the handlebar 7 and the bearing piece 8, which is on the open face of the cylinder 4 is attached. If the shaft 5 rotates, moved by a drive in the direction of the arrow at an angle of about 90t, then the cylinder 4 is in a lower end position pulled, the switching pin 1 and the contact tulip 3 separate up to the switch-off end position, In the cylinder 4, the piston 9 is axially displaceable and through the cylinder inner wall guided arranged. It is attached to the shaft 5 via the handlebar 10 and the lever 11 actuated. The levers 6 and 11 are fastened in the same way on the shaft 5 and lead thus equal movements.

Wird jetzt die Welle 5 in Pfeilrichtung gedreht, dann wird der Zylinder 4 kontinuierlich nach unten gezogen. Der Kolben 9 führt zunächst eine AuRwErtsbewegung durch, bis er etwa auf halbem Drehwinkel seine Bewegungsrichtung umkehrt und nach unten in eine Endstellung gelangt, in der Weise, daß das Volumen des vom Kolben 9 und Zylinder 4 begrenzten Kompressionsraumes sich zunächst schnell, dann aber langsamer verringert.If the shaft 5 is now rotated in the direction of the arrow, the cylinder 4 continuously pulled down. The piston 9 initially performs an upward movement until it reverses its direction of movement and after about half the angle of rotation down in an end position, in such a way that the volume of the piston 9 and cylinder 4 limited compression space initially quickly, but then decreased more slowly.

Durch die Kompression des in dem Raum 12 enthaltenen Löschgases wird dieses durch Öffnungen 13 in den von einem Isolierrohr 14 begrenzten Kontaktraum 15 gedrückt und kann aus diesem dann in die Lichtbogenbahn entweichen, wenn die durch die Abwärtsbewegung mitgenommenen IXise 16, die zuerst noch vom ortsfesten Schaltstift 1 verschlossen war, sich öffnet. Durch diese Mise hindurch brennt bei einer Abschalthandlung der Lichtbogen von der Schaltstiftspitze zu einer in der Kontakttulpe 3 angeordneten Gegenelektrode 17c Letztere verschließt zeitweise den inneren Hohlraum 18 des Schaltstiftes 1 der über die Öffnung 19 mit dem freien Innenraum des Poles verbunden ist0 Die ganze Einrichtung ist räumlich so aufeinander abgestimmt, daß der Abschaltlichtbogen bei seiner ersten Löschchance durch das im Zylinder 4 vorkomprimierte Löschgas in der Düse 16 zum Erlöschen gebracht wird, dabei wird sein oberer Fußpunkt durch Druckausgleich in den Schaltstift 1 hineingedrückt.Due to the compression of the extinguishing gas contained in the space 12 this through openings 13 in the contact space delimited by an insulating tube 14 15 pressed and can then escape from this in the arc path when the IXise 16 taken along by the downward movement, the first from the stationary Switching pin 1 was closed, opens. Burns through this mise a shutdown of the arc from the switch pin tip to one in the Contact tulip 3 arranged counterelectrode 17c the latter temporarily closes the inner cavity 18 of the switching pin 1 via the opening 19 with the free interior of the pole is connected0 The whole facility is spatial so coordinated that the cut-off arc at its first chance of extinguishing caused by the extinguishing gas precompressed in the cylinder 4 in the nozzle 16 to extinguish is, its upper foot point is due to pressure compensation in the switch pin 1 pressed in.

Stehen die Mittellinien des Zylinders 4 Und der Schaltwelle 5 senkrecht aufeinander, so können von der gleichen Schaltwelle zwei oder mehrere sternförmig angeordnete Schaltelemente in einer Ebene betätigt werden, und ein absoluter Synchronlauf ist sichergeteilt. Natürlich können von der gleichen Schaltwelle" 5 weitere Schaltelemente in parallelen Ebenen angetrieben werden.Are the center lines of cylinder 4 and selector shaft 5 vertical one on top of the other, two or more of the same selector shaft can be in a star shape arranged switching elements are operated in one plane, and an absolute synchronous operation is securely shared. Of course, 5 additional switching elements can be used from the same switching shaft are driven in parallel planes.

