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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine gasisolierte Schaltvorrichtung
für Hoch-
oder Mittelspannungsanwendungen, d.h. für Spannungen über 1000
Volt, welche eine Düse
aufweist.
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Wie
auf diesem Fachgebiet allgemein bekannt ist, weisen gasisolierte
Schaltvorrichtungen für Hoch-
und Mittelspannungsanwendungen normalerweise einen feststehenden
Lichtbogenkontakt und einen beweglichen Lichtbogenkontakt auf; es
ist ebenfalls bekannt, dass mehrere Typen von Gas-Schaltvorrichtungen
für Hoch-
und Mittelspannungsanwendungen zusätzlich einen sogenannten feststehenden Haupt-
oder Permanentkontakt und einen entsprechenden beweglichen Haupt-
oder Permanentkontakt aufweisen können, durch die der Strom hauptsächlich fließt, wenn
sich die Gas-Schaltvorrichtung in
einer geschlossenen Stellung befindet.
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Bei
beiden Lösungen
schlagen während Operationen
des Öffnens
und Schließens
für gewöhnlich elektrische
Lichtbögen
zwischen den Lichtbogenkontakten über; eine Düsenanordnung ist im Allgemeinen
um die Lichtbogenkontakte herum positioniert, um die Bogenbildungszone
zu begrenzen und die potenziell negativen Auswirkungen von solchen
elektrischen Lichtbögen
zu begrenzen. Mit Hilfe der Düsenanordnung
wird eine ausreichende Gasströmung
in der Bogenbildungszone erzielt, so dass die Lichtbogenkontakte
auf ausreichende Weise gekühlt
werden und Wärme
abgeführt
wird; hierdurch wird es ermöglicht,
eine Stromkreisunterbrechung über
das gesamte erforderliche Unterbrechungsfenster hinweg durchzuführen, und
zwar für
Ströme
bis hin zur Kurzschlussabschaltleistung.
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Gegenwärtig weisen
bekannte Düsenanordnungen
einige Nachteile auf, insbesondere was ihren konstruktiven Aufbau,
ihre Herstellung, wie auch ihre Montage in Schaltvorrichtungen betrifft.
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Bekannte
Düsenanordnungen
werden nämlich
im Allgemeinen mit Hilfe mehrerer verschiedener Teile ausgeführt, in
der Hauptsache eines aus Isoliermaterial gefertigten konvergierend-divergierenden Körpers, einer
sogenannten Blaskappe ("puffer cap"), und anderer zusätzlicher
Bauteilen für
die Herstellung der mechanischen Verbindungen. Insbesondere wird
der Isolator im Allgemeinen unter Verwendung eines Zylinders aus
einem Ausgangsmaterial ausgeführt,
der z.B. mit einer Drehmaschine spanabhebend bearbeitet wird, um
die gewünschte
Formgebung zu erhalten; als Alternative wird das Ausgangsmaterial
zuerst vorgeformt, wodurch eine grobe Formgebung erhalten wird,
und daraufhin mit geeigneten Werkzeugen spanabhebend geformt. In
beiden Fällen
wird eine Menge von Ausgangsmaterialien verschwendet, und die spanabhebende
Bearbeitung ist für
gewöhnlich
schwierig und zeitraubend.
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Somit
sind die Kosten und die Herstellungszeit nicht optimiert, während die
Montage im Inneren der Schaltvorrichtung auf Grund der Verwendung verschiedener
Teile ziemlich umständlich
und in mechanischer Hinsicht kompliziert ist. Insbesondere wenn
die Hauptkontakte vorhanden sind, wird die Düsenanordnung mit Hilfe von
mechanischen Verbindungseinrichtungen an der beweglichen Ausstattung des
beweglichen Hauptkontaktes angebracht, wie z.B. in dem Patent
US 5,939,692 beschrieben
ist; diese Lösung
ist nicht nur komplizierter, sondern noch dazu eindeutig ungeeignet,
wenn die Schaltvorrichtung nur die Lichtbogenkontakte aufweist,
was die Anwendung anderer konstruktiver Lösungen zwingend erforderlich
macht und keine ausreichende Flexibilität besitzt.
