WO2008055753A1

WO2008055753A1 - Hochspannungsleistungsschalter mit rotierendem schaltlichtbogen

Info

Publication number: WO2008055753A1
Application number: PCT/EP2007/060770
Authority: WO
Inventors: Patrick Huguenot; Jochen Kiefer; Thomas Schoenemann; Markus Keller; Zoran Andjelic
Original assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Current assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Priority date: 2006-11-07
Filing date: 2007-10-10
Publication date: 2008-05-15
Anticipated expiration: 2009-05-07
Also published as: CN101536129A; DE502007003969D1; ATE469431T1; EP2087498A1; EP2087498B1

Abstract

Der Hochspannungsleistungsschalter enthält ein isoliergasgefülltes Gehäuse (10) und ein Heizvolumen (14) zur Aufnahme von komprimiertem Löschgas. Das Löschgas wird beim Unterbrechen eines Stroms (I) kleiner, mittlerer oder grosser Stromstärke jeweils durch einen rotierenden Schaltlichtbogen (S), der einer stromabhängigen magnetischen Flussdichte (B) ausgesetzt ist, aufgeheizt und unter Druck gesetzt. Im Gehäuse (10) sind zwei längs einer Achse (A) relativ zueinander verschiebbare Schaltstücke (20, 30) angeordnet, von denen eines (30) in koaxialer Anordnung einen Lichtbogenkontakt (31), einen Lichtbogenlaufring (15) und eine den Lichtbogenkontakt (31) umgebende Spule (C) aufweist. Die Spule (C) ist mit dem Lichtbogenlaufring (15) elektrisch leitend verbunden und führt den zu unterbrechenden Strom (I). Die Spule (C) weist zwei gegensinnig gewundene Wicklungen (40, 50) auf. Diese Wicklungen sind derart ausgebildet und angeordnet, dass die zur Rotation des Schaltlichtbogens (S) beitragende Komponente der magnetischen Flussdichte (B) am Ort des Lichtbogenlaufrings (15) beim Unterbrechen eines Stroms grosser Stromstärke kleiner ist als bei einem gleich ausgebildeten, aber eine gleichsinnig gewickelte Spule (C) aufweisenden Schalter. Das Heizvolumen (14) kann daher klein bemessen und dementsprechend der Schalter kompakt ausgebildet sein.

Description

Hochspannungsleistungsschalter mit rotierendem Schaltlichtbogen

TECHNISCHES GEBIET

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Hochspannungsleistungsschalter nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.

Bei einem Schalter der vorgenannten Art wird die Energie eines in einem Magnetfeld rotierenden Schaltlichtbogens ausgenutzt, um ein zur Beblasung des Schaltlichtbogens vorgesehenes Löschgas zu erzeugen. Der Schaltlichtbogen rotiert hierbei in einem Gehäuse, welches mit einem Isoliergas mit einen bis zu einigen bar betragenden Druck gefüllt ist. Das Löschgas wird in einem

Heizvolumen gespeichert, welches über einen im allgemeinen ringförmigen Kanal mit einer den Schaltlichtbogen aufnehmenden Lichtbogenzone verbunden ist.

STAND DER TECHNIK

Ein Schalter der eingangs genannten Art ist beschrieben in EP 0 731 482 A2. Dieser Schalter weist einen in einem isoliergasgefüllten Gehäuse angeordneten Leistungsstrompfad auf mit zwei längs einer Achse relativ zueinander verschiebbare Schaltstücken, von denen eines in koaxialer Anordnung einen Lichtbogenkontakt, einen Lichtbogenlaufring und eine den Lichtbogenkontakt umgebende Zylinderspule aufweist. Durch diese Spule fliesst beim Ausschalten der abzuschaltende Strom. Das Magnetfeld dieses Strom wirkt auf einen beim Öffnen des Leistungsstrompfads auf dem Lichtbogenlaufring fussenden Schaltlichtbogen. Unter dem Einfluss elektrodynamischer Kräfte rotiert nun der auf dem Laufring gehaltene Schaltlichtbogen um die Achse und heizt das Isoliergas auf. Hierbei gebildetes Druckgas wird aus der den Schaltlichtbogen aufnehmenden Lichtbogenzone in ein Heizvolumen geführt. Bei Annäherung des abzuschaltenden Stroms an einen Nulldurchgang strömt dann das Druckgas aus dem Heizvolumen in die Lichtbogenzone und bebläst den Schaltlichtbogen solange bis der abzuschaltende Strom unterbrochen ist. Beim Ausschalten grosser Ströme und bei langen Lichtbogenzeiten wird so sehr viel stark komprimiertes, heisses Druckgas gebildet. Da dieses Gas ins Heizvolumen geführt wird, muss dieses vergleichsweise gross und robust ausgebildet sein, obwohl für das erfolgreiche Beblasen des Schaltlichtbogens eigentlich garnicht soviel Löschgas benötigt wird. Daher ist bei diesem Schalter die Spule zumindest teilweise kurzschliessbar ausgebildet. Beim Schalten grosser Ströme wird dann durch teilweises oder vollständiges Kurzschliessen der Spule die Grosse des Magnetfelds herabgesetzt und so die Bildung von Druckgas gegebenenfalls drastisch reduziert. Der Rauminhalt des Heizvolumen kann so in fertigungstechnisch vorteilhafter Weise gering gehalten werden.

