DE69007532T2

DE69007532T2 - Hochspannungs-Lastschalter mit dielektrischem Löschgas.

Info

Publication number: DE69007532T2
Application number: DE69007532T
Authority: DE
Inventors: Michel Perret
Original assignee: GEC Alsthom SA
Current assignee: Alstom Holdings SA
Priority date: 1989-05-17
Filing date: 1990-05-14
Publication date: 1994-06-30
Anticipated expiration: 2010-05-15
Also published as: ATE103414T1; EP0398211A1; FR2647255B1; DE69007532D1; EP0398211B1; US5105058A; FR2647255A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Hochspannungstrennschalter, bei dem ein Gas mit guten dielektrischen Eigenschaften, wie etwa Schwefelhexafluorid (SF&sub6;), die Isolierung und während eines Abschaltmanövers das Ausblasen des Lichtbogens übernimmt. Zum Anblasen wird das Gas durch einen Kolben verdichtet, dessen Relativbewegung in Bezug auf einen Blaszylinder durch den Betätigungsmechanismus des Trennschalters bewirkt wird.
Bei dieser Trennschalterart sind häufig Mittel zur Erzeugung eines Sekundärlichtbogens vorgesehen, der das Gas einer Kammer oder eines bestimmten Volumens erhitzt. Diese Temperaturerhöhung erzeugt in dem betrachteten Raum eine Druckerhöhung, die entweder dazu dient, eine Hilfsbeblasung bzw. eine zweite Beblasung des Lichtbogens zu erzeugen, oder die Öffnungsbewegung des Trennschalters zu unterstützen, so daß der Steueraufwand des Trennschalters verringert werden kann, oder aber dazu dient, diese beiden Ergebnisse gleichzeitig zu erreichen.
Wenngleich diese Technik Vorteile bietet, indem sie es ermöglicht, die erwähnten Ziele zu erreichen, weist sie dennoch Nachteile auf. Es ist nämlich stets störend, Lichtbogen zu erzeugen, da sie zum einen notwendigerweise den Verschleiß bestimmter Teile herbeiführen, die periodisch ausgewechselt werden müssen, und da sie andererseits Zersetzungsprodukte des Isoliergases erzeugen, die dessen dielektrischen Eigenschaften beeinträchtigen.
Die Druckschrift FR-A-1 514 265 betrifft einen Trennschalter gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung eines Trennschalters, bei dem ein gegebenes Volumen im Laufe eines Abschaltmanövers einer Erhitzung unterzogen wird, deren Wirkungen zur Verbesserung der Betriebseigenschaften des Geräts benutzt werden, ohne daß auf die Erzeugung eines Sekundärlichtbogens zurückgegriffen werden muß.
Gegenstand der Erfindung ist ein Trennschalter, wie er in Anspruch 1 definiert ist.
Nunmehr wird die Erfindung anhand verschiedener Ausführungsformen, die beispielshalber und ohne Beschränkungsabsicht beschrieben werden, und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert werden.
Figur 1 ist eine schematische Ansicht eines axialen Halbschnitts eines Trennschalters in geschlossenem Zustand gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung.
Figur 2 ist eine Ansicht des gleichen Trennschalters während einer Trennbewegung.
Figur 3 ist eine schematische Ansicht eines Trennschalters gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, dargestellt in geschlossenem Zustand.
Figur 4 ist eine schematische Ansicht eines axialen Halbschnitts eines Trennschalters gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung, dargestellt in geschlossenem Zustand.
Figur 5 ist eine Ansicht des gleichen Trennschalters während eines Trennvorgangs.
Figur 6 ist eine schematische Ansicht eines axialen Halbschnitts eines Trennschalters gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung, dargestellt in geschlossenem Zustand.
Figur 7 ist eine schematische Ansicht desselben Trennschalters während eines Trennvorgangs zur Unterbrechung eines Stromes geringer Stärke.
Figur 8 ist eine schematische Ansicht desselben Trennschalters während eines Trennvorgangs zur Unterbrechung eines Stromes großer Stärke.