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Ein
Beispiel für
einen Druckgas-Leistungsschalter gemäß dem Oberbegriff von Anspruch
1 ist im US-Patent Nr. 4,420,662 offengelegt, das eine an dem feststehenden
Kontaktteil befestigte Düse
beschreibt.
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Schließlich können Gas-Schaltvorrichtungen für Hoch-
und Mittelspannungsanwendungen ferner eine elektrisch leitende Abschirmung
aufweisen, die ausserhalb der Düsenanordnung
positioniert und betriebsmäßig mit
dieser verbunden ist, um die elektrische Feldverteilung in der Bogenbildungszone
und in deren Umgebung zu optimieren. Somit wird auch diese Funktion
für gewöhnlich mit
Hilfe eines zusätzlichen
speziellen Bauteils erfüllt
und resultiert in einer Raumbelegung im Inneren der Vorrichtung,
die nicht optimiert ist.
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Als
Alternative wird der bewegliche Hauptkontakt bei vorliegenden Hauptkontakten
spanabhebend bearbeitet, so dass er eine Form besitzt, welche die
Abschirmfunktion erfüllt;
in diesem Fall muss besondere Sorge getragen werden, wenn die Kontakte geformt
und am Aufbau der Schaltvorrichtung montiert werden, um Beschädigungen
zu vermeiden. Dies resultiert eindeutig in einer starken Komplizierung
der Mechanik des beweglichen Hauptkontaktes sowie beim Zusammenbau
der Schaltvorrichtung, und in Folge dessen in einer Zunahme der
Herstellungszeit und -kosten.
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Das
Hauptziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Gas-Schaltvorrichtung
für Hoch- oder Mittelspannungsanwendungen
zur Verfügung
zu stellen, die es ermöglicht,
die oben genannten Nachteile zu überwinden,
und die insbesondere einen optimierten Aufbau besitzt und im Vergleich
mit bekannten Düsen auf
einfache Weise verwirklicht werden kann.
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Im
Umfang dieses Zieles ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
eine Gas-Schaltvorrichtung
für Hoch-
oder Mittelspannungsanwendungen zur Verfügung zu stellen, die in der
Lage ist, verschiedene Betriebsfunktionen mit einer verringerten
Anzahl von mechanischen Teilen zu erfüllen.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Gas-Schaltvorrichtung
für Hoch- oder
Mittelspannungsanwendungen zur Verfügung zu stellen, die es ermöglicht,
die Montage einer Düse im
Inneren der Schaltvorrichtung zu vereinfachen.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Gas-Schaltvorrichtung
für Hoch- oder
Mittelspannungsanwendungen zur Verfügung zu stellen, die eine hohe
Zuverlässigkeit
besitzt, und die vergleichsweise einfach und mit wettbewerbsfähigen Kosten
ausgeführt
werden kann.
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Dieses
Ziel, diese Aufgaben und dergleichen, die aus dem Nachfolgenden
ersichtlich werden, werden durch eine Schaltvorrichtung für Mittel- oder
Hochspannungsanwendungen erreicht, die zumindest eine beweglichen
Lichtbogenkontakt und eine entsprechenden feststehenden Lichtbogenkontakt
aufweist, sowie eine Düse
mit einem hohlen Formkörper,
die im Inneren der Vorrichtung um diejenige Zone herum positioniert
ist, in der sich während Schaltoperationen
elektrische Lichtbögen
zwischen den Lichtbogenkontakte bilden, wobei der hohle Formkörper einen
elektrisch leitenden ersten Abschnitt und einen aus elektrisch isolierendem
Material gefertigten, zweiten Abschnitt, der den ersten Abschnitt
zumindest teilweise umgibt, aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass
der hohle Formkörper
mechanisch unmittelbar an dem beweglichen Lichtbogenkontakt befestigt
ist.
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Weitere
Merkmale und Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung einiger
bevorzugter, aber nicht ausschließlicher Ausführungsformen
einer erfindungsgemäßen Düse, die lediglich
durch nicht-einschränkende
Beispiele mit der beigefügten
Zeichnung von 1 veranschaulicht ist; bei dieser
handelt es sich um eine Querschnittansicht von oben, welche die
erfindungsgemäße, im Inneren
der Unterbrechungseinheit eines Leistungsschalters verwendete Düse schematisch
veranschaulicht.