Ein weiterer Schalter, bei dem zum Unterbrechen eines Stroms die Rotation des Schaltlichtbogens im magnetischen Feld einer vom zu unterbrechenden Strom durchflossenen Spulenanordnung ausgenutzt wird, ist in FR 2 418 962 A beschrieben. Die Spulenanordnung weist zwei auf einer gemeinsamen Achse angeordnete Spulen mit gegenläufig gewundenen Wicklungen auf.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Der Erfindung, wie sie in den Patentansprüchen angegeben ist, liegt die Aufgabe zugrunde, den Schalter der eingangs genannten Art zu vereinfachen.

Beim Schalter nach der Erfindung weist die Spule zwei gegensinnig gewundene Wicklungen auf, welche unter Bildung einer Innen- und einer Aussenwicklung konzentrisch angeordnet sind, und ist in koaxialer Anordnung zwischen dem Lichtbogenkontakt und der Innenwicklung eine ferromagnetische erste Hülse vorgesehen. Dadurch wird beim Unterbrechen eines kleinen Stroms die magnetische Flussdichte am Ort des Lichtbogenlaufrings wirksam erhöht. Dies ist dadurch bedingt, dass die ferromagnetische Hülse dann durch das magnetische Feld der den kleinen Strom führenden Spule magnetisch noch nicht gesättigt ist. Die magnetische Flussdichte am Ort des Lichtbogenlaufrings und damit auch die elektromagnetische Kraft auf den Schaltlichtbogen nehmen daher proportional mit dem Strom zu, so dass der Druck des Löschgases proportional der Stärke des zu unterbrechenden kleinen Stroms wächst. Beim Schalten eines grossen Stoms ist die ferromagnetische Hülse hingegen magnetisch gesättigt. Die magnetische Flussdichte am Ort des Lichtbogenlaufrings wächst dann mit steigender Stromstärke langsamer als beim Unterbrechen eines kleinen Stroms, da sich bei gesättigtem ferromagnetischem Kern die magnetische Flussdichte nun auf alle Materialien, egal ob Ferromagnetikum, Stromleitermaterial oder umgebende Luft, gleichmässig verteilt. Zugleich beeinflusst nun das Magnetfeld der Aussenwicklung das entgegengesetzt gerichtete Feld der Innenwicklung stärker als zuvor beim Unterbrechen eines kleinen Stroms. Am Ort des Lichtbogenlaufrings verändert sich nun die Richtung der magnetischen Flussdichte und nimmt dabei der Winkel zwischen magnetischer Flussdichte und Richtung des im Schaltlichtbogen geführten Stroms ab. Auf den Schaltlichtbogen wirkt dann eine geringere elektrodynamische Kraft als bei einem Schalter nach dem Stand der Technik, der bis auf die Struktur der Spule identisch ausgebildet ist, bei dem aber die Spule keine gegensinnig gewundenen Wicklungen aufweist. Beim Unterbrechen grosser Ströme wird daher ein Löschgas mit einem geringeren

Druck entwickelt als beim vergleichbaren Schalter nach dem Stand dem Technik.

Da eine gegensinnig gewundene Wicklungen aufweisende Spule leicht herstellbar ist, kann das Heizvolumen unter Verwendung einfacher Mittel klein gehalten und dementsprechend der Schalter platzsparend ausgebildet und kostengünstig gefertigt werden.

Bei einer als Generatorschalter ausgebildeten Ausführungsform des erfindungsgemässen Schalters kann so beim Unterbrechen kleiner, typischerweise 5 bis 25 kA betragender, Ströme ein bis zu 20% höheres Magnetfeld am Ort des Lichtbogenlaufrings erreicht werden als bei einem vergleichbar dimensionierten Schalter, jedoch ohne Gegenwicklung. Entsprechend wird beim Schalten grosser, typischerweise 150 bis 300 kA betragender, Ströme das Magnetfeld gegenüber dem Vergleichsschalter nach dem Stand der Technik um bis zu 40% reduziert, während es sich beim Schalten mittlerer, typischerweise 50 bis 100 kA betragender, Ströme nur unwesentlich gegenüber dem Stand der Technik ändert.

