TECHNISCHES GEBIET
[0001] Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Hochspannungstechnik, insbesondere
der Hochstromschaltertechnik in elektrischen Energieverteilnetzen. Sie geht aus von
einem Verfahren und Generatorschalter gemäss Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche.
STAND DER TECHNIK
[0002] In der
EP 1 403 891 A1 wird ein Leistungsschalter offenbart, bei dem Auspuffgas von einem Lichtbogenraum
durch einen Hohlkontakt in ein konzentrisch angeordnetes Auspuffvolumen und von dort
in ein weiter aussen liegendes Löschkammervolumen geleitet wird. Zur Steigerung der
Ausschaltleistung sind zwischen dem Hohlkontakt und dem Auspuffvolumen mindestens
ein Zwischenvolumen und gegebenenfalls ein Zusatzvolumen konzentrisch angeordnet und
durch Zwischenwände, die Bohrungen oder Gasdurchlassöffnungen aufweisen, voneinander
separiert. Durch das radiale Ausströmen der Schaltgase von den inneren und zu den
äusseren Volumina werden die Abgase verwirbelt und viel Wärmeenergie kann an die Zwischenwände
der Volumina abgeben werden. Die Durchlassöffnungen zwischen dem Hohlkontaktvolumen,
dem Zwischenvolumen und gegebenenfalls dem Zusatzvolumen sind zueinander am Umfang
versetzt angeordnet. Die Durchlassöffnungen zwischen dem Zusatzvolumen und dem Auspuffvolumen
sind zueinander am Umfang und/oder in axialer Richtung versetzt angeordnet. Dadurch
werden mäandrierende sowie auch spiralförmige Abgaspfade vorgegeben, die Verweilzeit
des Abgases im Auspuffbereich wird erhöht und die Wärmeabgabe des Abgases wird verbessert.
Ferner können die Bohrungen mittels lochblechartiger Blenden verschlossen sein, um
eine Vielzahl radial gerichteter Gasstrahlen oder Gasjets zu erzeugen, die auf die
gegenüberliegende Wand prallen, sich an den Aufprallstellen verwirbeln und dadurch
das heisse Gas intensiv kühlen. Das die Kühlung verbessernde Zwischenvolumen ist im
Auspuffbereich auf der Antriebskontaktseite angeordnet. Ein zweites Zwischenvolumen
kann zusätzlich auf der Festkontaktseite vorhanden sein. Insgesamt benötigt man in
dem Leistungsschalter also neben dem Hohlkontaktvolumen, dem Auspuffvolumen und dem
Schaltkammervolumen noch mindestens ein weiteres Zwischenvolumen, um eine effiziente
Abgaskühlung zu erreichen.
[0003] In der
DE 25 07 163 A1 wird ein elektrischer Schalter gezeigt, der an der Innenseite des Schaltkammergehäuses
Auskleidungen aus gut wärmeleitendem Metall aufweist. Die Auskleidungen dienen als
Kühler, Temperaturverteiler, Feldverteilungsringe, Abschirmungen zum Schutz der Isolierflächen
gegen Korrosion und Diffusion und als Element zur Umlenkung des Schaltgasstromes.
Dabei wird der Schaltgasstrom entlang der Auskleidungen laminar geführt. Eine Prallwand
zur Verwirbelung des Schaltgasstroms ist nicht vorhanden.
[0004] Bei der Erfindung wird ausgegangen von dem Stand der Technik gemäß der
DE 101 56 535 C1. Dort wird ein elektrischer Schalter gezeigt, der eine Strömungslenkeinrichtung aufweist,
durch die Teilgasströmungen gegeneinander gelenkt und dadurch verwirbelt werden. Die
Durchkreuzung der Gasströmungen und ihre Verwirbelung ersetzt eine wärmeaufnehmende
Prallwand. Zur zusätzlichen Verwirbelung kann die Strömungslenkeinrichtung an Austritttsöffnungen
kleine Verwirbelungskörper aufweisen, welche die Lenkung des Löschgases beeinflussen.
Diese Verwirbelungskörper dienen nicht dazu, dem Schaltgas Wärme zu entziehen.