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Die
erfindungsgemäße Gas-Schaltvorrichtung
ist insbesondere zur Verwendung in Mittel- oder Hochspannungsschaltungsanwendungen
geeignet und wird unter Bezugnahme auf ihre Verwendung beschrieben,
wodurch ihre möglichen
Anwendungen jedoch keineswegs eingeschränkt werden sollen.
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1 veranschaulicht
schematisch einen Teil der Unterbrechungseinrichtungen eines Leistungsschalters
in einer geöffneten
Position; gemäß der Darstellung
weist der Leistungsschalter auf: eine Blaskammer 10, einen
feststehenden Lichtbogenkontakt 1, der beispielsweise mittels
einer leitfähigen Stange
ausgeführt
ist, einen beweglichen Lichtbogenkontakt 2, der beispielsweise
aus einer hohlen Metallröhre
besteht, die betriebsmäßig mit
einer geeigneten Betätigungseinrichtung
(nicht dargestellt) verbunden ist, welche dazu ausgelegt ist, den
beweglichen Lichtbogenkontakt während
Operationen zwischen einer ersten Position, in der er mit dem feststehenden
Lichtbogenkontakt 1 elektrisch gekoppelt ist, und einer
zweiten Position, in der er von diesem getrennt ist, verschiebt.
Die Unterbrechungseinrichtungen sind normalerweise im Inneren eines
Gehäuses
(nicht dargestellt) angeordnet, das beispielsweise aus Porzellan
oder anderen geeigneten, polymeren Verbundmaterialien besteht und
mit Isoliergas, z.B. SF6, befüllt ist.
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Unter
normalen Betriebsbedingungen sind die beiden Lichtbogenkontakte 1 und 2 elektrisch
mit dem Kopf des feststehenden Kontaktes 1 gekoppelt, der
im Inneren des röhrenförmigen Körpers des
beweglichen Lichtbogenkontaktes 2 aufgenommen ist; wenn
ein Öffnen
des Unterbrechers stattfindet (Richtung der beweglichen Ausstattung
gemäß dem Pfeil 3),
schlägt
ein elektrischer Lichtbogen normalerweise an der Zone 20 über, wo
sich die beiden Lichtbogenkontakten von einander zu trennen beginnen;
eine geeignete Düse
ist um die Zone 20 herum angeordnet, in der die Lichtbögen überschlagen,
um sie zu löschen
und ihre Auswirkungen zu beschränken.
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Auf
vorteilhafte Weise weist die erfindungsgemäße Düse einen hohlen Formkörper 100 auf,
der bevorzugt eine im Wesentlichen zylindrische Symmetrie besitzt,
und weist einen elektrisch leitenden ersten Abschnitt 101 auf,
sowie einen zweiten Abschnitt 102, der aus im Wesentlichen
elektrisch isolierendem Material gefertigt ist und den ersten Abschnitt 101 zumindest
teilweise umgibt.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform besteht
die Düse
aus einem einzelnen, einstückigen Körper, wobei
der erste Abschnitt 101 in den zweiten Abschnitt 102 eingebaut
ist.
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Ferner
ist der erste Abschnitt 101 vorteilhaft so geformt, dass
er als eine elektrische Abschirmung wirkt; insbesondere besitzt
der erste Abschnitt 101 bevorzugt im Wesentlichen eine
Ringform, beispielsweise einen geformten, ringförmigen Körper oder einen geformten Ring,
der an einem Innenumfang des hohlen Körpers angeordnet ist, und der
zweite Abschnitt 102 umgibt den ersten Abschnitt 101,
ohne ihn vollständig
zu umschließen,
d.h. er ist so geformt, dass die innere Grenzfläche 120 des ringförmigen Körper nicht
an dem zweiten Abschnitt anliegt, sondern unbedeckt bleibt. Dies
ermöglicht
den Erhalt einer gleichförmigen
elektrischen Feldverteilung zwischen den offenen Lichtbogenkontakten
und deren Umgebung sowie eine Optimierung der Abschirmfunktion gemäß einer
einfachen und funktional optimierten Lösung.
