DE69013946T2

DE69013946T2 - Lastschalter mit rotierendem Lichtbogen und mit Zentrifugal-Effekt des Löschgases.

Info

Publication number: DE69013946T2
Application number: DE69013946T
Authority: DE
Inventors: Paul Glenat; Pierre Leclercq; Peter Malkin
Original assignee: Merlin Gerin SA
Current assignee: Merlin Gerin SA
Priority date: 1989-02-27
Filing date: 1990-02-14
Publication date: 1995-05-24
Anticipated expiration: 2010-02-15
Also published as: JPH02276122A; EP0385886A1; US5001313A; DE69013946D1; ES2066175T3; EP0385886B1

Description

Die Erfindung betrifft einen Leistungsschalter mit Drehlichtbogen in einem dichtgekapselten, mit einem Gas hoher dielektrischer Festigkeit, insbesondere Schwefelhexafluorid, gefüllten Gehäuse mit einem oder mehreren Polen, die folgende Teile umfassen:
- eine Löschkammer mit zwei Lichtbogenkontakten, die dazu dienen, bei ihrer Trennung eine Trennstrecke zu bilden,
- Mittel zur magnetischen Beblasung, insbesondere eine Spule oder einen Dauermagneten, die dazu dienen, ein magnetisches Feld zu erzeugen, um den Lichtbogen in Drehung zu versetzen und so durch Zentrifugalwirkung das Gas nach außen gegen die Wand der Löschkammer zu treiben,
- eine Ringelektrode als Wanderungsbahn für den Lichtbogen und
- in der Löschkammer angeordnete Leitstege zur Abbremsung der Rotationsbewegung des Löschgases.
In einem Leistungsschalter mit Drehlichtbogen kann es aufgrund der durch Zentrifugalwirkung verursachten Verschiebung des Gases zur Löschkammerwand hin zu einem Unterdruck im Bereich der Trennstrecke kommen. Durch diesen Unterdruck nimmt die Gasdichte ab, wodurch die dielektrische Festigkeit in der betreffenden Zone sinkt. Außerdem entspricht die Rotationsgeschwindigkeit des Lichtbogens dabei etwa der Bewegungsgeschwindigkeit des Gases, so daß ein wirksamer Wärmeaustausch zwischen Lichtbogen und Gas verhindert wird. Dadurch ergibt sich wiederum eine zu geringe Einschwingspannung, was beim Abschalten von Kurzschlüssen die Löschung des Lichtbogens verhindern kann.
In der FR-A-2554274 wird ein Autoexpansions-Leistungsschalter mit Drehlichtbogen beschrieben, in dessen Löschkammer Leitstege zur Abbremsung der Rotation des durch den Lichtbogen erhitzten Löschgases im Austrittsbereich angebracht sind. Die Stege sind auf einem Isolierstoffring befestigt, der die Lichtbogen-Wanderungselektrode überdeckt, und somit in der Nähe der Trennstrecke angeordnet. Die Mischung der kalten und heißen Gase erfolgt dabei in einer relativ weit von der Trennstrecke entfernten Zone. Bei einer solchen Anordnung der Leitstege besteht die Gefahr, daß die Schalteigenschaften des Leistungsschalters beeinträchtigt werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die dielektrische Festigkeit sowie die Einschwingspannung des Lichtbogens in einem Leistungsschalter mit Drehlichtbogen zu verbessern.
Der erfindungsgemäße Leistungsschalter ist dadurch gekennzeichnet, daß die Löschkammer in eine erste, äußere Zone und eine diese Zone konzentrisch umgebende, in der Nähe der Trennstrecke ausgebildete zweite Zone unterteilt ist, daß die Leitstege in der ersten Zone angeordnet sind, um eine Geschwindigkeitsdifferenz zwischen dem Lichtbogen und dem in der zweiten, zum Wärmeaustausch dienenden Zone vorhandenen Löschgas zu erzeugen, und daß die erste Zone mit den Leitstegen durch einen in der zweiten Zone ausgebildeten ringförmigen Zwischenraum vom Außenrand der Elektrode getrennt ist. Auf diese Weise wird das Gas durch die Leitstege ausschließlich in der ersten, äußeren Zone der Löschkammer, nicht jedoch in der zweiten lichtbogennahen Zone abgebremst.