Damit die Spule bei einfachem Aufbau die beim Schalten grosser Ströme auftretenden beachtlichen mechanischen Kräfte aufnehmen kann, sollte die Innenwicklung eine grossere Anzahl an Windungen aufweisen als die Aussenwicklung. Darüber hinaus empfiehlt es sich, aus Gründen einer einfachen Fertigung und einer hohen mechanischen Festigkeit vom Lichtbogenlaufring abgewandte Stirnflächen der Innen- und der Aussenwicklung über einen Stromleiter elektrisch leitend miteinander zu verbinden, dem Lichtbogenlaufring zugewandte Stirnflächen der Innen- und der Aussenwickung jeweils nach Art eines Rings auszubilden und den Stromanschluss der Innenwicklung in elektrisch leitender Weise mit dem Lichtbogenlaufring zu verbinden.

Der vorgenannte Stromleiter ist mit Vorteil nach Art eines Rings ausgebildet. Vom Lichtbogenlaufring abgewandte Stirnflächen der Innen- und der Aussenwicklung können dann auf dem Ring abgestützt und mit einfachen Befestigungsmitteln gehalten werden.

Eine besonders stabile Spule wird mit geringem Aufwand erreicht, wenn der Stromleiter in die Aussenwicklung eingeformt und nach Art eines Rings ausgebildet ist, und wenn eine vom Lichtbogenlaufring abgewandte Stirnfläche der Innenwicklung auf dem Ring abgestützt ist.

Eine Erhöhung der magnetischen Flussdichte am Ort des Lichtbogenlaufrings und eine besonders gute Stabilität der Spule wird erreicht, wenn in koaxialer Anordnung zwischen der Innen- und der Aussenwicklung eine weitere ferromagnetische Hülse vorgesehen ist.

Da Wirbelströme die magnetische Flussdichte der Spule am Orte des Lichtbogenkontakts verringern, ist mindestens in der ersten oder der zweiten Hülse oder in dem als Ring ausgebildeten Stromanschluss der Innenwicklung oder der Aussenwicklung mindestens ein vorwiegend axial und radial geführter Schlitz angeordnet. In der ersten und/oder zweiten Hülse sind mit Vorteil mindestens zwei in Umgangsrichtung gleichmässig verteilte Schlitze angeordnet. Um grosse Stromkräfte aufnehmen zu können, ist in den Stromanschluss der Aussenwicklung im allgemeinen lediglich ein erster und den Stromanschluss der Innenwicklung im allgemeinen lediglich ein zweiter Schlitz eingeformt. Diese beiden Schlitze sind in axialer Richtung höchstens bis zu einer an den Stromanschluss der Innen- bzw. der Aussenwicklung anschliessenden Windung der Innen- bzw. der Aussenwicklung geführt. In Ausführungsformen des Schalters, die sich vor allem durch bestimmte Windungszahlen der Aussen- und Innenwicklung auszeichnen, ist es vorteilhaft, die Spule so auszubilden, dass der erste und der zweite Schlitz radial in der gleichen Richtung erstreckt sind.

Ein wirbelstromunterdrückender dritter Schlitz ist mit Vorteil in den die Innen- und die Aussenwicklung elektrisch leitend miteinander verbindenden Stromleiter eingeformt. Je nach der durch die Windungszahl der Innen- bzw. der Aussenwicklung bestimmten Ausbildung der Spule, können der erste, der zweite und der dritte Schlitz sich radial in die gleiche Richtung erstrecken oder es können sich mindestens zwei der drei Schlitze radial in unterschiedliche Richtungen erstrecken.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Anhand von Zeichnungen werden nachfolgend Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Hierbei zeigt

Fig.1 eine Aufsicht auf einen längs einer Achse A geführten Schnitt durch eine erste Ausführungsform eines Hochspannungsleistungsschalter nach der Erfindung, bei der der Schalter links der Achse im Einschaltzustand und rechts der Achse beim Ausschalten dargestellt ist,

Fig.2 ein Diagramm, in dem die beim Ausschalten des Schalters nach Fig.1 sowie eines Schalters nach dem Stand der Technik jeweils in einer Schalterspule erzeugte und zur Rotation eines Schaltlichtbogens beitragende magnetische Flussdichte B [ T ] in Funktion der Stärke des abzuschaltenden Strom I [ kA ] dargestellt ist,

Fig.3 ein Schaltstück einer zweiten Ausführungsform des

Hochspannungsleistungsschalter nach der Erfindung, welches in der rechten Hälfte längs der Achse A geschnitten dargestellt ist, Fig.4 eine von unten geführte in Richtung von Pfeilen IV geführte Ansicht des Schaltstücks gemäss Fig.3, bei der zentral angeordnete sowie als Isolierung ausgeführte Teile nicht dargestellt sind, und

Fig.5 eine entsprechend Fig. 4 geführte Ansicht eines Schaltstücks einer dritten Ausführungsform des Hochspannungsschalters nach der Erfindung, welche gegenüber der Ausführungsform nach Fig.4 geringfügig abgewandelt ist.

WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

In allen Figuren beziehen sich gleiche Bezugszeichen auf gleichwirkende Teile. Der in Fig.1 dargestellte Leistungsschalter ist ein Generatorschalter und kann bei Hochspannungen bis zu 100 kV Ströme bis zu einem noch zulässigen maximalen Kurzschlussabschaltstrom von typischerweise 300 kA ausschalten. Er enthält ein mit einem komprimierten Isoliergas, etwa auf der Basis Schwefelhexafluorid, Stickstoff oder Kohlendioxid oder eines Gasgemischs auf der Basis eines oder mehrerer dieser Gase, gefülltes Gehäuse 10 sowie eine vom Gehäuse 10 aufgenommene und weitgehend axialsymmetrisch gestaltete Kontaktanordnung mit zwei längs einer Achse A relativ zueinander verschiebbaren Schaltstücken 20, 30. Im Einschaltzustand liegen die beiden Schaltstücke 20 bzw. 30 mit nicht dargestellten Nennstromkontakten in einem schematisch angedeuteten, niederohmigen Nennstrompfad N und mit einem Lichtbogenkontakt 21 bzw. einem Lichtbogenkontakt 31 , einer ferromagnetischen Hülse 32 und einer Zylinderspule C in einem gestrichelt dargestellten Leistungsstrompfad L, welcher parallel zum Nennstrompfad geführt ist.

Der ersichtlich rohrförmig, gegebenenfalls aber auch massiv ausgestaltete, Lichtbogenkontakt 21 ist durch ein als Hilfsdüse wirkendes Isolierrohr 11 geführt und kontaktiert im Einschaltzustand des Schalters (linke Hälfte von Fig.1 ) den Kontaktfinger aufweisenden Lichtbogenkontakt 31. Das Isolierrohr 11 und eine am Schaltstück 30 gehaltene Isolierscheibe 12 begrenzen einen ringförmigen Heizkanal 13, der beim Ausschalten (rechte Hälfte von Fig.1 ) eine Lichtbogenzone, die einen Schaltlichtbogen S aufnimmt, mit einem Heizvolumen 14 verbindet.

Das Schaltstück 30 ist feststehend im Gehäuse 10 gehalten und weitgehend nach Art eines Hohlzylinders ausgebildet. Das Schaltstück 30 enthält in koaxialer Anordnung von innen nach aussen den rohrförmigen, nach Art einer Tulpe ausgeführten Lichtbogenkontakt 31 , die Hülse 32, eine zwei Windungen aufweisende Innenwicklung 40 der Spule C, eine weitere ferromagnetische Hülse 33 und eine gegensinnig zur Innenwicklung 40 gewundene und lediglich eine Windung aufweisende Aussenwicklung 50 der Spule C. An seiner dem Schaltstück 20 zugewandten Stirnfläche weist das Schaltstück 30 einen Lichtbogenlaufring 15 aus einem abbrandfesten Material auf, wie insbesondere Graphit, einen Haltering 16 zum Fixieren des Lichtbogenlaufrings 15 an einer Stirnseite der Innenwicklung 40 sowie die Isolierscheibe 12, welche auf Stirnseiten des Halterings 16, der Hülse 33 und der Aussenwicklung 50 aufsitzt und den Lichtbogenlaufring 15 radial nach aussen begrenzt.

Auf Stirnflächen der Innen- 40 und der Aussenwicklung 50, die vom Lichtbogenlaufring abgewandt sind, sitzt ein als Ringplatte ausgeführter Stromleiter 52 auf, welcher die Innen- und die Aussenwicklung elektrisch leitend miteinander verbindet. Die dem Lichtbogenlaufring 15 zugewandten Stirnflächen der Innen- 40 bzw. der Aussenwicklung 50 weisen jeweils einen nach Art eines Rings ausgeführten Stromanschluss 41 bzw. 51 auf. Der Stromanschluss 41 ist in elektrisch leitender Weise mit dem Lichtbogenlaufring 15 verbunden. Der Stromanschluss 51 dient als Stromanschluss der Schaltstückanordnung und setzt das Schaltstück 30 am Gehäuse 10 fest. Die beiden Windungen der

Innenwicklung 40 sind mit dem Bezugszeichen 43 bezeichnet, hingegen die einzige Windung der Aussenwicklung 50 mit dem Bezugszeichen 54.