In Fig. 2 wird ein Vergleich zwischen einem herkömmlichen Kolben-Zylindersystem 20 und dem neuen System 21 angestellt. Der Zylinder des Systems 20 mit starrem Kolben führt in der Zeit t2 den Gesamthub s2 aus.-Angenornen, in dem Zeitpunkt tl ist die erste Löschchance gegeben, dann ist dazu eine Vorkompression gegeben, die den Verdichtungsverhältnis , entspricht. Es ist In dem neuen System 21 führt der Zylinder gleichfalls in der Zeit t2 den Hub s2 aus, d.h. die Schaltgeschwindigkeit in beiden Systemen ist gleich. Der Zylinder bewegt sich aber weiter bis t3, entsprechend dem hub S4. gleichzeitig bewegt sich der Kolben gemäß der- gekrümmten gestrichelten Kurve. Demnach ist die Vorkompression nach einem Zeitablauf von t1 entsprechend dem Verdichtungshub V2. Es ist Stellt das Verdichtungsverhältnis V1 nach der Zeit tl einen Idealfall dar, dann muß zweckmäßig sein: VI = V2 also Es ergibt sich somit für jeden Gesamthub S4, der beliebig gewählt werden kaum, ein entsprechender Wert S3, der für die Bewegung des Kolbens kurvenbestimmend ist.In Fig. 2, a comparison between a conventional piston-cylinder system 20 and the new system 21 is made. The cylinder of the system 20 with rigid piston executes the total stroke s2 in the time t2.-Angenornen, in the time t1 the first chance of extinguishing is given, then a pre-compression is given, which corresponds to the compression ratio. It is In the new system 21, the cylinder also executes the stroke s2 in the time t2, ie the switching speed is the same in both systems. However, the cylinder continues to move until t3, corresponding to the stroke S4. at the same time the piston moves according to the curved dashed curve. Accordingly, the pre-compression after a time lapse of t1 corresponds to the compression stroke V2. It is If the compression ratio V1 after the time tl represents an ideal case, then it must be appropriate: VI = V2 For each total stroke S4, which can hardly be chosen arbitrarily, there is thus a corresponding value S3 which determines the curve for the movement of the piston.

Beispiel: Ist im ursprünglichen System S1 = 100 mm und der Gesamthub = 150 mm - was eine Trennstrecke im ausgeschalteten Zustand von etwa 120 mm ergibt - und will man diese Trennstrecke um 50 mm verlängern, dann ergibt sich ein Gesamthub von 84 - 200 Am. Bei gleicher Vorkompression zur Zeit tl entspricht dies einer Kolben bewegung von s3 = 166,6 lam. Demnach sind für die Bestimmung der Weg-Zeit-Kurve für den Kolben schon drei Punkte gegeben, aus denen sich dann leicht die dazu benötigte Hebelkonstellation konstruieren läßt.Example: In the original system, S1 = 100 mm and the total stroke = 150 mm - which results in an isolating distance of around 120 mm when switched off - and if you want to lengthen this separation distance by 50 mm, this results in a total stroke from 84 - 200 am. With the same pre-compression at time tl, this corresponds to one piston movement of s3 = 166.6 lam. Accordingly, for the determination of the path-time curve Three points have already been given for the piston, from which it is then easy to determine the one required for this Can construct a lever constellation.

Ist für eine bestimmte Abschaltleistung das Volumen des vorkomprimierten Löschgases im ursprünglichen System ausreichend, dann läßt sich bei dem neuen System für diesen Pall durch kuerschnittsverringerung des Zylinders und Kolbens ein gleiches Volumen erzielen. Damit ergibt sich eine gleiche Kompressionsarbeit. Da die Arbeit als Produkt von Kraft und Weg die gleiche ist, der Weg aber als Summe von Zylinder- und Kolbenweg größer ist als der des ursprünglichen Systems (der Zylinderweg war Ja nach Voraussetzung bei tl = s2), ergibt sich allein daraus eine Einsparung von Kraft, die für die Auslegung der Masse des bewegten Systems bedeutend ist. Eine weitere Kraft einsparung ergibt sioh aus der sehr günstigen Arbeitsverteilung während des Kompressionsvorganges. Während bei dem ursprünglichen System die für die Kompression benötigte Kraft von Null bis zu einem kaximalwert stetig ansteigt, ergibt sich jetzt von Null ausgehend ein zunächst steilerer Anstieg der Kraft-Weg-Kurve bis etwa auf halbem Wege. Sobald der Kolben seine Bewegungsrichtung ändert, gibt dieser seinerseits wieder Kraft ab, womit die Antriebskraft in steigendem Maße kompensiert und schließlich sogar überkompensiert wird, so daß ohne Zuführung weiterer Antriebskraft das System selbsttätig in seine Endstellung gelangt, und zwar unabhängig von der Höhe des Druckes im Kompressionsraum.Is the volume of the precompressed for a certain breaking capacity Extinguishing gas in the original system is sufficient, then it can be used in the new system the same for this Pall by reducing the cross-section of the cylinder and piston Achieve volume. This results in the same compression work. Because work as the product of force and path is the same, but the path is the sum of the cylinder and piston travel is greater than that of the original system (the cylinder travel was Depending on the prerequisite for tl = s2), this alone results in a saving of Force that is important for the design of the mass of the moving system. One further energy savings result from the very favorable distribution of work during the compression process. While in the original system the one for compression The force required rises steadily from zero to a maximum value, this now results starting from zero, an initially steeper increase in the force-displacement curve up to approximately half way. As soon as the piston changes its direction of movement, it gives in turn again power off, with which the driving force compensates to an increasing extent and finally is even overcompensated, so that the system without any additional driving force automatically reaches its end position, regardless of the level of pressure in the compression room.