[0005] In dem Gebrauchsmuster
DE 1 889 068 U wird ein Lasttrennschalter mit verbesserter Abgaskühlung offenbart. Die Kühlvorrichtung
umfasst mehrere, im Gasabströmkanal konzentrisch angeordnete Rohre, die jeweils diametral
gegen überliegende Ausströmöffnungen aufweisen, so dass die Schaltgase beim laminaren
Ausströmen einen labyrinthartigen Weg mit zahlreichen Umlenkungen durcheilen und grosse
Oberflächen der Kühlrohre bestreichen müssen. Mit dieser Anordnung wird also im wesentlichen
der Ausströmpfad verlängert und die Kühloberfläche im Auspuff vergrössert. Die Ausströmöffnungen
sind breit gewählt, um den Rückstaudruck des Schaltgases gering zu halten. Die Strömungskanäle
zwischen den Kühlrohren sind schmal gewählt, um dem Schaltgas viel Kühloberfläche
zur Verfügung zu stellen. Insgesamt wird die Strömung im laminaren Bereich gehalten
und die Kühlung des Schaltgases erfolgt durch laminaren konvektiven Wärmeübergang
in die Kühlrohre.
[0006] In der
EP 0 720 774 B1 wird ein Hochspannungsleistungsschalter mit einem hohlzylindrischen Metalldrahtgeflecht
oder Metallkörper als Kühlkörper für Schaltgase offenbart. Zusätzlich ist ein weiter
innenliegender, löschgasundurchlässiger Isolierstoffkörper vorhanden, der den Metallkörper
gegen die Löschgase abschirmt, die Löschgase durch Materialverdampfung vorkühlt und
dadurch einer Überhitzung des Metalldrahtgeflechts entgegenwirkt. Das Löschgas wird
beim Durchströmen des Metalldrahtgeflechts durch Wechselwirkung mit dessen Metalloberfläche
weiter abgekühlt. Wegen der grossen Anzahl Durchtrittsöffnungen ist der Strömungswiderstand
des Metalldrahtgeflechts gering, so dass wiederum eine laminare Strömung beibehalten
wird.
[0007] In der
DE 102 21 580 B3 wird ein Hochspannungsleistungsschalter mit einer Unterbrechereinheit offenbart,
in welcher die Auspuffgase zweimal um 180° umgelenkt werden. Zur Verbesserung der
Kühlung der Gase ist auf der Festkontaktseite ein konzentrisch angeordnetes, hohlzylindrisches,
radial durchströmtes Lochblech vorhanden. Wiederum dient das Lochblech als Kühlkörper,
der dem Löschgas Wärme entzieht, ohne den Strömungswiderstand für das Löschgas zu
erhöhen und ohne die Laminarität der Löschgasströmung zu stören.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
[0008] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, für ein Verfahren und Schaltgerät mit
turbulent konvektiver Kühlung von Schaltgas eine vereinfachte Schaltgasführung und
Bauweise mit einer verbesserten Kühl- und Schaltleistung anzugeben. Diese Aufgabe
wird erfindungsgemäss durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst.
[0009] Die Erfindung besteht in einem Verfahren zur Kühlung eines Schaltgases in einem elektrischen
Schaltgerät für elektrische Energieversorgungsnetze, insbesondere in einem Generatorschalter,
wobei das Schaltgerät eine Schaltkammer umfasst, die von einem Schaltkammergehäuse
umschlossen ist, wobei ferner bei einem Schaltvorgang das Schaltgas von einer Lichtbogenlöschzone
zu einem Auspuffbereich strömt, dabei einen eine Vielzahl von Ausströmöffnungen aufweisenden
Körper passiert und in eine Vielzahl gerichteter Gasjets aufgeteilt wird, wobei ferner
die Gasjets in eine Vielzahl von Wirbeln verwirbelt werden und den Wirbeln durch Konvektion
im Bereich einer Prallwand von der Prallwand Wärmeenergie entzogen wird, wobei ferner
die Prallwand durch mindestens einen Abschnitt des Schaltkammergehäuses gebildet wird
oder an einem Abschnitt des Schaltkammergehäuses befestigt ist. Vom durchströmten
Körper wird also ein hinreichend grosser Rückstaudruck im Schaltgas aufgebaut, so
dass von den Ausströmöffnungen des Körpers gebündelte Gasjets erzeugt werden können.
