DE2750762C2 - - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Hochspannungs­ schalter gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Aus der DE-OS 24 04 721 ist bereits ein derartiger Hoch­ spannungsschalter bekannt, bei welchem ein Gehäuse mit Isoliergas, insbesondere mit SF₆, gefüllt ist und minde­ stens ein festes und mindestens ein bewegliches Schalt­ stück aufweist. Das Gehäuse ist unterteilt in einen Verdichtungsraum und einen Entspannungsraum. Das feste Schaltstück ist koaxial von einer zwischen einer Ringelek­ trode und dem festen Schaltstück geschalteten Spule umgeben. Beim Ausschaltvorgang brennt zwischen dem be­ weglichen Schaltstück und der Ringelektrode ein Licht­ bogen, der infolge des Magnetfeldes der nun stromdurch­ flossenen Spule in Rotation gerät und das Isoliergas im Verdichtungsraum aufheizt und auf ein höheres Druckni­ veau bringt. Das bewegliche Schaltstück gibt im weiteren Verlauf der Ausschaltbewegung eine düsenähnliche Öff­ nung frei, durch welche das erhitzte Gas aus dem Verdich­ tungsraum in den Entspannungsraum strömen und dabei den Lichtbogen beblasen kann. Für die Abschaltung kleiner Ströme ist der so entstehende Druck im Verdichtungs­ raum oft nicht ausreichend, deshalb wird durch eine, direkt vom beweglichen Schaltstück betätigte, mechanische Pumpeinrichtung stromunabhängig eine zusätzliche Gasströ­ mung erzeugt, welche die Beblasung des Lichtbogens unter­ stützt.

In der Schrift DE-GM 74 31 789 ist ein weiterer Hochspan­ nungsschalter offenbart, bei dem durch Rotation des Lichtbogens die Aufheizung des Isoliergases in einem Verdichtungsraum möglich ist. Dieser Schalter weist jedoch keine mechanische Pumpeinrichtung auf und ist deshalb für die Beherrschung kleiner Ausschaltströme nur bedingt geeignet.

Ferner ist aus der FR-PS 8 58 497 ein Hochspannungsschal­ ter bekannt, der eine mechanische Pumpeinrichtung auf­ weist, jedoch keine Spule, um den Lichtbogen in Rotation zu versetzen. Der Lichtbogen brennt zwar teilweise in einer Art Verdichtungsraum, das für seine Löschung not­ wendige Löschgas gelangt jedoch hauptsächlich von der mechanischen Pumpeinrichtung her über ein Rückschlagventil in den Verdichtungsraum. Um die insbesondere für hohe Ströme nötige Löschgasströmung zu erzeugen, muß die Pumpeinrichtung ein großes Kompressionsvolumen aufweisen und einen entsprechend kräftigen mechanischen Antrieb.

Für die Abschaltung von Strömen mit niedrigen Frequenzen, z. B. mit 16 ²/₃ Hz, sind alle diese bekannten Anordnungen nur bedingt geeignet, da die hiermit erreichbaren Blaszei­ ten oft kürzer sind als die möglichen Brenndauern des Lichtbogens.

Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Die Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, löst die Aufgabe, einen Hochspannungsschalter zu schaffen, welcher sowohl Ströme mit 16 ²/₃ Hz als auch solche mit 50 Hz oder 60 Hz und sowohl Ströme mit starker, als auch solche mit schwacher Intensität schalten kann.

Der erfindungsgemäße Schalter zeichnet sich dadurch aus, daß das im Kompressionsraum mechanisch verdichtete Gas während des letzten Teiles der Öffnungsbewegung des beweglichen Schaltstückes die Wirkung des durch Erhitzung - auf Grund der vom Lichtbogen herrührenden Energie - verdichteten Gases verstärkt. Hierdurch wird die Blasdauer verlängert und es können sowohl Ströme mit 16 ²/₃ Hz als auch solche mit 50 oder 60 Hz und Ströme mit schwacher und starker Intensität mit einem vergleichsweise schwachen mechanischen Antrieb geschaltet werden.

