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Druckgasschalteinrichtung
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Die Erfindung betrifft elektrische Druckgasschalteinrichtungen gemäß
dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Anwendungsgebiet Die Druckgas schal tei nri chtungen dienen dazu,
elektrische Stromkreise vornehmlich in Hochspannungsnetzen mit sehr hohen Betriebsspannungen
gesteuert zu schließen und geschlossen zu halten sowie gesteuert zu öffnen und offen
zu halten.
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Stand der Technik und Kritik Vorschläge zur Ausführung von Hochspannungs-Druckgasschalteinrichtungen
nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 enthält z.B. die Druckschrift DE-OS 31
45 391. Dazu läßt sich aus physikalischer Sicht der Dinge folgendes bemerken: Das
vorteilhafte Druckkammerprinzip, das heißt, die direkte Anströmung einer Doppeldüsenanordnung
oder einer dieser vorgelagerten Radialströmungseinrichtung aus einem Druckraum existiert
offenbar nur mehr in einer Näherung, denn zwischen Druckraum des Kompressionszyl
inders und Radialströmungsräumen sind bohrungsa-rtige Kanäle geschaltet,
und
an diesem Strömungswiderstand fällt der Druck des hindurchströmenden Löschgases
ab. Bei reduziertem Druck vermag aber das Gas schnellen änderungen des Lichtbogenvolumens
nur noch weniger elastisch zu folgen; insbesondere trifft dies zu auf die Unterbrechung
großer Kurzschlußströme; die entionisierende und damit stromunterbrechende Wirkung
des Löschgases nimmt ab.
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Durch die gegebene Konstruktionslehre bedingt, entströmen den Radialströmungsführungen
unterschiedliche Gasmassen und können im kritischen Raum zwischen den Düsenkörpern
Gasturbulenzen erzeugen. Wirbel in einem strömenden Gas enthalten auch Gebiete geringeren
Drucks und somit geringerer dielektrischer Festigkeit.
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Der aus horizontalen Lamellen aufgebaute Isolierkörper mit integrierten
Radialströmungsführungen, Gasräumen also, schließt den Raum des Kompressionszyl
inders zwischen Zylinderboden und bewegbarem Schaltstück ab. Bei dieser Bauform
ist ein Ausfüllen auch nur eines Teils der Gasräume im Isolierkörper durch den Kompressionskolben
praktisch unmöglich, und so gibt es zwangsläufig Kompressions-Toträume. Solche Toträume
verkleinern die Dichte des Löschgases. Ein Gas mit verringerter Dichte besitzt auch
eine verringerte dielektrische Festigkeit.
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Aufgabe Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei der Konstruktion
einer Druckgasschalteinrichtung gegenüber der vorstehend diskutierten Version wesentliche
Verbesserungen einzuführen.
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Darüber hinaus sollen die Mittel zur Beeinflußung der Löschgasströmung
konstruktiv vereinfacht werden.
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Lösung Die Problemlösung geht von folgenden Leitgedanken aus: Im Kompressionszyl
inder werden unter Wahrung der direkten Löschgaseinströmung aus seinem Druckraum
Radialströmungsräume gebildet.
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Der auf die Doppeldüsenachse ausgerichtete Summen-Ausströmquerschnitt
der Radialströmungsräume ist etwa gleich groß wie der Summen-Einströmquerschnitt
der Doppeldüsen.
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Die Radialströmungsräume sind so angelegt, daß der vom Kompressionskolben
während des Einschalthubs nicht ausfüllbare Kompressionstotraum minimal bleibt.
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Weitere und detailierte Merkmale der erfindungsgemäßen Druckgasschalteinrichtung
sind definiert im ersten sowie in den nachfolgenden Patentansprüchen.
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Ausführungsbeispiele Fig. 1 : Längsschnitt durch eine Druckgasschalteinrichtung
mit einem hohlzylindrischen Gasströmungseinsatz im Kompressionszylinder.
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Fig. 2 : Querschnitt durch den Kompressionszylinder und den Gasströmungseinsatz
nach Fig. 1.
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Fig. 3 : Längsschnitt durch eine Druckgasschalteinrichtung mit auf
die Doppeldüsenachse ausgerichteten Längswänden im Kompressionszyl inder.
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Fig. 4 : Querschnitt durch den Kompressionszylindernach Fig.4.
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Die Düsenkörper (1,2), die sich nach Fig.1 in einer nicht dargestellten
Schaltkammer axial gegenüberstehen bilden das Herzstück der Druckgasschalteinrichtung
I. Beide Düsenkörper sind im eingeschalteten Zustand und während einer Phase der
Ausschaltoperation von dem Kompressionszylinder (3) umgeben. Mit diesem Zylinder
ist auch das Gleitschaltstück (4) in einer hier nicht dargestellten Form mechanisch
verbunden.