Der durchströmte Körper dient in erster Linie zur Jetbildung und braucht selber keine
Kühlwirkung auf das Schaltgas zu haben. Die verbesserte Abgaskühlung wird dadurch
erreicht, dass die Wärmenergie durch einen turbulenten Wärmeübergang von den Wirbeln
in die Prallwand abgegeben wird und dass von der Prallwand als Bestandteil des Schaltkammergehäuses
oder als Montageteil am Schaltkammergehäuse eine hocheffiziente Wärmeabführung ermöglicht
wird. Die Wärmeenergie kann in der Prallwand gespeichert werden oder an eine mit der
Prallwand thermisch verbundene Wärmesenke weitergeleitet werden. Desweiteren wird
eine Abstrahlcharakteristik der Ausströmöffnungen so an einen Abstand zur Prallwand
angepasst, dass die Wirbel an oder im Bereich der Prallwand gebildet werden.
[0010] Die Erfindung hat den Vorteil, dass keine elektrischen Überschläge zwischen dem Schaltgas
und der Prallwand zu erwarten sind, weil kein oder kein wesentliches Potentialgefälle
im vom Schaltgas durchströmten äusseren Volumen besteht. Auch noch stark ionisiertes,
dielektrisch noch nicht verfestigtes Schaltgas kann an der auf Potential liegenden
Prallwand gekühlt werden.
[0011] Das Ausführungsbeispiel gemäss Anspruch 2b hat den Vorteil, dass das Schaltkammergehäuse
gesamthaft oder zumindesten auf einer Schalterkontaktseite als grossvolumige Wärmesenke
für die von der Prallwand aufgenommen Wärmeenergie verwendet wird.
[0012] In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird die Bildung der Wirbel durch Wechselwirkung
der Gasjets untereinander vor Erreichen der Prallwand unterstützt. Insbesondere sollen
im Körper solche Gasjets gebildet werden, deren Trajektorien einander vor Erreichen
der Prallwand kreuzen: Auf diese Weise wird die Wirbelbildung nicht erst durch Aufprall
getrennter Gasjets auf die Prallwand hervorgerufen, sondern wird schon auf dem Weg
zur Prallwand durch Interaktion der Gasjets untereinander induziert. Im Extremfall
ist die interaktive Wirbelbildung so stark, dass an der Prallwand keine eigentliche
Aufprallstelle einzelner Gasjets mehr vorhanden ist, sondern unmittelbar ein Wirbel,
gebildet aus mindestens zwei Gasjets, ankommt und sich turbulent konvektiv an der
Prallwand abkühlt.
[0013] Die Erfindung betrifft auch ein elektrisches Schaltgerät für ein elektrisches Energieversorgungsnetz,
insbesondere einen Generatorschalter, umfassend eine Schaltkammer, die von einem Schaltkammergehäuse
umschlossen ist und eine zentrale Achse sowie einen ersten Kontakt und einen zweiten
Kontakt aufweist, wobei in einem Auspuffbereich des ersten oder zweiten Kontakts ein
Körper mit Ausströmöffnungen zum Durchströmen von Schaltgas vorhanden ist, der Auspuffbereich
durch den Körper in ein inneres Volumen und ein äusseres Volumen unterteilt ist und
im äusseren Volumen eine Prallwand zur Kühlung des Schaltgases vorhanden ist, wobei
ferner die Ausströmöffnungen des Körpers zur Erzeugung einer Vielzahl gerichteter
Gasjets dienen, die Gasjets auf die Prallwand gerichtet sind und eine Vielzahl von
Wirbeln ausbilden und die Wirbel einen konvektiven Wärmeübergang vom Schaltgas in
die Prallwand bewirken, wobei die Prallwand durch mindestens einen Abschnitt des Schaltkammergehäuses
gebildet ist oder an einem Abschnitt des Schaltkammergehäuses befestigt ist. Zudem
sind die Ausströmöffnungen des Körpers Düsen, die aufgrund ihrer Anordnung, Form und/oder
Ausrichtung den Gasjets eine gewünschte Strahlcharakteristik und/oder Ausrichtung
vorgeben, wobei die Gasjets in den Düsen eine Kollimierung, Aufweitung oder Fokussierung
erfahren, die so an einen Abstand zur Prallwand angepasst ist, dass die Wirbelbildung
an der Prallwand oder in einem Bereich der Prallwand erfolgt. Desweiteren weist die
Prallwand eine grosse Wärmekapazität zur Kühlung des turbulenten Schaltgases auf,
und/oder die Prallwand weist zur Kühlung des turbulenten Schaltgases eine grosse Wärmeleitfähigkeit
auf und ist wärmeleitend mit dem Schaltkammergehäuse verbunden.