Weitere vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung können den abhängigen Ansprüchen entnommen werden.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von lediglich einen Ausführungsweg darstellenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Vertikalschnitt durch eine Löschkammer eines Hochspannungsschalters, links das bewegliche Schaltstück in offener, rechts in geschlossener Stellung, und

Fig. 2 eine Löschkammer im Vertikalschnitt gemäß einer zweiten Ausführungsform des Hochspannungsschalters.

In beiden Figuren sind gleich wirkende Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Der Hochspannungsschalter gemäß Fig. 1 weist ein zylindri­ sches Gehäuse 1 aus Isoliermaterial auf, welches eine Löschkammer bildet; diese ist durch einen Deckel 2 dicht verschlossen und mit einem Isoliergas, beispielsweise SF₆ gefüllt.

Im Zentrum des Deckels 2 ist ein zylindrischer Stift 3 aus leitendem Material angeordnet, welcher Anschlußklemme ist für die Stromzufuhr zu einem an sich bekannten feststehenden Schaltstück 4; letzteres ist im Inneren eines zweiten, zylin­ drischen Gehäuses 5 aus Isoliermaterial angeordnet. Der lei­ tende Stift 3 erstreckt sich über eine gewisse Distanz in das Innere des Gehäuses 1 hinein und schließt an seinem unteren Ende mit einem scheibenförmigen Teil 3a ab, unter­ halb dem das feststehende Schaltstück 4 montiert ist. Das zylindrische Gehäuse 5 ist an seinem oberen Teil durch die Scheibe 3 a des leitenden Stiftes 3 verschlossen, und an seinem unteren Teil durch eine mit dem Gehäuse 5 einteilige Wand 5 a verschlossen. Diese Wand 5 a unterteilt die Lösch­ kammer in einen Verdichtungsraum 6 und einen Entspannungs­ raum 7.

Im Verdichtungsraum 6 umgibt eine Spule 11 das feststehende Schaltstück 4. Eines der Spulenenden ist elektrisch mit dem scheibenförmigen Teil 3a verbunden, während das andere Spulenende elek­ trisch mit einer ersten, direkt unterhalb des feststehenden Schaltstücks 4 angeordneten Ringelektrode 12 verbunden ist.

Eine zweite Ringelektrode 18 mit ähnlicher Form wie jener der Ringelektrode 12, jedoch mit einer abwärts gerichteten, leitenden zylindrischen Verlängerung 25 versehen, ist gegenüber der Ringelektrode 12 angeordnet und vollständig vom feststehen­ den Schaltstück 4 isoliert. Die Ringelektrode 18 wird von einer ringförmigen Halterung 19 getragen, die ihrerseits über radiale Speichen 23 mit dem zylindrischen Gehäuse 5 verbunden ist.

Ein zylindrischer Stift 13 aus Isoliermaterial ist koaxial zum feststehenden Schaltstück 4 und den beiden Ringelektro­ den 12 und 18 angeordnet; er ist am leitenden Stift 3 be­ festigt und verlängert diesen somit nach unten.

Das bewegliche Schaltstück 14 wird durch einen zylindrischen Stift aus leitendem Material gebildet, ist koaxial ins Innere des feststehenden Schaltstücks 4 einführbar und kann axial mit schwachem Radialspiel in einer zentralen Bohrung 15 der Wand 5a gleiten; dies geschieht mit bekannten, nicht darge­ stellten Stellorganen. Der Stift des beweglichen Schaltstückes 14 ist über einen bestimmten Teil seiner Länge axial mit einer Bohrung 16 versehen, in welche bei geschlossener Stel­ lung des beweglichen Schaltstiftes 14 der Stift 13 mit schwachem Radialspiel hineinragt. Er ist außerdem mit radialen Bohrungen 17 versehen, über die im Zusammenspiel mit der axialen Bohrung 16 der Verdichtungsraum 6 und der Entspannungsraum 7 miteinander verbunden werden, falls das bewegliche Schaltstück 14 einen gewissen Hub in Öffnungsrichtung zurückgelegt hat. Während des ersten Teiles des Öffnungshubes des beweglichen Schalt­ stückes 14 dient der Stift 13 einem zweifachen Zweck, zum einen als Führung für das bewegliche Schaltstück 14, zum andern, um das vorzeitige Entweichen des verdichteten Gases in den Entspannungsraum 7 zu verhindern.