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Bewegbarer Kompressionszyl inder (3) und feststehender Kompressionskolben
(5) bilden die Einrichtung für die Kompression des Lichtbogen-Löschgases.
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Wenn, wie hier zutreffend, bei Betriebsspannungen der Schalteinrichtung
von 245 kV und höher aus Gründen der dielektrischen Festigkeit der offenen Schaltstrecke,
der axiale Abstand der Doppeldüsen wesentlich größer gewählt werden muß als der
Düsenradius
- weil etwa die vorteilhafteren Lösungen, nämlich die Leitstoff-Leitstoff-Doppeldüsenanordnung
gemäß DE-OS 33 23 865 und insbesondere die Leitstoff-Isolierstoff-Doppeldüsenanordnung
gemäß DE-OS 32 34 971 noch nicht hinreichend erkannt worden sind - dann wird es
notwendig, aus Gründen, die schon in DE-OS 31 13 325 stehen, dafür zu sorgen, daß
die Gasströmung im Raum zwischen den Düsen weiterhin eine ausreichnede Radialgeschwindigkeit
besitzt.
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Zu diesem Zweck ist hier ein Isolierstoffkörper (6) vorgesehen, in
den Radialströmungsräume (7,8,9) eingearbeitet sind.
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Der hohlzylindrische Isolierstoffkörper befindet sich im Kompressionsraum
des Zylinders (3) und ist an dessen Abschlußkappe (10) sowie mit vier Rippen (11)
an der Zylinderwand (12) befestigt. Die Radialströmungsräume (7,8,9) sind demnach
in vorteilhaftem Fortschritt zu bekannten Ausführungen vom Gasdruckraum (13) des
Kompressionszyl inders direkt umgeben.
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Die dem Gleitschaltstück (4) zugekehrte Stirnseite (14) des Isolierstoffkörpers
ist gekrümmt ausgeführt und hat dadurch die Funktion einer Strömungsleitfläche.
Damit läßt sich vorteilhaft erreichen, daß bei der ausschaltbedingten Trennung des
Gleitschaltstücks (4) vom Düsenkörper (1) der Initiallichtbogen - hier nicht dargestellt
- am Ausbrechen in den Druckraum gehindert und zudem kräftig beblasen wird, was
ihn schnell in den Düsenraum treibt.
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Der Kolbenkörper (5) weist Fortsetzungen (15) auf, die im eingeschalteten
Zustand den Raum zwischen IsolierstDffkörper(6) und Abschlußkappe (4) sowie Wand
(12) des Kompressionszyl inders (3) ausfüllen. Dadurch werden kompressionsschädliche
Räume auf ein Minimum reduziert und im vorteilhaften Fortschritt zu bekannten Ausführungen
erhöht sich die Löschgaskompression. Die Spalte (16) in der Kompressionskolbenfortsetzung
(15) geben Durchtrittsraum für die Befestigungsrippen (11) während des Ausschaltens.
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Zur weiteren Verdeutlichung der vom Druckraum (13) direkt umgebenen
Radialströmungsräume (7,8,9) ist der Kompressionszylinder im Zwischendüsenbereich
quergeschnitten; die Draufsicht auf den Schnitt AB zeigt die Fig. 2. Man erkennt
darin sechs radiale Stege (17) als Distanzstücke in den Radialströmungsräumen. Diese
Radialstege wirken sich natürlich günstig aus auf die Schaltgasströmung. Gegenüber
der Innenoberfläche des Isolierstoffkörpers (6) können die Stege vorteilhaft etwas
zurückspringen, um die dielektrische Festigkeit in Längsrichtung zu erhöhen.
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Desweiteren erkennt man in der Fig. 2 wieder die schon in der Fig.
1 dargestellten Rippen (11) zur Befestigung des Isolierkörpers (6) an der Kompressionszylinderwand
(12).
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Die Summe der Ausströmungsquerschnitte der Radialströmungsräume ist
mindestens näherungsweise ebenso groß wie die Summe der Strömungsquerschnitte der
Düsen (1) und (2).
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Die Ausströmungsquerschnitte der Radialströmungskörper könnnen vorteilhaft
düsenförmig geformt sein.
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Mit den erfindungsgemäßen Einrichtungen wird selbst bei einem relativ
großen axialen Abstand der Doppel düsen ein Ausbrechen des Ausschaltlichtbogens
aus dem Zwischendüsenraum verhindert. Die gleichmäßige Löschgasströmung aus den
Radialströmungsräumen hält außerdem die Gasturbulenz gering und damit auch die Lichtbogenkühlung,
die im Zwischendüsenbereich nur unnötig den Lichtbogen zu erhöhter Wärmeabgabe zwingen
würde.