In die ferromagnetischen Hülse 32 bzw. 33 sind axial ausgerichtete Schlitze 321 bzw. 331 eingeformt. Wie später erläutert, dienen diese Schlitze wie auch in die Wicklungen 40, 50 eingeformte - lediglich aus den Figuren 3 bis 5 ersichtliche - Schlitze 42, 53, 55 der Unterdrückung von Wirbelströmen. Die einzelnen Teile des Schaltstücks 30 sind im allgemeinen durch Schrauben miteinander verbunden. Die Hülse 32 sitzt mit ihrer nach unten weisenden Stirnseite auf einem Flansch 311 des tulpenförmig ausgebildeten Lichtbogenkontakts 31 auf und ist an diesem Flansch festgeschraubt. Alternativ können beiden Teile auch durch Presssitz miteinander verbunden sein. Die im allgemeinen aus Aluminium oder Kupfer resp. einer Aluminium- oder Kupferlegierung bestehenden Wicklungen 40, 50 wie auch die ferromagnetische Hülse 33 sind an dem als Ringplatte ausgeführten Stromleiter 52 angeschraubt. Der Lichtbogenlaufring 15 ist mittels des metallenen Halterings 16 am Stromanschluss 41 der Innenwicklung 40 elektrisch leitend festgesetzt. Der Stromanschluss 41 und damit auch die Spule C sind mittels Schrauben oder Presssitz an der oberen Stirnseite der Hülse 32 befestigt. Zwischen den einzelnen Teilen vorgesehene Hohlräume, wie Isolierabstände zwischen den Windungen 43, 54 und den Stromanschlüssen 41 , 51 der Spule C, zwischen den Wicklungen 40, 50 der Spule, den ferromagnetischen Hülsen 32, 33 und dem Lichtbogenkontakt 31 oder wie die Schlitze 42, 53, 55, sind mit Isoliermaterial ausgefüllt. Dieses Material ist in Fig.1 nicht dargestellt.

Im Einschaltzustand (linke Hälfte von Fig.1 ) sind der Nennstrompfad N und der Leistungsstrompfad L geschlossen und führt der Schalter Strom, der überwiegend im Nennstrompfad und lediglich mit einem Anteil von ca. 1 % im

Leistungsstrompfad fliesst. Zum Ausschalten wird das Schaltstück 20 durch einen nicht dargestellten Antrieb nach oben geführt. Es öffnet sich zunächst der Nennstrompfad N. Der abzuschaltende Strom kommutiert nun vollständig in den Leistungsstrompfad L und fliesst vom Lichtbogenkontakt 21 über den Lichtbogenkontakt 31 , die ferromagnetische Hülse 32, die Innenwicklung 40, den Stromleiter 52 und die gegensinnig zur Innenwicklung gewundene Aussenwicklung 50 zum Stromanschluss 51.

Im weiteren Verlauf des Ausschaltvorgangs kommt der mit Reibschluss im Lichtbogenkontakt 31 geführte Lichtbogenkontakt 21 ausser Eingriff mit dem feststehenden Schaltstück 30 und bildet sich dann zwischen dem

Lichtbogenkontakt 21 und Kontaktfingern des Lichtbogenkontakts 31 ein Schaltlichtbogen S, welcher auf den Lichtbogenlaufring 15 kommutiert (rechte Hälfte von Fig.1 ). Die Kommutation erfolgt rasch, da die Hülse 32 und der Lichtbogenkontakt 31 hierbei aus dem Leistungsstrompfad L genommen werden und der abzuschaltende Strom nun vom Lichtbogenkontakt 21 über den Schaltlichtbogen S, den Lichtbogenlaufring 31 , die Innenwicklung 40, den Stromleiter 52 und die gegensinnig zur Innenwicklung gewundene Aussenwicklung 50 zum Stromanschluss 51 fliesst.

Im Lichtbogen S fliesst der abzuschaltende Strom I im wesentlichen in axialer Richtung. Beim Ausschalten kleiner bzw. mittlerer Ströme (bis zu ca. 10% bzw. zwischen ca. 10 und ca. 30% des maximal zulässigen Kurzschlussabschaltstroms) ist die durch die Spule C und die ferromagnetischen Hülsen 32 und 33 hervorgerufene magnetische Flussdichte B im Bereich des Lichtbogenlaufrings 15 vorwiegend radial ausgerichtet. Daher wirkt auf den am Lichtbogenlaufring 15 fussenden Schaltlichtbogen S eine in Umfangsrichtung wirkende elektrodynamische Kraft, durch die eine Rotation des Lichtbogens um die Achse A bewirkt und das zur Lichtbogenlöschung benötigte Druckgas erzeugt wird. Mit zunehmender Stromstärke des abzuschaltenden Stroms beeinflusst das