Starr am beweglichen Schaltstück 14 ist ein axialer Anschlag 32 befestigt, an dem sich eine koaxial zum beweglichen Schalt­ stück 14 montierte Schraubenfeder 31 abstützt. Diese belastet in Aufwärtsrichtung eine Schale 30, welche koaxial zum beweg­ lichen Schaltstück 14 gleiten kann. Die axialen Bewegungen der Schale 30 werden durch einen an ihr angeordneten radi­ alen Finger 33 begrenzt, welcher in einen Längsspalt 34 im beweglichen Schaltstück 14 eingreift.

Das zylindrische Gehäuse 5 ist mit Schrauben 35 am unteren Teil eines Zylinders 36 befestigt, welcher an seinem oberen Teil am Deckel 2 befestigt ist. Im Inneren des Zylinders 36 kann ein beweglicher Ringkolben 37 sowohl am leitenden Stift 3 als auch an der Innenwand des Zylin­ ders 36 gleiten. Der Ringkolben 37 ist in Abwärtsrich­ tung mit einer Schraubenfeder 38 belastet, welche eine geringere Federkraft als die Feder 31 aufweist.

Der Zylinder 36 ist am unteren Teil durch das scheiben­ förmige Teil 3a des leitenden Stiftes 3 verschlossen; dieses scheibenförmige Teil 3 a ist mit Bohrungen 60 für den Gasdurchgang versehen. Die Bohrungen 60 sind mit Rückschlagventilen 39 derart verschlossen, daß durch sie Gas aus dem Pumpraum 40, welcher durch das scheibenförmige Teil 3a und den Ringkolben 37 gebildet wird, nur herausströmen, nicht jedoch hineinströmen kann.

Am Ringkolben 37 befestigte Stifte 41, welche sich parallel zum leitenden Stift 3 und zum beweglichen Schaltstück 14 erstrecken, können in Längsbohrungen 42 des scheiben­ förmigen Teiles 3a und des zylindrischen Gehäuses 5 gleiten. In geschlossener Stellung des beweglichen Schalt­ stückes 14 (rechter Teil der Fig. 1) stehen die Stifte 41 am Anschlag gegen die Schale 30; hierdurch ist eben­ falls der Ringkolben 37 am Anschlag gegen den oberen Flansch 36a des Zylinders 36; die Federn 31 und 38 sind gespannt.

Die Funktionsweise des beschriebenen Hochspannungsschalters gemäß Fig. 1 ist folgende: Rechts in der Figur ist der Schalter in geschlossener Stellung gezeigt. Zum Abschalten des Stromes wird das bewegliche Schaltstück 14 mit einem geeigneten, nicht dargestellten Verstell­ mechanismus abwärts bewegt. Wenn es sich vom feststehen­ den Schaltstück 4 fortbewegt und sein oberes Ende auf die Höhe der Ringelektrode 18 gelangt, bildet sich ein primärer Lichtbogen 27 zwischen dieser Ringelektrode 18 und der mit der Spule 11 verbundenen Ringelektrode 12. Unter der Wirkung des von der Spule 11 erzeugten magneti­ schen Feldes wird der primäre Lichtbogen 27 radial nach außen abgelenkt, längt sich und rotiert im Raum 26 zwischen den Ringelektroden 12 und 18. Die vom primären Lichtbogen ausgehende Wärme heizt das im Verdichtungsraum 6 enthaltene Gas auf und erhöht dessen Druck. Die Bohrung 16 im beweglichen Schaltstück 14 bleibt zunächst durch den Stift 13 verschlossen. Wenn bei der weiteren Abwärts­ bewegung des beweglichen Schaltstückes 14 dessen oberes Ende sich von der zylindrischen Verlängerung 25 der Ringelektrode 18 entfernt, entsteht zwischen dieser Verlängerung 25 und dem oberen Ende des beweglichen Schaltstückes 14 ein sekundärer Lichtbogen 28 (linker Teil der Fig. 1).