Die Form der Leitstege kann beliebig sein.
Die Leitstege können geneigt oder in Form von Turbinenschaufeln oder Propellerflügeln ausgebildet sein.
Diese Vorrichtung kann in Leistungsschaltern mit oder ohne Autoexpansionstechnik eingesetzt werden.
Bei einem Autoexpansions-Leistungsschalter weist die Löschkammer eine an beiden Enden durch eine erste und eine zweite Bodenplatte abgeschlossene Mantelfläche auf. Bei Trennung der Lichtbogenkontakte entsteht über von den rohrförmigen Lichtbogenkontakten gebildete Gasströmungskanäle eine Verbindung zwischen der zweiten Zone und dem als Ausdehnungskammer dienenden genannten Gehäuse.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den beigefügten Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung unter Angabe weiterer Vorteile und Merkmale näher erläutert. Dabei zeigen:
- Fig. 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Autoexpansions-Leistungsschalters im Schnitt, wobei der linke Halbschnitt den Leistungsschalter in der Ausschaltstellung und der rechte Halbschnitt den Leistungsschalter in der Einschaltstellung zeigen;
- Fig. 2 eine Teilansicht aus Fig. 1 gemäß einer Ausführungsvariante;
- Fig. 3 eine zu Fig. 2 analoge Darstellung einer weiteren Ausführungsvariante;
- Fig. 4 eine Schnittansicht entlang der Linie 4-4 aus Fig. 2;
- Fig. 5 eine Schnittansicht entlang der Linie 5-5- aus Fig. 3;
Die Erfindung ist für einen Autoexpansions-Leistungsschalter mit Drehlichtbogen beschrieben, sie ist jedoch selbstverständlich auch auf einen nicht in Autoexpansionstechnik ausgeführten Leistungsschalter mit Drehlichtbogen anwendbar.
Fig. 1 zeigt einen Pol eines Mittelspannungs- oder Hochspannungs- Leistungsschalters bzw. Lastschalters der in der Druckschrift FR-A- 2617633 beschriebenen Bauart. Der Pol umfaßt ein Gehäuse 10, das aus einer zylindrischen Mantelfläche 12 besteht, deren Enden mit zwei Bodenplatten 14, 16 abgeschlossen sind. Das Gehäuse 10 ist mit einem Gas hoher dielektrischer Festigkeit, insbesondere Schwefelhexafluorid, unter atmosphärischem oder erhöhtem Druck gefüllt. Das zylinderförmige Gehäuse 12 kann aus einem Isolierstoff und die als Stromanschlüsse dienenden Bodenplatten 14, 16 können aus einem leitenden Material bestehen. Eine in der Längsachse des Gehäuses 10 liegende Schaltstange 18 durchragt gasdicht die Bodenplatte 16 und geht im Innern des Gehäuse 10 in einen beweglichen Rohrkontakt 20 über. Am Ende des beweglichen Rohrkontakts 20 ist ein beweglicher Lichtbogenkontakt 22 angebracht, der mit einem feststehenden Lichtbogenkontakt 23 zusammenwirkt, welcher von einem an der gegenüberliegenden Bodenplatte 14 befestigten Kontakt 24 getragen wird.
Eine aus einer zylindrischen Mantelfläche 28 und zwei Bodenplatten 30, 32 gebildete Löschkammer 26 umgibt koaxial die Kontakte 22, 24. Die zylindrische Mantelfläche 28 und die Bodenplatte 30 sind metallisch ausgeführt und elektrisch mit dem feststehenden Kontaktstück 24 verbunden. Die gegenüberliegende Bodenplatte 32 besteht aus einem Isolierstoff, der die elektrische Isolation zwischen dem beweglichen Kontakt 20 und der zylindrischen Mantelfläche 28 gewährleistet.