Magnetfeld der Aussenwicklung 50 das entgegengesetzt gerichtete Feld der Innenwicklung 40 stärker als zuvor bei kleineren Strömen. Am Ort des Lichtbogenlaufrings 15 verändern sich Richtung und Grosse der magnetischen Flussdichte B resp. die Grosse einer vorwiegend radial ausgerichteten Komponente von B kontinuierlich. Bei Strömen mit grossen Stromstärken (ca. 30 bis 100% des maximal zulässigen Kurzschlussabschaltstroms) wird die Grosse dieser Komponente stark reduziert, so dass eine geringere elektrodynamische Kraft auf den Schaltlichtbogen S wirkt als bei einem gleich ausgebildeten Schalter nach dem Stand der Technik mit einer gleichsinnig vom Strom durchflossenen Spule. Die B-I-Kennlinie der Spule C flacht daher im Bereich grosser Ströme erheblich stärker ab als bei der gleichsinnig vom Strom durchflossenen Spule des Schalters nach dem Stand Technik.

Dieser Sachverhalt ist aus dem in Fig.2 gezeigten Diagramm ersichtlich. Diesem Diagramm kann entnommen werden, dass bei der Ausführungsform des erfindungsgemässen Schalters gemäss Fig.1 mit einem noch zulässigen maximalen Kurzschlussabschaltstrom von 300 kA, oberhalb von ca. 50 bis 100 kA, d.h. vor allem bei grossen Strömen, die Kennlinie wesentlich stärker abflacht als die Kennlinie einer Spule eines gleich ausgebildeten Schalters nach dem Stand der Technik, bei dem die Spule jedoch gleichsinnig gewickelt ist. Die durch einen nach unten gerichteten Pfeil dargestellte Abflachung der Kennlinie beträgt bei einer Stromstärke von 200 kA bereits ca. 20% und bei der maximal zulässigen Stromstärke von 300 kA bereits ca. 40%. Dementsprechend geringer kann daher der Rauminhalt des Heizvolumens 14 bemessen werden.

Um bei kleinen Strömen I die zur Rotation der Schaltlichtbogens S beitragende, vorwiegend axial ausgerichtete Komponente des magnetischen Felds der Spule zu optimieren, sind zusätzliche Mittel in der Spule C vorgesehen, durch die beim Unterbrechen kleiner Ströme eine hohe magnetische Flussdichte B am Ort des Lichtbogenlaufrings 15 erreicht wird. Solche kleinen Ströme erreichen im allgemeinen ca. 5 bis 10% des maximal zulässigen Kurzschlussabschaltstroms und betragen daher bei der Ausführungsform nach Fig.1 ca. 15 bis 30 kA.

Diese zusätzlichen Mittel betreffen zum einen die beiden ferromagnetischen Hülsen 32 und 33. Durch geeignete Auswahl des Materials und der geometrischen Abmessungen dieser Hülsen und durch Anordnung der Hülse 32 zwischen dem Lichtbogenkontakt 31 und der Innenwicklung 40 resp. der Hülse 33 zwischen der Innen- 40 und der Aussenwicklung 50 wird die magnetische Flussdichte B am Ort des Lichtbogenlaufrings 15 erheblich vergrössert. Zudem sind die geometrischen Abmessung, insbesondere die Wanddicke der Hülse 32, möglichst gross gewählt und wird als Material der Hülse ein Ferromagnetikum mit einer geringen

Koerzitivkraft, wie etwa Weicheisen oder eine mit Silicium legierte Eisenlegierung, eingesetzt. Es wird so bei kleinen Stromstärken bereits eine relativ hohe magnetische Flussdichte am Ort des Lichtbogenlaufrings 15 erreicht.

Zum anderen wird durch die Mittel auch die Ausbildung von Wirbelströmen wirksam unterdrückt. Daher ist in die jeweils als Ring ausgebildeten

Stromanschlüsse 41 bzw. 51 der Innen- 40 bzw.der Aussenwicklung 50 jeweils mindestens ein vorwiegend axial und radial geführter Schlitz eingeformt. Diese Schlitze sind aus Fig.1 nicht zu ersehen, sind aber in entsprechender weise auch bei der Ausführungsform des erfindungsgemässen Schalters nach den Figuren 3 und 4 und bei der Ausführungsform nach Fig.5 realisiert und dort mit dem

Bezugszeichen 42 für den Stromanschluss 41 und mit dem Bezugszeichen 53 für den Stromanschluss 51 bezeichnet. Diese beiden Schlitze sind in axialer Richtung höchstens bis zu einer an den Stromanschluss 41 bzw. 51 der Innen- 40 bzw. der Aussenwicklung 50 anschliessenden Windung 43 der Innen- bzw. 54 der Aussenwicklung geführt. In radialer Richtung können sie die gleiche Richtung aufweisen, können radial aber auch in unterschiedliche Richtungen weisen und beispielsweise entgegengesetzt (Fig.5) angeordnet sein.