[0014] Der Körper oder Multidüsenkörper dient also dazu, das Schaltgas in mindestens einem
Auspuffbereich des Schaltgeräts in eine Vielzahl gerichteter Gasjets aufzuteilen und
die Prallwand dient zur Jetverwirbelung und/oder zum Entlangströmen der verwirbelten
Jets, um durch turbulent konvektiven Wärmeübergang dem Schaltgas bzw. den Schaltgaswirbeln
Wärmeenergie zu entziehen. Die Prallwand kann selber Wärmesenke sein oder mit einer
Wärmesenke thermisch verbunden sein. Insbesondere kann die Prallwand aufgrund ihrer
Position nahe der Schaltkammerwand oder als Bestandteil des Schaltkammergehäuses sehr
grossflächig ausgestaltet sein und zur turbulenten Kühlung einer grossen Anzahl gasjetinduzierter
Schaltgaswirbel dienen. Mit einem erfindungsgemäss ausgestalteten Schaltgerät wurden
aufgrund der verbesserten Kühlung der Schaltgase hervorragende Abschaltleistungen
nachgewiesen.
[0015] Erfindungsgemäss sind die Funktionen des Körpers als Multidüsenkörper und der Prallwand
als Wärmeableitung getrennt. Dadurch kann der Körper im Hinblick auf seine Anordnung
im Auspuffbereich und auf die Ausgestaltung und Anordnung seiner Düsen optimiert werden
und die Prallwand kann unabhängig davon im Hinblick auf ihre Anordnung im äusseren
Volumen, ihre thermischen Eigenschaften und ihre thermische Verbindung zum Schaltkammergehäuse
optimiert werden. Aufgrund der grossen thermischen Masse und/oder schnellen Wärmeleitfähigkeit
der Prallwand oder des Schaltkammergehäuseabschnitts werden die lokalen Erhitzungen
an den Aufprallorten der Gasjets schnell auf die ganze Prallwand verteilt und gegebenenfalls
von der Prallwand abgeführt.
[0016] Zudem kann durch die optimierte Anordnung, insbesondere Beabstandung, Form und/oder
Ausrichtung, der Düsen der Leistungsbereich, ab dem die erfindungsgemässe turbulent
konvektive Kühlung in Aktion tritt, genauer festgelegt und insbesondere ausgeweitet
werden. Insbesondere kann die Abstrahlcharakteristik der Düsen des Körpers in Abhängigkeit
von der Position und gegebenenfalls Form der Prallwand so gestaltet werden, dass eine
intensive Wirbelbildung und eine gute Führung der Wirbel nahe der Prallwand und entlang
grosser Flächen der Prallwand realisiert ist.
[0017] Die Erfindung hat den Vorteil, dass auch noch stark ionisiertes, heisses Schaltgas
von der Prallwand gekühlt werden kann. Die Doppelfunktion der Prallwand als Kühlkörper
und Strombahn erlaubt eine besonders einfache und kompakte Bauweise des Schaltgeräts.
[0018] Das Ausführungsbeispiel gemäss Anspruch 10 hat den Vorteil, dass durch die sich kreuzenden
Gasjets die Wirbelbildung verstärkt wird. Zudem kann eine Wirbelbildung schon früher,
d. h. in einem schwächeren Leistungsbereich, erreicht werden.
[0019] Die Ausführungsbeispiele gemäss den Ansprüchen 4 und 11-13 betreffen weitere Massnahmen
zur Verbesserung der Kühleffizienz des Schaltgases im Schaltgerät und damit zur Erhöhung
der Schaltleistung.