Durch die Wahl der Längen und Stellungen der Hebel 6 und 11 lassen sich optimale Lichtbogenlöschbedingungen erzielen und durch diese entweder eine Steigerung der Abschaltleistung oder eine Erhöhung der Wirtschaftlichkeit durch geringeren Aufwand bei gleichzeitiger Steigerung der Betriebssicherheit hinsichtlich der vergrößerten Trennstrecke.Let by the choice of the lengths and positions of the levers 6 and 11 achieve optimal arc extinguishing conditions and through this either a Increase in the breaking capacity or an increase in economic efficiency less effort with simultaneous Increase in operational safety with regard to the increased isolating distance.

Geht man von dem ursprünglichen System aus, bei dem der Kolben mit dem Schaltstift verbunden ist und ersterer sich in einem ortsfesten Zylinder bewegt, dann kann sinnentsprechend auch die neue Relativbewegung durchgeführt werden, indem analog nach Fig. 1 jetzt der Kolben von dem Hebel 6 und der Zylinder von dem Hebel 11 bestätigt wird.Assuming the original system, in which the piston with is connected to the switching pin and the former moves in a stationary cylinder, then the new relative movement can also be carried out in a corresponding manner by analogously to FIG. 1 now the piston of the lever 6 and the cylinder of the lever 11 is confirmed.

Claims (1)

Ansprüche Expectations Elektrischer Hochspannungs - Druckgasschalter, bei dem ein Verdrängungssyetem für den Löschgasdruck durch relativ zueinander sich bewegender Kolben und Zylinder gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß beide Verdrängungselemente, nämlich Kolben (9) und Zylinder (4) bzw. Teile seiner Wandungen bewegbar sind und sich bei Beginn der Löschgasdruckerzeugung gegenläufig aufeinander zubewegen und während des weiteren Aussohaltvorganges eines der Verdrängungselemente (9, 4) seine Bewegungsrichtung umkehrt, so, daß das Volumen des Kompressionsraumes sich nahezu kontinuierlich vermindert. Electrical high-voltage pressure gas switch with a displacement system for the extinguishing gas pressure by piston and cylinder moving relative to each other is formed, characterized in that both displacement elements, namely pistons (9) and cylinder (4) or parts of its walls are movable and are at the beginning the extinguishing gas pressure generation move in opposite directions towards each other and during the further Aussohaltvorganges one of the displacement elements (9, 4) its direction of movement reversed, so that the volume of the compression space decreases almost continuously. 2.) Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verdrängungselement, das seine Bewegungsrichtung nicht umkehrt, den beweglichen Schaltkontakt ( 3, 17 ) trägt.2.) Switch according to claim 1, characterized in that the displacement element, that does not reverse its direction of movement, the movable switching contact (3, 17 ) wearing. 3.) Schalter naoh Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der kolben (9) seine Bewegungerichtung umkehrt.3.) switch naoh claim 2, characterized in that the piston (9) reverses its direction of movement. 4.) Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verdrängungasystem von einem Balgen gebildet ist.4.) Switch according to claim 1, characterized in that the displacement gas system is formed by a bellows. 50) Schalter nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdrängungselemente (4, 9) gemeinsam von einem mechanisch verbundenen Hebelpaar (6, 11), das ortsfest auf der Schaltwelle (5) aufsitzt, betätigt werden, wobei einer der Hebel während der Druckgaserzeugung eine Totpunktstellung durchläuft0 60) Schalter nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittellinie der Schaltwelle(5)und des Zylinders(4) lotrecht aufeinander stehend50) Switch according to claim 1 to 4, characterized in that the Displacement elements (4, 9) jointly by a mechanically connected pair of levers (6, 11), which is fixedly seated on the control shaft (5), are actuated, with one the lever passes through a dead center position during the generation of compressed gas 0 60) switch according to claim 1 to 5, characterized in that the center line of the switching shaft (5) and of the cylinder (4) perpendicular to each other