Aus den Figuren 3 bis 5 ist ersichtlich, dass ein wirbelstromunterdrückender Schlitz 55 auch in den die Innen- und die Aussenwicklung elektrisch leitend miteinander verbindenden Stromleiter 52 eingeformt ist. Die drei Schlitze 42, 53 und 55 können sich - wie aus Fig. 4 ersichtlich ist - radial in die gleiche Richtung erstrecken. In Abhängigkeit von der Anzahl der Windungen der beiden Wicklungen 40, 50 und der an beiden Wicklungen auftretenden elektrodynamischen Kräfte können sich aber auch mindestens zwei der drei Schlitze radial in unterschiedliche Richtungen erstrecken (Fig.5).

Wie zuvor bei Fig.1 gezeigt, können wirbelstromunterdrückende Schlitze 321 bzw. 331 auch an den beiden ferromagnetischen Hülse 32 bzw. 33 vorgesehen sein. Mit Vorteil sind in jede Hülse mindestes zwei, typischerweise zehn bis dreissig, in Umgangsrichtung gleichmässig verteilte, axial ausgerichtete Schlitze eingeformt. Die Schlitze 321 und 331 können durch die ganze Hülsenwand geführt sein. Sie erstrecken sich dann in axialer Richtung nur über einen Teil der Hülsenlänge. Sie können dann entweder alle an einer beider Stirnflächen der Hülse oder aber abwechselnd an beiden Stirnflächen ansetzen. Die Schlitze können jeweils auch als Nut in die Innenfläche und/oder die Aussenfläche der Hülse eingeformt sein.

Aus dem Diagramm gemäss Fig.2 ist ersichtlich, dass sich durch die vorgenannten Mittel die zur Lichtbogenrotation beitragende Komponente der magnetischen Flussdichte B am Ort des Lichtbogenlaufrings 15 bei kleinen und teilweise auch mittleren Strömen, d.h. bei Strömen bis ca. 70 kA, gegenüber einem gleich ausgebildeten Schalter nach dem Stand der Technik, der aber eine gleichsinnig stromdurchflossene Spule aufweist, um ca. 10 bis 20 % erhöht.

Bei der Ausführungsform des erfindungsgemässen Schalters nach den Figuren 3 und 4 ist im Unterschied zur Ausführungsform nach Fig.1 zwischen Innen- 40 und Aussenwicklung 50 keine ferromagnetische Hülse vorgesehen. Zudem ist in fertigungstechnisch vorteilhafter und die mechanische Festigkeit der Spule C erhöhender Weise der Stromleiter 52 in die Aussenwicklung 50 eingeformt und nach Art eines Rings ausgebildet. Die vom Lichtbogenlaufring 15 abgewandte Stirnfläche der Innenwicklung 40 ist auf diesem Ring abgestützt. Im Unterschied zur Ausführungsform nach Fig.1 ist das die Hohlräume zwischen den einzelnen stromführenden Teilen, wie den Wicklungen 40, 50, der Hülse 32 und dem Lichtbogenkontakt 31 , ausfüllende Isoliermaterial nun dargestellt und mit dem Bezugszeichen 34 bezeichnet. Dieses Material ist vorzugsweise ein gehärtetes Vergussmaterial auf der Basis Polyurethan oder Epoxid.

Anstelle einer lediglich zwei Windungen 43 aufweisenden Innenwicklung 40 und/oder einer lediglich eine Windung 54 aufweisenden Aussenwicklung 50 können die Windungszahlen auch grösser oder kleiner sein. Beispielsweise kann die Innenwicklung zwei und die Aussenwicklung anderthalb Windungen aufweisen. Bei Schaltern, welche zum Unterbrechen vergleichsweise leistungsschwacher Ströme vorgesehen sind, können die Windungszahlen auch erheblich höher liegen.

BEZUGSZEICHENLISTE

10 Gehäuse

11 Isolierrohr

12 Isolierscheibe

13 Heizkanal

14 Heizvolumen

15 Lichtbogenlaufring

16 Haltering

20 Schaltstück

21 Lichtbogenkontakt

30 Schaltstück

31 Lichtbogenkontakt

311 Flansch

32, 33 ferromagnetische Hülsen

321 , 331 Schlitze

34 Isoliermaterial

40 Innenwicklung

41 Stromanschluss

42 Schlitz

43 Windungen

50 Aussenwicklung

51 Stromanschluss

52 Stromleiter

53, 55 Schlitze

54 Windung

A Achse

B magnetische Flussdichte

C Spule

I Strom

L Leistungsstrompfad

N Nennstrompfad

S Schaltlichtbogen

Claims

PATENTANSPRÜCHE

1. Hochspannungsleistungsschalter mit einem isoliergasgefüllten Gehäuse (10), einem Heizvolumen (14) zur Aufnahme von komprimiertem Löschgas, welches beim Unterbrechen eines Stroms (I) kleiner, mittlerer oder grosser