Im Innern der Löschkammer 26 ist eine auf einer metallischen Grundplatte 30 befestigte Spule 34 angeordnet. Die Spule 34 wird von einer Elektrode 36 überdeckt, die eine gegenüber dem beweglichen Lichtbogenkontakt 22 liegende Lichtbogen-Wanderungsbahn darstellt. Die Spule 34 ist einerseits mit der Elektrode 36 und andererseits mit der Bodenplatte 30 elektrisch verbunden, so daß sie in der Einschaltstellung des Leistungsschalters in Reihe zwischen dem beweglichen Lichtbogenkontakt 22 und dem feststehenden Kontaktstück 24 liegt.
In der im linken Halbschnitt von Fig. 1 dargestellten Ausschaltstellung des Leistungsschalters gibt es einen Verbindungsweg zwischen der Löschkammer 26 und dem als Ausdehnungskammer dienenden Gehäuse 10. Der Verbindungsweg verläuft einerseits durch den beweglichen Rohrkontakt 20, an dessen Unterseite Durchtrittsöffnungen für einen Gasaustausch zwischen dem Inneren des Rohrkontakts 20 und dem Gehäuse 10 ausgebildet sind, und andererseits durch das feststehende rohrförmige Kontaktstück 24, das im Innern des Spulenkörpers 34 in einen mittigen Strömungskanal 40 übergeht und an der Unterseite Durchtrittsöffnungen 42 zum Gasaustausch mit dem Gehäuse 10 aufweist. Der feststehende Lichtbogenkontakt 23 ist am ringförmigen Innenrand der Elektrode 36 schematisch dargestellt. In der im rechten Halbschnitt von Fig. 1 dargestellten Einschaltstellung des Leistungsschalters stößt der bewegliche Lichtbogenkontakt 22 gegen die Elektrode 36 und verschließt dabei die beiden durch die Kontakte 22, 24 gebildeten Strömungskanäle.
Der bewegliche Lichtbogenkontakt 22 ist als halbfester Teleskopkontakt ausgeführt, der durch eine Feder 44 in Ausschubrichtung beaufschlagt wird. Ein von der Bodenplatte 16 des Gehäuses 10 getragener Gleitkontakt 46 wirkt mit dem beweglichen Kontakt 20 zusammen, um die elektrische Verbindung zwischen diesem beweglichen Kontakt 20 und dem durch die Bodenplatte 16 gebildeten Stromanschluß zu gewährleisten.
Die zylindrische Mantelfläche 28 der Löschkammer 26 ist unter Ausbildung eines als feststehender Hauptkontakt dienenden Kragens 48 über die Isolierstoff-Bodenplatte 32 hinaus verlängert. Der feststehende Hauptkontakt 48 wirkt mit einem als Tulpenkontakt ausgeführten beweglichen Hauptkontakt 50 zusammen, der von einem fest mit dem beweglichen Kontakt 20 verbundenen Stützelement 52 getragen wird. Die Kontaktfinger des Tulpenkontakts wirken mit dem Innenrand des Kragens 48 zusammen, so daß die Fluchtlinie der Löschkammer 26 nicht geschnitten wird, wobei selbstverständlich auch eine umgekehrte Anordnung mit Umfassung des Kragens 48 von außen für solche Fälle denkbar ist, in denen die Abmessungen eine untergeordnete Rollen spielen.
Die Funktionsweise eines solchen Schalters ist unter Fachleuten gut bekannt, und es soll hier lediglich nochmals darauf hingewiesen werden, daß die Ausschaltung des Leistungsschalters gemäß Fig. 1 durch Verschiebung der Schaltstange 18 nach unten erfolgt, wodurch der tulpenförmige Hauptkontakt 50 nach unten in eine Trennstellung bezüglich des feststehenden Hauptkontakts 48 verbracht wird. In einer ersten Phase der Ausschaltbewegung des Leistungsschalters bleibt der als Teleskop ausgeführte bewegliche Lichtbogenkontakt 22 durch Wirkung der Feder 44 mit der Elektrode 36 verbunden. Sobald die Hauptkontakte 48, 50 sich getrennt haben, wir die Strombahn auf den Parallelkreis aus beweglichem Lichtbogenkontakt 22 und Spule 34 umgelenkt. Die Trennung der Hauptkontakte 48, 50 erfolgt ohne Lichtbogenbildung, und sobald der Strom auf den Parallelkreis umgeschaltet ist, erzeugt die Spule ein Magnetfeld, das die Löschung des Lichtbogens unterstützt, welcher bei Fortsetzung der Ausschaltbewegung des Leistungsschalters im Augenblick der Trennung der Lichtbogenkontakte 22, 36 entsteht. Der in der Löschkammer 26 abbrennende Lichtbogen bewirkt einen Temperatur- und Druckanstieg des in der Löschkammer vorhandenen Gases, welches durch die Rohrkontakte 20, 24 hindurch in die vom Gehäuse 10 gebildete Ausdehnungskammer strömt. Dabei kommt es zu einer Lichtbogenbeblasung durch den Gasstrom.