In Figur 1 bezeichnet das Bezugszeichen 1 eine zur Achse xx symmetrische zylindrische isolierende Hülle, die ein Volumen 2 begrenzt, das mit einem Gas mit guten dielektrischen Eigenschaften, wie etwa Schwefelhexafluorid (SF&sub6;), gefüllt ist. Im Inneren dieser Hülle befindet sich die Trennkammer des Trennschalters, die feststehende Elemente und bewegliche Organe aufweist. Zu den feststehenden Elementen gehören Finger 3, die tulpenförmig angeordnet sind und den feststehenden Kontakt bilden, sowie eine zur Achse xx symmetrische Stange 4, die mit einem Ende 4A aus einem Material abschließt, das gegen die Wirkungen des Lichtbogens widerstandsfähig ist und den feststehenden Lichtbogenkontakt bildet. Der feststehende Dauerkontakt ist mit einem ersten, nicht dargestellten Stromanschluß verbunden. Das Bezugszeichen 5 bezeichnet eine Sprühentladungsschutzhaube, die den feststehenden Dauerkontakt umgibt.
Die beweglichen Organe enthalten ein erstes metallisches, im wesentlichen rohrförmiges Teil 6, das den beweglichen Dauerkontakt bildet, und ein zweites metallisches, rohrförmiges Teil 7, das mit einem Verschleißteil 7A abschließt und den beweglichen Lichtbogenkontakt bildet. Die Teile 6 und 7 sind koaxial zur Achse xx angeordnet. Das Teil 6 trägt eine Düse 8 aus isolierendem Material, wie etwa Polytetrafluoräthylen. Die Teile 6 und 7 werden durch ein isolierendes Ringelement 9 miteinander verbunden, das mit Löchern 10 durchbohrt ist. Die Elemente 6 und 7 begrenzen ein ringförmiges Blasvolumen V1, das an seinem dem Ring 9 gegenüberliegenden Ende durch einen feststehenden metallischen Kolben 11 begrenzt wird. Dieser Kolben enthält elektrische Gleitkontakte 12, die mit dem Rohr 7 zusammenwirken, weiter eine dynamische Dichtung 13 in Kontakt mit dem Rohr 6 und Öffnungen 14, die durch ein ringförmiges Ventil 15 geschlossen werden können. Der Kolben wird durch ein Rohr 16 aus isolierendem Material gehalten, wobei das Rohr seinerseits an einem feststehenden Metallteil 17 befestigt ist, das mit einem zweiten, nicht dargestellten Stromanschluß verbunden ist. Die Rohre 7 und 16 sowie der Kolben 11 definieren ein Volumen V2, das aus einem ringförmigen Teil 20 aus einem isolierenden Material besteht und fest mit den beiden erwähnten Rohren verbunden ist. Das Teil 20 ist mit einer Öffnung versehen, die durch ein Ventil 21 geschlossen wird, das den Durchtritt des Gases nur von außen her in das Innere des Volumens V2 zuläßt. Das Rohr 7 ist mit einem Betätigungsgestänge 23 aus isolierendem Material verbunden.
Das Teil 17 und das Rohr 6 sind elektrisch durch feststehende Finger 23 an einem Ende mit dem Teil 17 verbunden, während sie an ihrem anderen Ende auf dem Rohr 6 reiben. Das Teil 17 und der Kolben 11 sind elektrisch mit einem metallischen Element 25, das einen hohen elektrischen Widerstand besitzt, verbunden. Bei dem in Figur 1 dargestellten Beispiel ist dieses Element ein Rohr aus Chrom-Nickel-Stahl, das an einen Kragen 26 mit Bohrungen 27 des Teils 17 angeschweißt ist. Als Variante besteht das Element aus einer Vielzahl von Widerstandsdrähten oder Stangen. Das Material des Elements kann ganz allgemein beliebig sein, solange es dem Element einen ausreichenden Widerstand verleihen kann, damit dieses sich auf eine Temperatur nahe 1000ºC erwärmen und diese Temperatur aushalten kann. Hierzu seien insbesondere Wolfram und seine Legierungen oder metallische bzw. metalloide Oxide genannt.
Die Wirkungsweise des Trennschalters ist folgende: - im Normalbetrieb durchquert der Strom die Finger 3, das Rohr 6, die Finger 23 und das Teil 17;