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Der
zweite Abschnitt 102 weist einen unteren Spitzenteil 103 auf,
dessen Profil so geformt ist, dass er als eine Blaskappe wirkt,
d.h. während
des Öffnens
dient er als Kolben und komprimiert das Gas im Inneren der Kammer 10,
wodurch er eine Strömung des
Gases durch die Düse
selbst ermöglicht.
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Bevorzugt
ist der zweite Abschnitt 102 aus formbarem Isoliermaterial
wie etwa einem Thermoplastharz gefertigt, das in der Lage ist, Bedingungen einer
hohen Temperatur und eines hohen Druckes zu widerstehen; auf diese
Weise kann der zweite Abschnitt 102 des Körpers der
erfindungsgemäßen Düse vorteilhaft
unmittelbar durch Spritzgießen
hergestellt werden, was eine geeignete Formung des zweiten Abschnitts
auf eine relativ leichte und kostengünstige Weise ermöglicht.
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Geeignete
formbare Isoliermaterialien für den
zweiten Abschnitt 102 sind beispielsweise Verbindungen
auf Fluorbasis, bevorzugt ein fluoriertes Ethylen-Propylen-Copolymer, das im
Handel als FEP bekannt ist, oder Perfluoralkoxy-Polymere, die im Handel
als PFA bekannt sind, und die beide von DuPont oder von Dyneon hergestellt
werden, oder Mischungen von diesen. Insbesondere geeignet für die Verwendung
im zweiten Abschnitt 102 sind Materialien der Familie von
PFA, die ein Copolymer von Tetrafluorethylen und einem Perfluor-Propylvinylether aufweisen
und die im Handel als Hyflon PFA bekannt sind, oder ein Perfluor-Methylvinylether,
das im Handel als Hyflon MFA bekannt ist, und die beide von Solvay
hergestellt werden.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
ist der erste Abschnitt 101 ebenfalls unter Verwendung eines
formbaren leitfähigen
Materials ausgeführt
und weist eine isolierende Matrix und einen Füllstoff auf. Die isolierende
Matrix ist mittels eines Materials hergestellt, das aus den für den zweiten
Abschnitt 102 angegebenen Materialien, z.B. FEP, PFA, oder
Mischungen aus diesen ausgewählt
ist; vorteilhaft sind beide Abschnitte 101 und 102 unter
Verwendung des gleichen formbaren Isoliermaterials ausgeführt.
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Der
Füllstoff
wiederum besteht aus einem oder mehr elektrisch leitenden Materialien,
beispielsweise Graphit oder Carbon oder supraleitfähigem Carbon
oder Mischungen aus diesen, bevorzugt in Form von Pulver oder Körnern mit
geeigneten Abmessungen, die in dem Bereich von Nanometern bis Millimetern
ausgewählt
sind. Um eine geeignete Leitfähigkeit
und Stabilität
des Materials zu gewährleisten,
wird das Volumen des Füllstoffs
in dem Bereich zwischen 0,1% und 40%, bevorzugt zwischen 0,5% und
35%, insbesondere bevorzugt zwischen 1% und 30% des Gesamtvolumens
des ersten Abschnitts gewählt.
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Gemäß dieser
Ausführungsform
wird die Düse
bevorzugt durch gemeinsames Spritzgießen der die zwei Abschnitte
bildenden Materialien in einem einzelnen Formwerkzeug gefertigt;
dies ermöglicht
es, die Düse
gemäß einem
Verfahren, das äusserst
einfach ist, und im Vergleich mit bekannten Lösungen mit niedrigeren Kosten
herzustellen.
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Als
Alternative kann der erste Abschnitt 101 vollständig aus
einem ringförmigen
metallischen Teil bestehen; gemäß dieser
Lösung
wird die Düse
hergestellt, indem der erste Abschnitt 101 in einem Formwerkzeug
angeordnet wird, und daraufhin das formbare Isoliermaterial des
zweiten Abschnitts 102 unmittelbar auf diesen aufgespritzt
wird.
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Wie
vorausgehend erwähnt
wurde, ist die erfindungsgemäße Düse für Anwendungen
mit verschiedenen Typen von gasisolierten Hoch- oder Mittelspannungs-Schaltvorrichtungen,
insbesondere Leistungsschaltern, geeignet; in Folge dessen betrifft die
vorliegende Erfindung auch eine gasisolierte Hoch- oder Mittelspannungsschaltvorrichtung,
welche eine Düse
gemäß der vorausgehenden
Beschreibung aufweist.