[0020] Weitere Ausführungen, Vorteile und Anwendungen der Erfindung ergeben sich aus den
abhängigen Ansprüchen, aus den Anspruchskombinationen sowie aus der nun folgenden
Beschreibung und den Figuren.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
[0021] Es zeigen schematisch
- Fig. 1
- einen Generatorschalter mit einer Metallhülse und einer gehäuseseitigen Prallwand
zur Schaltgaskühlung;
- Fig. 2a-2d
- Ausführungsformen der Metallhülse;
- Fig. 3
- eine Darstellung zur Wirkungsweise der turbulent konvektiven Kühlung;
- Fig. 4
- ein Auspuffdruck als Funktion der Zeit gemäss Stand der Technik und gemäss Erfindung;
und
- Fig. 5
- ein Kühleffizienz als Funktion der Zeit gemäss der Erfindung.
[0022] In den Figuren sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
[0023] Fig. 1 zeigt einen Generatorschalter 1 mit einer Schalterachse 1a und einer Schaltkammer
2 oder Unterbrechereinheit 2, die eine Löschkammer 9 und Auspuffvolumina 7, 8 umfasst.
Die Schaltkammer 2 ist von einem Schaltkammergehäuse 3 umgeben ist. Das Schaltkammergehäuse
3 setzt sich zusammen aus einem Löschkammergehäuse oder Löschkammerisolator 3c sowie
einem ersten Auspuffgehäuse 3a und einem zweiten Auspuffgehäuse 3b. Für die Leistungsstrombahn
und zur Lichtbogenunterbrechung sind ein erster Kontakt oder Schaltstift 4 und ein
zweiter Kontakt in Form einer Kontakttulpe 5 vorhanden, zwischen denen beim Öffnen
des Schalters 1 ein Lichtbogen 6a brennt. Die prinzipielle Funktion des Schaltgeräts
1 ist in der
EP 0 982 748 B1 beschrieben, deren gesamter Offenbarungsgehalt hiermit durch Bezugnahme in die Beschreibung
aufgenommen wird. Insbesondere sind dort die Funktionen des Schaltgeräts 1 beschrieben.
Die Bezugszeichen bezeichnen folgende Bauteile: Nennstrombahn 15, erster feststehender
Nennstromkontakt 16, zweiter feststehender Nennstromkontakt 17, beweglicher Nennstromkontakt
18, erste Trennwand 19, Abbrandschaltanordnung 20, Isolierstoffdüse 21, Gleitführung
22, zweite Trennwand 23, Heizvolumen 24, Blasschlitz 25, Wand 26, Blaszylinder 27,
Blaskolben 28, Blaskanal 29, Rückschlagventil 30. In der
EP 0 982 748 B1 sind die Funktionen und das Zusammenwirken der genannten Bauteile in näherem Detail
beschrieben.
[0024] Beim Öffnen des Lichtbogenschaltkontaktstifts 4 wird die Lichtbogenlöschzone 6 vom
Heizvolumen 24 her mit Lösch- oder Schaltgas beblasen. Das Schaltgas strömt dann in
den ersten und zweiten Auspuffbereich 7, 8 und wird dort gekühlt. Erfindungsgemäss
ist nun z. B. im ersten Auspuffbereich 7 ein Körper 10 mit Ausströmöffnungen 11 zum
Durchströmen von Schaltgas angeordnet. Der Gasdurchströmkörper 10 unterteilt den Auspuffbereich
7 in ein inneres Volumen 7a und ein äusseres Volumen 7b. Im äusseren Volumen 7b ist
eine Prallwand 14, 140 zur Kühlung des Schaltgases vorhanden. Die Prallwand 14, 140
ist durch mindestens einen Abschnitt 14 des Schaltkammergehäuses 3 gebildet oder ist
als Platte 140, die mehr oder weniger separat ausgestaltet sein kann, an einem Abschnitt
des Schaltkammergehäuses 3 befestigt. In dieser Anordnung wird eine hocheffiziente
turbulente Schaltgaskühlung erreicht. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass das
Schaltkammergehäuse 3 nicht unmittelbar von heissestem Schaltgas kontaminiert wird,
sondern durch den Düsenkörper 10 etwas geschützt wird.