- zum Öffnen des Trennschalters wird das Betätigungsgestänge in Bewegung versetzt und verschiebt sich in Figur 1 nach rechts hin. Bei der Trennung der Hauptkontakte fließt der Strom durch die Stange 4, das Rohr 7, die Kontakte 12, den Kolben 11, das widerstandsfähige Element 25 und das Teil 17. Wenn sich die Lichtbogenkontakte 4 und 7 trennen, springt ein Lichtbogen A zwischen ihnen über (Figur 2). Falls das Öffnen des Trennschalters durch eine Defekt verursacht wird, wird der den Trennschalter durchquerende Strom sehr groß. Dabei entsteht eine starke Erwärmung des Teils 25, das an das das Teil umgebende Gas eine starke Temperaturerhöhung überträgt und infolgedessen eine starke Drucksteigerung im Volumen V2 verursacht. Dieser Druck wirkt auf das Teil 20, dessen Ventil geschlossen ist, und unterstützt die Öffnungsbewegung des Trennschalters.
Ein gemäß der Erfindung aufgebauter Trennschalter besitzt im Vergleich zu Trennschaltern mit Sekundärlichtbogen mehrere Vorteile:
- die Masse der beweglichen Schaltorgane ist geringer als diejenige von Trennschaltern mit Sekundärlichtbogen, was es ermöglicht, die zur Betätigung benötigte Energie zu verringern und somit auch die Kosten der Steuermechanismen zu verringern;
- die Erwärmung eines Widerstandselements verunreinigt nicht das Isoliergas des Trennschalters, wie es ein Lichtbogen tut. Der Trennschalter behält so länger seine dielektrischen Eigenschaften, was es unter anderem ermöglicht, die Häufigkeit des Auswechselns der Molekularsiebe zu verringern;
- kein einziges Teil besitzt ein undefiniertes Potential, wie das bei Trennschaltern mit Sekundärlichtbogen der Fall ist, was nämlich dazu zwingt, zusätzliche Kontakte vorzusehen, die den Preis des Geräts belasten.
Bei der in Figur 3 dargestellten Ausführungsvariante weisen die Elemente, die denjenigen der Figur 1 entsprechen, die gleichen Bezugszeichen auf. Das Widerstandselement besteht diesmal aus einem Metallschwamm 30, der aus Metalldrähten hoher Festigkeit nach Art von Stahlwolle oder unter Verwendung eines porösen Materials (Metall oder Sinteroxid) hergestellt ist, das einen sehr hohen Hohlraumkoeffizienten besitzt. Ein in dieser Weise hergestelltes Element besitzt eine große Austauschoberfläche für das umgebende Gas, was die Erwärmung des Gases erleichtert.
Bei der in den Figuren 4 und 5 dargestellten Ausführungsvariante sind die Elemente, die denjenigen der Figur 1 entsprechen, mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Es sind wieder die feststehenden Kontakte 3 und 4 sowie die Schutzhaube 5, die durch das Teil 10 verbundenen Lichtbogenkontakte 6 und 7, das Betätigungsgestänge 23 und die Blasdüse am Ende des Blasvolumens V1 vorhanden. Der bewegliche Dauerkontakt 6 gleitet im Inneren eines feststehenden Rohres 31, das mit einer dynamischen Dichtung 32 und elektrischen Kontaktfingern 33 versehen ist. Das Rohr 31, das mit dem zweiten Anschluß des Trennschalters verbunden ist, besitzt einen Abschnitt 31A mit erweitertem Durchmesser, der es ermöglicht, einen Schwamm 35 mit einem hohen elektrischen Widerstand zu umgeben. Wie bemerkt, ist der Schwamm entweder in Form einer Stahlwolle oder einer porösen Raumfüllung ausgebildet. Der Schwamm ist mit elektrischen Gleitkontakten 36, die mit dem Lichtbogenkontakt 7 zusammenwirken, und mit feststehenden elektrischen Kontakten 37 versehen, die die galvanische Verbindung zwischen dem Schwamm 35 und dem Rohr 31 bewirken. Ein Isolierfutter 38, das zwischen dem Rohr 31 und dem Schwamm 35 angeordnet ist, zwingt den von den Kontakten 36 kommenden Strom, das gesamte Volumen des Schwamms zu durchqueren, ehe er die Kontakte 37 erreicht. Die Betriebsweise des Trennschalters ist folgende:
- im Dauerbetrieb durchquert der Strom die Finger 3, das Rohr 6, die Finger 33 und das Rohr 31A,
- beim Trennen der Hauptkontakte fließt der Strom durch die Lichtbogenkontakte 4 und 7, die Kontakte 36, den als Widerstand wirkenden Schwamm 35, die Kontakte 37 und das Rohr 31A,
- beim Trennen der Lichtbogenkontakte springt ein Lichtbogen A zwischen ihnen über und der Strom fließt dann über den Kontakt 4, den Lichtbogen A, das Rohr 7, die Kontakte 36, den Schwamm 35, die Kontakte 17 und das Rohr 31A.