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Wie
vorausgehend erwähnt
wurde, ist die Düse
um die Lichtbogenkontakte 1 und 2 herum positioniert,
und zwar wenn sie elektrisch mit einander gekoppelt sind, um die
Zone 20 zu begrenzen, in der sich die elektrischen Lichtbögen während Öffnungs- und
Schließoperationen
zwischen ihnen bilden; gemäß einer
besonders bevorzugten Ausführungsform, die
in 1 gezeigt ist, ist die Düse mit Hilfe von Verbindungseinrichtungen 110 mechanisch
unmittelbar an dem beweglichen Lichtbogenkontakt 2 befestigt. Dadurch
sind die Zusammenbauschritte im Vergleich mit bekannten Lösungen bedeutend
vereinfacht; ferner ist diese Lösung
von dem Vorhandensein der sogenannten Haupt- oder Permanentkontakte
unabhängig,
was somit in einer größeren Flexibilität von Anwendungen
und in einer Verringerung der Gesamtherstellungskosten resultiert.
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Die
Düse ist
mechanisch unmittelbar an dem beweglichen Lichtbogenkontakt 2 befestigt
mit Hilfe von leitfähigen
Verbindungseinrichtungen 110, z.B. metallischen Schraubeinrichtungen
oder Nägeln oder
Nieten, die vorteilhaft so gestaltet und positioniert sind, dass
sie den ersten Abschnitt 101 elektrisch mit dem Lichtbogenkontakt 2 verbinden;
auf diese Weise liegt an dem leitfähigen Teil der Düse die gleiche
Spannung wie an dem beweglichen Lichtbogenkontakt 2 an,
wodurch die elektrische Abschirmwirkung ermöglicht wird.
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Auf
diese Weise erfüllen
die Verbindungseinrichtungen 110 gleichzeitig sowohl mechanische
als auch elektrische Funktionen, mit einer sich hieraus ergebenden
weiteren Vereinfachung der Ausführung und
des Zusammenbaus der Schaltvorrichtung, gemäß einer äusserst kompakten Konstruktionslösung.
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In
der Praxis hat es sich gezeigt, dass die Düse gemäß der vorliegenden Erfindung
die angestrebten Ziele und Aufgaben vollständig erfüllt, was mehrere Vorteile im
Hinblick auf Lösungen
des Standes der Technik zur Verfügung
stellt. Wie vorausgehend beschrieben wurde, ist die Düse nämlich als
ein einzelner Körper
ausgeführt,
der dank seines innovativen Aufbaus in der Lage ist, mehrere Funktionen
zu erfüllen,
die im Stand der Technik statt dessen durch mehrere verschiedene
Elemente erfüllt
werden; insbesondere ist die Düse
gemäß der vorliegenden
Erfindung in der Lage, gleichzeitig nicht nur als Teile eines Lichtbogenelementes,
sondern auch als eine elektrische Abschirmung, und auch als eine
Blaskappe zu dienen. Ferner kann sie mit Hilfe von äusserst vereinfachten
Herstellungsoperationen verwirklicht werden, wodurch bedeutsame
Einsparungen im Hinblick auf Material, Zeit und Produktionskosten
erzielt werden.
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Schließlich sind
ihr Zusammenbau im Inneren einer Gas-Schaltvorrichtung sowie Verbindungen mit
deren anderen Bauteilen sehr einfach, funktional wirkungsvoll und
schnell, mit einer optimierten Belegung des Innenraumes. Dies resultiert
in einer insgesamt verbesserten Schaltvorrichtung.
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An
der Düse
und der auf diese Weise konzipierten, dazu gehörige Schaltvorrichtung können daher
Modifikationen und Variationen vorgenommen werden, die sämtlich innerhalb
des Bereiches des erfindungsgemäßen Grundgedankens
liegen; alle Details können
ferner durch technisch äquivalente
Elemente ersetzt werden. Beispielsweise könnte der elektrisch leitende
Abschnitt vollständig
im Inneren des zweiten Abschnitts 102 eingebaut und vollständig von
diesem abgedeckt sein.