[0025] Das Zusammenwirken des Gasdurchströmkörpers oder Düsenkörpers 10 mit der Prallwand
14, 140 wird im folgenden näher anhand von Fig. 1 erläutert. Aus der Lichtbogenlöschzone
6 strömt eine heisse Schaltgasströmung 100 in den ersten Auspuffbereich 7, wird vom
Strömungsumlenkelement 7c in eine radiale Richtung umgelenkt, strömt entlang einer
Innenwand des hier hülsenförmig dargestellten Körpers 10 zurück und bildet so eine
Rezirkulationsströmung 101, durch welche im inneren Volumen 7a ein Staudruck aufgebaut
wird. Durch die Ausströmöffnungen 11 im Körper 10 strömt das Schaltgas in Form von
Gasjets 12 nach aussen in das äussere Volumen 7b. Die Gasjets 12 sind auf die Prallwand
14, 140 gerichtet und bilden Wirbel 13. Dies geschieht typischerweise durch Aufprall
des Gasjets 12 auf die Prallwand 14, 140, so dass pro Gasjet 12 bzw. Aufprallort ein
Wirbel 13 gebildet wird.
[0026] Fig. 3 zeigt in grösserem Detail, wie die Wirbel 13 eine intensive Kühlung des Schaltgases
durch turbulent konvektiven Wärmeübergang in die Prallwand 14, 140 bewirken. Beim
Ausströmen des Schaltgases aus der Öffnung 11 wird der Gasjet 12 geformt. Nach Verlassen
der Ausströmöffnung 12 bildet der Gasjet 12 eine Grenzschicht 12a, 12b aus, wobei
in einem Ablösebereich 12a kleine Wirbel 13 erzeugt werden, die mit zunehmendem Abstand
vom Düsenkörper 10 an Stärke und Grösse zunehmen und bei Annäherung an die Prallwand
14, 140 in eine im wesentlichen axiale Richtung umgelenkt werden. In Nähe der Prallwand
14, 140, d. h. im Prallwandbereich 14a, bildet sich ein Wirbelbereich oder eine Wirbelzone
oder Wirbelgrenzschicht 130 aus, in welcher der Wirbel 13 der Prallwand 14, 140 entlangstreicht,
dort einen Teil seiner Wärmeenergie deponiert, in einem Ausströmbereich 131 des Wirbels
13 von der Prallwand 14, 140 wegströmt, rezirkuliert und in einem Nachströmbereich
132 weiteres Schaltgas einsaugt und der Prallwand 14, 140 zur Kühlung zuführt. Durch
den wiederholten intensiven Gasaustausch im Bereich der Prallwand 14, 140 wird also
eine intensive Kühlung des Schaltgases erreicht. Voraussetzung dafür ist, dass die
Prallwand 14, 140 selber als effiziente Wärmesenke wirkt. Dies wird erfindungsgemäss
dadurch erreicht, dass sie durch einen Abschnitt des Schaltkammergehäuses 3 gebildet
ist oder als Platte 140 oder allgemein Kühlkörper 140 an dem Schaltkammergehäuse 3
befestigt ist. Zu diesem Zweck kann die Prallwand 14, 140 eine grosse Wärmekapazität
zur Kühlung des turbulenten Schaltgases aufweisen. Alternativ oder ergänzend kann
die Prallwand 14, 140 zur Kühlung des turbulenten Schaltgases eine grosse Wärmeleitfähigkeit
aufweisen und wärmeleitend mit dem Schaltkammergehäuse 3 verbunden sein.
[0027] Mit Vorteil liegt die Prallwand 14, 140 auf dem Potential des Schaltkammergehäuses
3, um die Gefahr elektrischer Überschläge zu reduzieren oder zu eliminieren. Dadurch
muss das Schaltgas bei Interaktion mit der Prallwand 14, 140 noch nicht vorgekühlt
sein. Es darf vielmehr noch heiss und insbesondere ionisiert sein. Eine besonders
kompakte Anordnung wird dadurch erreicht, dass die Prallwand die 14, 140 Teil einer
Strombahn 15 des Schaltgeräts 1 ist. Die Strombahn 15 ist in Fig. 1 eine Nennstrombahn,
kann jedoch prinzipiell auch eine Leistungsstrombahn 15 sein.