Beim Unterbrechen von Strömen geringer Stärke (beispielsweise dem Nennstrom) ist die Erwärmung des Schwammes vernachlässigbar, und die Unterbrechung wird durch ein Ausblasen verursacht, das nur von der mechanischen Verdichtung des verkleinerten Volumens V1 herrührt, wobei der Metallschwamm einfach als Kolben dient.
Beim Unterbrechen von Strömen großer Stärke (beispielsweise Kurzschlußströme) erhitzt sich der Schwamm stark und erhitzt das ihn umgebende Gas. Der Druck des Gases steigt und entweicht dann aus dem Schwamm. Der mechanischen Blaswirkung fügt sich also das durch thermische Wirkung aus dem Schwamm ausgetriebene Gasvolumen hinzu.
Der gemäß den Figuren 4 und 5 hergestellte Trennschalter besitzt einen sehr leichtgewichtigen beweglichen Teil, denn im Vergleich zu den vorhergehenden Ausführungsformen kann man das Blasvolumen, also den Durchmesser des Zylinders 6 und somit seine Masse verringern.
Die Figuren 6 bis 8 zeigen eine Ausführungsform, bei der die Blasdüse mit dem feststehenden Teil des Trennschalters verbunden ist, anstatt fest am beweglichen Teil zu sitzen, wie dies bei den Ausführungsformen der Figuren 1 bis 5 der Fall war. In Figur 6 erkennt man die zylindrische Hülle 101 mit der Achse xx aus Keramik, die mit Isoliergas gefüllt ist und in deren Innerem die Unterbrechungsorgane untergebracht sind. Bei den feststehenden Elementen erkennt man ein im wesentlichen rohrförmiges Teil 103 mit der Achse xx, das als feststehender Dauerkontakt dient und mit einem ersten nicht dargestellten Stromanschluß verbunden ist, und weiter ein Rohr 104, das koaxial zum Rohr 103 angeordnet ist, dabei mechanisch und elektrisch mit dem Rohr 103 verbunden ist und einen feststehenden Lichtbogenkontakt bildet. Am Rohr 103 ist eine Blasdüse 108 aus isolierendem Material befestigt. Die beweglichen Organe enthalten die Kontaktfinger 106, die einen beweglichen Kontakt bilden und an einem Kopfring 110 befestigt sind, der Teil eines Rohres 107 ist, das einen beweglichen Lichtbogenkontakt bildet. Das Rohr 107 wird durch ein Metallrohr 107A verlängert, das elektrisch mit einem zweiten Stromanschluß 131 durch Gleitkontakte 132 verbunden ist. Das Rohr 107A ist mechanisch an ein Betätigungsgestänge 123 aus Isoliermaterial angeschlossen.
Ein Teil 140 aus Isoliermaterial, das einen zylindrischen Abschnitt 140A, der einen Zylinder bildet, und einen ringförmigen Abschnitt 140B, der einen Kolben bildet, aufweist, ist im Inneren des Rohrs 103 koaxial zu diesem angeordnet. Die Dichtheit zwischen dem Kolben 140B und dem Rohr 103 wird durch eine dynamische Dichtung 141 erzielt. Das Teil 140 kann sich im Inneren des Rohres 103 unter der Wirkung einer Feder 142 verschieben, die an einem Teil 143 anliegt, das mit dem Rohr 103 fest verbunden ist. Der Kolben 140B besitzt Öffnungen 144, die durch ein nur in einer Richtung wirkendes Ventil 145 geschlossen werden.
Im Inneren des Bauteils 140 ist ein metallischer Schwamm 150 des weiter oben beschriebenen Typs untergebracht. Der Schwamm besitzt eine Abschnitt 150A, der gegenüber dem Lichtbogenkontakt 104 angeordnet ist und in elektrischem Kontakt mit dem Rohr 103 steht. Eine Hülse 147 aus isolierendem Material isoliert den Schwamm 150 teilweise gegen das Rohr 103, derart, daß ein Strompfad maximaler Länge entsteht, wenn der Strom den Schwamm durchquert. Der Schwamm füllt nicht den ganzen Platz im Inneren des Teils 103 aus, wenn der Trennschalter eingeschaltet ist (Figur 6). Er spart im Gegenteil ein Volumen V4 aus, das durch Kanäle 151, die im Schwamm angebracht sind, mit der Blasdüse in Verbindung steht.
Die Wirkungsweise des Trennschalters ist folgende:
Wenn der Trennschalter geschlossen ist (Figur 6), dann ist die Feder 142 gespannt und das Volumen V4 erreicht seine maximale Größe. Der Strom durchquert das Rohr 103, die Finger 106, den Kopfring 110, das Rohr 107A, die Kontakte 132 und den Anschluß 131.