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Eine andere vorteilhafte Ausführungsform II der Druckgasschalteinrichtung
kommt erfindungsgemäß dadurch zustande, daß die hauptsächlich horizontalen Radialströmungsräume
gemäß der Fig. 1 und 2 in hauptsächlich vertikale Radial-Druck- und Strömungsräume
transformiert werden, Fig. 3. Dabei bleiben von dem hohlzylindrischen Körper (6)
praktisch nur die Stege übrig; sie erstrecken sich jedoch nun über die gesamte Isolierstoffkörperlänge
und sie dehnen sich aus bis zur Längswand (12) des Kompressionszylinders (3), die
sie trägt.
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Außerdem sind die Stege der neuen Art (18) mit der Stirnseite an der
Abschlußkappe (10) des Kompressionszylinders befestigt.
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Zwischen zwei Stegen entstehen zylindersektorförmige Teidruckräume
(19), die unmittelbarer Bestandteil des Druckraumes im Kompressionszylinder sind.
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Anströmkanäle, welche die Löschgasströmung zu den Doppeldüsen ungünstig
beeinflußen, gibt es im vorteilhaften Fortschritt zu bekannten Ausführungen nicht.
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Die Teildruckräume (19) gehen in Radial-Teilströmungsräume (20) über.
In vorteilhafter Weise sind die Radialteilströmungsräume düsenförmig gestaltet,
was durch eine entsprechende Formgebung der Stege leicht zu machen ist, Fig.4, Schnitt
AB.
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Ober die Formgebung der Stege, insbesondere ihre Querschnitts-.
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bemessung im Radialströmungsbereich läßt sich die Gasausströmungsmenge
so dosieren, daß sie in etwa der Gaseinströmungsmenge in die Doppel düsen entspricht.
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Der Ausschaltlichtbogenabschnitt zwischen den Doppeldüsen wird dann
aus den Teildruckräumen nahezu ebenso günstig angeströmt wie dies der Fall ist bei
symmetrischen Doppel düsen, deren axialer Abstand noch etwa die gleiche Länge besitzt
wie der Düsenradius und wo eine Strömungsbeeinflussung nicht unbedingt notwendig
ist, CIGRE-Report 13-07, 1984, insbesondere Fig. 3.
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Durch diese günstige Führung der Löschgasströmung bleibt ihre Turbulenz
im Zwischendüsenbereich ebenfalls gering; wie bei der ersten Ausführung der Druckgasschalteinrichtung
erhöht sich die dielektrische Festigkeit des Gases und die Erzeugung schädlicher
Lichtbogenwärme sinkt.
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Der kompressionsschädliche Raum der Löschgas-Kompressionseinrichtung
wird bei der vorgestellten Ausführungsform besonders klein gehalten, füllen doch
bei einer Ausschaltung die Kompressionskolbenfortsätze (21) die Radial-Teildruckräume
(19) nahezu vollkommen aus.
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Deutlich zu ersehen ist das durch eine kombinierte Betrachtung von
Fig. 3 und 4. Bei dem Schnitt AB blickt man links von der Längsachse nach oben in
Richtung auf den Düsenkörper (1) und rechts davon nach unten in Richtung auf den
Düsenkörper (2). Man erkennt so einmal die Teildruckräume (19) und dann die sie
während des Ausschaltens ausfüllenden Kompressionskolbenfortsetzungen (21).
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Die übrigen Bauteile dieser Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Druckgasschalteinrichtung sind praktisch identisch mit denen in der schon erläuterten
Bauform nach Fig. 1 und 2; sie bedürfen daher kaum noch weiterer Erklärungen.
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Hinzuweisen ist desweiteren auf die sehr einfache konstruktive Gestaltung
insbesondere der Bauform nach Fig. 3 und 4, was z.B. Fertigung und Zuverlässigkeit
im Betrieb zugute kommt. Eine zusätzliche Vereinfachung wird dadurch möglich, daß
man den vorderen Teil des Kompressionszyl inders (3) mit den Isolierstoffkörpern
(6) oder (18) vorab als integriertes Bauteil herstellt; in der Endfertigung braucht
es dann nur noch mit der Zylinderwand (12) zusammengefügt zu werden.
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Das Material, aus dem der Isolierstoffkörper (6) und die Längswände
(18) hergestellt sind, Fig. 1 bzw. Fig. 3, ist vorteilhaft ein Fluorpolymer wie
z.B. PTFE.
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Mit diesen technisch fortschrittlichen Druckgasschalteinrichtungen
läßt sich im Vergleich zu bekannten entweder bei gleicher Antriebsenergie der Nenn-Kurzschlußausschaltstrom
erhöhen, von z.B. 40 kA auf 50 kA, Nennspannung 245 kV, oder aber bei unverändertem
Nenn-Kurzschlußausschaltstrom, von z.B. 40 kA, Nennspannung 245 kV, die Antriebsenergie
des Schalters und/oder, was ebenfalls vorteilhaft sein dürfte, der stationäre Druck
des Lichtbogen-Löschgases SF6 verkleinern.