Im oben beschrieben Beispiel wird die Spule unmittelbar nach der Trennung der Hauptkontakte 48, 50 in den Stromkreis geschaltet, wobei diese Aufschaltung jedoch selbstverständlich auch in anderer Weise, und zwar insbesondere durch Umlenkung des Lichtbogens auf die Elektrode 36 erfolgen kann. Die Spule 34 kann durch einen Dauermagneten ersetzt werden, und der Gasstrom kann auch nur durch einen der Kontakte hindurch erfolgen.
Erfindungsgemäß sind mehrere Leitstege 56 im Innern der Löschkammer 26 radial entlang der zylindrischen Mantelfläche 28 angeordnet. Die Leitstege 56 können aus leitendem Material oder Isolierstoff bestehen und verlaufen radial um die Längsachse, wobei zum Außenrand der Elektrode 36 bzw. der Spule 34 ein ringförmiger Zwischenraum 58 ausgebildet ist.
Die Löschkammer 26 ist in zwei konzentrisch angeordnete Zonen unterteilt, wobei in der ersten, äußeren Zone 60 die Leitstege angeordnet sind und die zweite, innenliegende Zone 62 zwischen der ersten Zone 60 und der Trennstrecke verläuft. Bei der Trennung der Lichtbogenkontakte 22, 23 entsteht der Lichtbogen 64 entlang der Trennstrecke, und der Zwischenraum 58 ist in der zweiten Zone 62 eingeschlossen.
In Fig. 1 sind die Leitstege 56 an der Bodenplatte 30 sowie an der zylindrischen Mantelfläche 28 befestigt und weisen einen gleichmäßigen rechteckigen Querschnitt auf.
In den Ausführungsvarianten gemäß Fig. 2 und 4 weisen die sechs Leitstege in ihrem der Bodenplatte 30 zugewandten Teil und um die Trennstrecke herum eine gleichmäßige Rechteckform auf, die sich dann kontinuierlich bis zur Mittelebene der zylindrischen Mantelfläche 28 hin verjüngt.
In der Ausführungsvariante gemäß Fig. 3 und 5 sind die drei Leitstege 56 an der gegenüberliegenden Isolierstoff-Bodenplatte 32 befestigt und erstrecken sich fast über die gesamte Höhe der Löschkammer 26, wobei ein geringer Abstand zur zylindrischen Mantelfläche und ein Zwischenraum 58 zur Elektrode 36 hin verbleibt.
Bei der Trennung der Lichtbogenkontakte 22, 23, rotiert der Lichtbogen 64 mit hoher Geschwindigkeit auf der Elektrode 36, wobei sich ein heißer Gasring entlang der Trennstrecke ausbildet. Das erhitzte Gas wird in Drehung versetzt und durch die vom rotierenden Lichtbogen erzeugte Zentrifugalkraft nach außen gegen die Innenwand der Löschkammer getrieben. Durch die Leitstege 56 wird der in der ersten, äußeren Zone 60 verlaufende Gasstrom 66 (siehe Fig. 4) abgebremst, in der zweiten, innenliegenden Zone 62 jedoch nicht. Die Geschwindigkeit v2 des Gasstroms ist also kleiner als die Geschwindigkeit v1 des auf der Elektrode 36 umlaufenden Lichtbogens, wodurch in der zweiten Zone 62 eine Geschwindkeitsdifferenz zwischen dem Lichtbogen 64 und dem Gasstrom 66 entsteht. Diese Geschwindkeitsdifferenz begünstigt den Wärmeaustausch zwischen Lichtbogen und SF6 in der Zone 62 und unterstützt so eine schnelle Löschung des Lichtbogens 64.
Die Leitstege 56 können in bezug auf die Radialebene geneigt sein oder in Form von Turbinenschaufeln oder Propellerflügeln ausgeführt sein.