In diesem Moment wird die Bohrung 16 im beweglichen Schaltstück 14 nicht mehr durch den Stift 13 verschlossen und die Bohrungen 17 befinden sich auf der Höhe des Entspannungsraumes 7. Die im Verdichtungsraum 6 kompri­ mierten Gase können sich nunmehr mit hoher Geschwindig­ keit in den Entspannungsraum 7 hinein entspannen und dabei den Lichtbogen 28 beblasen.

Parallel zur thermischen Wirkung des primären Lichtbogens 27 hilft zusätzlich ein Teil kolbenverdichteter Gase, den Lichtbogen 28 während des letzten Teiles des Öffnungs­ hubes des beweglichen Schaltstückes 14 zu löschen. In der Tat schleppt das bewegliche Schaltstück 14 nach einer gewissen Zeitverzögerung die Schale 30 abwärts und zwar von dem Moment an, wo die Feder 31, die sich entspannt, nicht mehr die Kraftwirkung der Feder 38 kompensiert. Hierauf fährt der Ringkolben 37 unter der Kraftwirkung der Feder 38 abwärts und verdichtet das Gas im Pumpraum 40. Dieses strömt durch die Öffnungen 60 und die geöffneten Rückschlagventile 39 in den Verdichtungsraum 6 ein und bläst dann den Lichtbogen 28 aus, falls bis dahin die Eigenlöschung durch die heißen, verdichteten Gase noch nicht stattgefunden hat, was insbesondere bei Strömen mit schwacher Intensi­ tät oder niedriger Frequenz, z. B 16 ²/₃ Hz, der Fall sein kann.

Das Schließen des Schalters geschieht durch Hochheben des beweglichen Schaltstückes 14. Bei dieser Aufwärtsbe­ wegung schlägt die Schale 30 an das untere Ende der Stifte 41, wodurch der Ringkolben 37 im Pumpraum 40 angehoben wird. Frischgas gelangt dabei in den Pumpraum 40 über Bohrungen 43 im Zylinder 36, über radiale Kanäle 44 in einem äußeren Kragen 37 a des Ring­ kolbens 37 und über eine in einer Bohrung des Ringkolbens 37 angeordneten Rückschlagklappe 45.

Eine zweite Ausführungsform ist in Fig. 2 gezeigt. Im Gegensatz zur Fig. 1, in welcher der Zylinder 36 am Deckel 2 des zylindrischen Gehäuses 1 befestigt war, wird er von einer Abstandshülse 47 in einer festen Distanz zum Boden 46 des Gehäuses 1 getragen. Der bewegli­ che Ringkolben 37 kann im Innern des Zylinders 36 auf einem Schaft 48 gleiten, welcher eine axiale Verlängerung des beweglichen Schaltstückes 14 ist und mit diesem über einen Isolator 49 verbunden ist.

In geschlossener Schalterstellung wird der Ringkolben 37 durch die Feder 38 in Kontakt mit einem am Schaft 48 angeordneten, axialen Anschlag 50 gehalten, wobei die Feder 38 sich an einem weiteren, am Schaft 48 oder am Isolator 49 angeordneten, axialen Anschlag 51 abstützt. Die Feder 31 ist in dem Pumpraum 40 zwischen dem Ringkolben 37 und dem Boden 36 b des Zylinders 36 untergebracht. Wie in der Ausführung gemäß Fig. 1 weist die Feder 31 eine größere Federkraft auf als die Feder 38, jedoch sind bei geschlossenem Schalter beide Federn nicht mehr vollständig, sondern nur leicht gespannt.