Stromstärke jeweils durch einen rotierenden Schaltlichtbogen (S), der einer stromabhängigen magnetischen Flussdichte (B) ausgesetzt ist, aufgeheizt und unter Druck gesetzt wird, und mit zwei längs einer Achse (A) relativ zueinander verschiebbaren und im Gehäuse (10) angeordneten Schaltstücken (20, 30), von denen eines (30) in koaxialer Anordnung einen

Lichtbogenkontakt (31 ), einen Lichtbogenlaufring (15) und eine den Lichtbogenkontakt (31 ) umgebende und mit dem Lichtbogenlaufring (15) elektrisch leitend verbundene Spule (C) aufweist, welche den zu unterbrechenden Strom (I) führt, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule (C) zwei gegensinnig gewundene Wicklungen (40, 50) aufweist, welche unter

Bildung einer Innen- und einer Aussenwicklung konzentrisch angeordnet sind, und dass in koaxialer Anordnung zwischen dem Lichtbogenkontakt (31 ) und der Innenwicklung (40) eine ferromagnetische erste Hülse (32) vorgesehen ist.

2. Schalter nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Innenwicklung (40) eine grossere Anzahl an Windungen (42) aufweist als die Aussenwicklung (50).

3. Schalter nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass vom Lichtbogenlaufring (15) abgewandte Stirnflächen der Innen- (40) und der Aussenwicklung (50) über einen Stromleiter (52) elektrisch leitend miteinander verbunden sind, dass dem Lichtbogenlaufring (15) zugewandte Stirnflächen der Innen- (40) und der Aussenwickung (50) jeweils einen nach Art eines Rings ausgeführten Stromanschluss (41 , 51 ) aufweisen, und dass der Stromanschluss (41 ) der Innenwicklung (40) in elektrisch leitender Weise mit dem Lichtbogenlaufring (15) verbunden ist.

4. Schalter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromleiter (52) nach Art eines Rings ausgebildet ist, und dass vom Lichtbogenlaufring (15) abgewandte Stirnflächen der Innen- (40) und der Aussenwicklung (50) auf dem Ring abgestützt sind.

5. Schalter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromleiter (52) in die Aussenwicklung (50) eingeformt und nach Art eines Rings ausgebildet ist, und dass eine vom Lichtbogenlaufring (15) abgewandte Stirnfläche der Innenwicklung (40) auf dem Ring abgestützt ist.

6. Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in koaxialer Anordnung zwischen der Innen- (40) und der Aussenwicklung

(50) eine ferromagnetische zweite Hülse (50) vorgesehen ist.

7. Schalter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens in der ersten (40) oder der zweiten Hülse (50) oder in dem als Ring ausgebildeten Stromanschluss (41 , 51 ) der Innenwicklung (40) oder der Aussenwicklung (50) mindestens ein vorwiegend axial und radial geführter Schlitz (321 , 331 ,

42, 53, 55) angeordnet ist.

8. Schalter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass in der ersten (40) und/oder zweiten Hülse (50) mindestens zwei in Umgangsrichtung gleichmässig verteilte Schlitze (321 , 331 ) angeordnet sind.

9. Schalter nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass in den Stromanschluss (51 ) der Aussenwicklung (50) ein erster (53) und in den Stromanschluss (41 ) der Innenwicklung (40) ein zweiter Schlitz (42) eingeformt ist.

10. Schalter nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der erste (53) bzw. der zweite Schlitz (42) in axialer Richtung höchstens bis zu einer an den

Stromanschluss (51 bzw. 41 ) der Aussen- (50) bzw. der Innenwicklung (40) anschliessenden Windung (54 bzw. 43) der Aussen- (50) bzw. der Innenwicklung (40) geführt ist.

11. Schalter nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der erste (53) und der zweite Schlitz (42) radial in der gleichen Richtung erstreckt sind.

12. Schalter nach einem der Ansprüche 10 oder 11 , dadurch gekennzeichnet, dass in den die Innen- (40) und die Aussenwicklung (50) elektrisch leitend miteinander verbindenden Stromleiter (52) ein dritter Schlitz (55) eingeformt ist.

13. Schalter nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der erste (53), der zweite (42) und der dritte Schlitz (55) sich radial in die gleiche Richtung erstrecken.

14. Schalter nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei (53, 55) der drei Schlitze (42, 53, 55) sich radial in unterschiedliche Richtungen erstrecken.