[0028] Der Düsenkörper 10 kann eine geringe Wärmekapazität und/oder geringe Wärmeleitfähigkeit
aufweisen. Ein Beitrag des Düsenkörpers 10 zur Wärmeabfuhr ist also nicht nötig. Jedoch
ist eine zusätzliche Kühlwirkung und homogene Wärmeverteilung im Düsenkörper 10 von
Vorteil. Die Ausströmöffnungen 11 des Körpers 10 sollen als Düsen 110, 111, 112 wirken,
die aufgrund ihrer Anordnung, Form und/oder Ausrichtung den Gasjets 12 eine gewünschte
Strahlcharakteristik und/oder Ausrichtung vorgeben. Insbesondere sollen die Gasjets
12 in den Düsen 110, 111, 112 eine Kollimierung, Aufweitung oder Fokussierung erfahren,
die so an einen Abstand H zur Prallwand 14, 140 so angepasst ist, dass die Wirbelbildung
an der Prallwand 14, 140 oder im Bereich 14a der Prallwand 14, 140 erfolgt.
[0029] Fig. 2a zeigt ein Ausführungsbeispiel, in dem die Düsen 110 in radial nach aussen
gerichteter Strömungsrichtung des Schaltgases trichterförmig verjüngt sind. Gemäss
Fig. 2b sind mit Vorteil solche Düsen 111, 112 vorhanden, die gegeneinander gerichtet
sind derart, dass die Trajektorien 121, 122 der zugehörigen Gasjets 12 einander vor
Erreichen der Prallwand 14, 140 kreuzen und vor Erreichen der Prallwand 14, 140 Wirbel
ausbilden. Die gegeneinander gerichteten Düsen 111, 112 können insbesondere einander
benachbarte Düsen 111, 112 oder auch Düsengruppen sein. Die Blendenöffnungen können
auch zylindrisch oder in Strahlrichtung konisch verbreitert sein, wodurch die Gasstrahlen
12 aufgeweitet werden. Weitere Varianten der Ausströmöffnungen 11 sind in der
EP 1 403 891 A1 beschrieben, deren gesamter Offenbarungsgehalt hiermit durch Bezugnahme in die Beschreibung
aufgenommen wird. Dort sind insbesondere offenbart: axial und/oder am Umfang zueinander
versetzte Ausströmöffnungen, Ausströmöffnungen mit unterschiedlichen Durchmessern,
mit unterschiedlichen Mittenabständen, Ausströmöffnungen optimiert hinsichtlich ihrer
Form, Grösse, Anordnung (z. B. überwiegend im oberen Teil des Auspuffbereichs) und
Anzahl. Für einen hohen Wirkungsgrad der Abkühlung wird für das Verhältnis von Abstand
H der Blendenöffnungen zur gegenüberliegenden Wand zu ihrem Durchmesser D ein bevorzugter
Bereich von 1,5<H/D<5 und insbesondere H/D=2 offenbart. Für den Mittenabstand S der
Blendenöffnungen zu ihrem Durchmesser D wird ein Verhältnis von S/H=1,4 bevorzugt.
Wenn dieser Abstand nicht unterschritten wird, ist sichergestellt, dass sich die um
die Aufprallpunkte ausbildenden Verwirbelungen gegenseitig nicht negativ beeinflussen
und das Gas wirksam gekühlt wird.
[0030] Der Düsenkörper 10 ist mit Vorteil eine Hülse 10, insbesondere aus Metall. Die Hülse
10 kann im Prinzip beliebige Gestalt haben und ist beispielsweise hohlzylindrisch
(Fig. 1) oder kegelstumpfartig verjüngt (Fig. 2c) oder konisch zulaufend (Fig. 2d)
geformt. In Fig. 1 ist ein unterer Deckel durch die erste Trennwand 19 zwischen Löschkammer
9 und erstem Auspuffbereich 7 gegeben und ein oberer Deckel durch eine Schaltkammerwand.