Claims

1. Leistungsschalter mit Drehlichtbogen in einem dichtgekapselten, mit einem Gas hoher dielektrischer Festigkeit, insbesondere Schwefelhexafluorid, gefüllten Gehäuse (10) mit einem oder mehreren Polen, die folgende Teile umfassen:

- eine Löschkammer (26) mit zwei Lichtbogenkontakten (23, 22), die dazu dienen, bei ihrer Trennung eine Trennstrecke zu bilden,

- Mittel zur magnetischen Beblasung, insbesondere eine Spule (34) oder einen Dauermagneten, die dazu dienen, ein magnetisches Feld zu erzeugen, um den Lichtbogen (64) in Drehung zu versetzen und so durch Zentrifugalwirkung das Gas nach außen gegen die Wand der Löschkammer (26) zu treiben,

- eine Ringelektrode (36) als Wanderungsbahn für den Lichtbogen (64) und

- in der Löschkammer (26) angeordnete Leitstege (56) zur Abbremsung der Rotationsbewegung des Löschgases, dadurch gekennzeichnet, daß die Löschkammer (26) in eine erste, äußere Zone (60) und eine diese Zone konzentrisch umgebende, in der Nähe der Trennstrecke ausgebildete zweite Zone (62) unterteilt ist, daß die Leitstege (56) in der ersten Zone (60) angeordnet sind, um eine Geschwindigkeitsdifferenz zwischen dem Lichtbogen und dem in der zweiten, zum Wärmeaustausch dienenden Zone (62) vorhandenen Löschgas zu erzeugen, und daß die erste Zone (60) mit den Leitstegen (56) durch einen in der zweiten Zone (62) ausgebildeten ringförmigen Zwischenraum (58) vom Außenrand der Elektrode (36) getrennt ist.

2. Leistungsschalter nach Anspruch 1 mit einer Löschkammer (26) aus einer umlaufenden und an ihren beiden Enden durch eine erste und eine zweite Bodenplatte (30, 32) abgeschlossenen Mantelfläche (28), dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtbogenkontakte (22, 23) hohl ausgeführt sind, um nach ihrer Trennung Strömungskanäle für den Gasaustausch zwischen der zweiten Zone (62) und dem als Ausdehnungskammer dienenden Gehäuse (10) zu bilden.

3. Leistungsschalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitstege (56) an die umlaufende Mantelfläche (28) sowie an die erste Bodenplatte (30) stoßen.

4. Leistungsschalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitstege (56) von der zweiten Bodenplatte (32) getragen werden und sich bis in die Nähe der Elektrode (36) erstrecken.

5. Leistungsschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitstege (56) radial in der ersten Zone (60) angeordnet sind.

6. Leistungsschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitstege (56) in bezug auf die Radialebene geneigt sind.

7. Leistungsschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitstege (56) in Form von Turbinenschaufeln oder Propellerflügeln ausgeführt sind.