Unterbrechung schwacher Ströme

Es handelt sich um Ströme mit einer Stärke in der Nähe der Nennstärke.
Es wird auf Figur 7 Bezug genommen.
Die beweglichen Organe sind in der Figur nach rechts verschoben. Beim Trennen der Lichtbogenkontakt 104 und 107 springt ein Lichtbogen zwischen ihnen über. Er wird leicht durch das Gas des Volumens V4 unterbrochen, das durch die Verschiebung des Kolbens 104B verdichtet wird, der durch die Entspannung der Feder 142 angetrieben wird.

Unterbrechung starker Ströme

Es handelt sich um Kurzschlußströme.
Es wird auf Figur 8 Bezug genommen. Bei der Unterbrechung der Lichtbogenkontakte durchquert der Strom das Rohr 103, den als Widerstand wirkenden Schwamm 150, den Lichtbogenkontakt 104, den Lichtbogen selber, das Rohr 107, das Rohr 107A, den Kontakt 132 und den Anschluß 131. Bei der Durchquerung des Schwamms erwärmt der sehr starke Strom den Schwamm und treibt das in ihm enthaltene Gas aus. Die Drucksteigerung hat zwei Wirkungen: einerseits verhindert sie die Verschiebung des Kolbens 140B trotz der Wirkung der Feder, andererseits erzeugt sie ein kräftiges Anblasen des Lichtbogens durch die Düse 108. Die auf einer rein thermischen Wirkung beruhende Ausblasung wird durch die spätere mechanische Wirkung ergänzt, die durch die Entspannung der Feder erzeugt wird.
Die Erfindung findet bei Hochspannungstrennschaltern (über 45 kV) und bei Mittelspannungstrennschaltern (zwischen 2 und 45 kV) Anwendung.
Die Erfindung ist in keiner Weise auf die oben beschriebenen und dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt, denn ihre Anwendung ist ganz allgemein möglich.

Claims

1. Hoch- oder Mittelspannungstrennschalter mit einem dielektrischen Gas, der feststehende und bewegliche Hauptkontakte und feststehende (4A) und bewegliche (7A) Lichtbogenkontakte aufweist, gekennzeichnet durch ein leitendes Element (25, 30, 35, 150) mit hohem elektrischem Widerstand, das in einem Volumen (V2) in Reihe mit den Lichtbogenkontakten (4A, 7A) angeordnet ist, derart, daß das Gas des Volumens (V2) erwärmt und so die Öffnungsbewegung und/oder die Lichtbogenausblasung verstärkt wird.

2. Trennschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Element in Form eines Rohres ausgebildet ist.

3. Trennschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Element aus einer Vielzahl von Stangen aufgebaut ist.

4. Trennschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Element aus einer Vielzahl von Drähten aufgebaut ist.

5. Trennschalter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Drähte nach Art einer Stahlwolle angeordnet sind.

6. Trennschalter nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Material unter den Chrom-Nickel-Stählen, Wolfram und seinen Legierungen, den Metalloxiden und den Metalloidoxiden ausgewählt ist.

7. Trennschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Element in Form eines porösen Volumens ausgebildet ist.

8. Trennschalter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Element ein gesintertes Oxid ist.

9. Trennschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Element (25, 30) in einem Volumen (V2) untergebracht ist, in welchem die durch den Durchgang des Stroms durch das Element hervorgerufene Drucksteigerung benutzt wird, um der Abschaltbewegung zusätzliche Energie zuzuführen.

10. Trennschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Element (35, 150) in einem Volumen (V1, V4) untergebracht ist, in welchem die Temperatursteigerung eine Drucksteigerung des im Element enthaltenen Gases und ein Austreiben dieses Gases verursacht, das an der Trennoperation teilnimmt.