Das untere Teil des Pumpraumes 40 ist mit dem Verdichtungsraum 6 über eine Leitung 52 verbunden, in welcher das Rückschlagventil 39 angeordnet ist. In der Zone, in die das Löschgas hineinströmt, ist die Leitung 52 mit einer feuerfesten Schutzhülle 53 ummantelt.

Die Funktionsweise des in Fig. 2 gezeigten Hochspannungs­ schalters ist nahezu die gleiche wie jene des in Fig. 1 dargestellten. Gegenüber der Abwärtsbewegung des bewegli­ chen Schaltstückes 14 und des Schaftes 48 vollzieht sich die Abwärtsbewegung des Ringkolbens 37 mit einer gewissen Zeitverzögerung. Dadurch, daß die Feder 31 die größere Kraft hat, wird während des ersten Teiles des Abwärtshubes des Schafts 48 zunächst nur die Feder 38 zusammengedrückt, ohne daß sich der Ringkolben 37 bewegt. Sowie die Kräfte beider Federn sich ausgleichen, komprimiert der Ringkolben 37 das im Pumpraum 40 enthaltene Gas, welches über das Rückschlagventil 39 in den Verdichtungsraum 6 gelangt und dort dem durch Erwärmung komprimierten Gas zugeführt wird, um die Licht­ bogen-Löschung zu vollenden, falls diese noch nicht stattgefunden hat.

Bei beiden beschriebenen Ausführungen kann das Einsetzen der Wirkung der mechanischen Pumpeinrichtung weiter verzögert werden, indem die Rückschlagventile 39 als tarierte Klappen ausgebildet sind, die erst dann öffnen, wenn die Druckdifferenz zwischen Verdichtungsraum 6 und Pumpraum 40 einen vorbestimmten Wert über­ steigt.

Claims (3)

1. Hochspannungsschalter mit

• a) einem mit Isoliergas gefüllten Gehäuse (1), das in einen Verdichtungsraum (6), einen Entspannungsraum (7) und einen Pump­ raum (40) unterteilt ist,
• b) einem im Verdichtungsraum angeordneten feststehenden Schaltstück (4), das von einer Ringelektrode (12) und einer zwischen Ringelektrode (12) und feststehendem Schaltstück (4) geschalteten Spule (11) umgeben ist,
• c) einem koaxial zum feststehenden Schaltstück (4) angeordne­ ten beweglichen Schaltstück (14), das mit dem feststehenden in und außer Kontakt bringbar ist,
• d) einem im Pumpraum (40) koaxial zu den Schaltstücken (4, 14) angeordneten Ringkolben (37), der durch das bewegliche Schalt­ stück (14) betätigt wird, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
• e) am Ringkolben (37) greift in Ausschaltrichtung des bewegli­ chen Schaltstücks (14) eine erste Schraubenfeder (38) an,
• f) eine zweite Schraubenfeder (31) wirkt mit ihrem einen Ende auf die der ersten Schraubenfeder (38) abgewandte Seite des Ringkolbens (37) und mit ihrem anderen Ende auf das bewegliche Schaltstück (14),
• g) die zweite Schraubenfeder (31) ist während eines bestimmten Ausschalthubes des beweglichen Schaltstücks (14) stärker als die erste (38),
• h) nach dem bestimmten Ausschalthub des beweglichen Schalt­ stücks (14) folgt der Ringkolben (37) diesem nach,
• i) der Pumpraum (40) ist über mindestens ein in Richtung auf den Verdichtungsraum (6) öffnendes Rückschlagventil (39) mit diesem verbunden.

2. Hochspannungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das bewegliche Schaltstück (14) eine axial erstreckte Bohrung (16) sowie die axiale Bohrung (16) im Ausschaltzustand mit dem Entspannungsraum (7) verbindende radiale Bohrungen (17) aufweist, und daß im Zentrum des festen Schaltstückes (4) ein Stift (13) befestigt ist, welcher die axiale Bohrung (16) beim Ausschalten während des ersten Teiles des Öffnungshubes des beweglichen Schaltstücks (14) verschließt.

3. Hochspannungsschalter nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Stift (13) aus Isoliermaterial besteht.