Die Hülse 10 umschliesst ein Volumen V, wobei zusätzlich zu den Ausströmöffnungen
11 auch andere Öffnungen oder eine unvollständige Hülsenform prinzipiell zulässig
sind, sofern genügend Staudruck aufgebaut werden kann und eine Jetbildung möglich
ist. Mit Vorteil sind die Ausströmöffnungen 11 die einzigen Öffnungen. Das Verhältnis
des eingeschlossenen Volumens V zur Gesamtfläche A der Ausströmöffnungen 11 soll mit
Vorteil in einem Bereich 0,5 m < V/A < 1,5 m, bevorzugt 1 m < V/A < 1,4 m, besonders
bevorzugt 1,2 m < V/A < 1,3 m, liegen.
[0031] Fig. 2c zeigt ein Ausführungsbeispiel, in dem die Ausströmöffnungen 11 an dem Körper
10 gehäuft in zwei radial gegenüberliegenden Bereichen 11a, 11b angeordnet sind. Dadurch
kann im Schaltgas im äusseren Volumen 7b eine an der Prallwand 14, 140 geführte Strömung
induziert werden. Typischerweise verläuft die geführte Strömung auf Kreisbahnen, Schraubenbahnen
und/oder Spiralbahnen 11ab oder allgemein auf im wesentlichen rotationssymmetrischen
Bahnen 11ab um die Schalterachse 1a. Die Art der Bahn kann durch die Anordnung der
Ausströmöffnungen 11, durch strömungsführende Elemente und/oder durch die Gestalt
des Düsenkörpers 11 und der Prallwand 14, 140, gewählt oder beeinflusst werden. Beispielsweise
können bei axial gleichverteilten Ausströmöffnungen 11, bei einer hohlzylindrischen
Prallwand 14, 140 und bei einer hohlzylindrischen Gestalt des Düsenkörpers 10 vorwiegend
Kreisbahnen oder Schraubenbahnen und bei einer verjüngten Gestalt des Düsenkörpers
10 vorwiegend Spiralbahnen 11ab induziert werden.
[0032] Es wurde eine theoretische Analyse des Wirkungsgrads η der Anordnung mit Düsenkörper
oder Hülse 10 und Prallwand 14, 140 durchgeführt. Der Wirkungsgrad oder die Kühleffizienz
η der Hülse 10 ist definiert als Verhältnis der dem Schaltgas mit Hilfe der Hülse
10 entzogenen Wärmeenergie zur gesamten Wärmeenergie des heissen Schaltgases. Man
kann zeigen, dass näherungsweise gilt
wobei p
2 = Schaltgasdruck ohne Hülse 10 im ersten Auspuffbereich 7 nach Schalterkontakttrennung;
und p
2' = Schaltgasdruck bei Anwesenheit der Hülse 10 im ersten Auspuffbereich 7 gemittelt
über das innere und äussere Volumen 7a, 7b, ebenfalls nach Schalterkontakttrennung.
Experimentell wurde der Druck p
2 ohne Hülse 10 gemessen und der Druck p
2' mit Hülse 10 dadurch bestimmt, das ein erster Druck im äusseren Volumen 7b gemessen
wurde, ein zweiter Druck im inneren Volumen 7a durch Simulation berechnet wurde und
der erste und zweite Druck gewichtet mit den zugehörigen Volumina 7a, 7b gemittelt
wurden. Fig. 3 zeigt den Druckverlauf 31 als Funktion der Zeit für einen Auspuff 7
ohne Metallhülse 10 und einen Druckverlauf 32 mit Metallhülse 32. Nach der Kontakttrennung
33 wird der Druckanstieg bei unveränderter Steilheit auf ca. 50% des früher üblichen
Wertes begrenzt. Bei Durchschreiten des Stromnulldurchgangs 34 fällt nun der Druck
bereits wieder, was insgesamt zu einer erheblichen Druckreduktion über den Schaltvorgang
führt. In Fig. 4 ist die Kühleffizienz η(t) dargestellt, die nach dem Stromnulldurchgang
34 über 45% beträgt und kurzzeitig ein Maximum von 60% erreicht.
[0033] Desweiteren wurden experimentelle Versuche mit einem Leistungsschalter 1 mit Metallhülse
10 und Schaltgehäuseprallwand 14 durchgeführt. Im Versuch betrug das Volumenzu-Flächenverhältnis
der Metallhülse 10 1.05 m. Bei diesem Verhältnis wurde berücksichtigt, dass im vorliegenden
Fall ca. 80 % der geometrischen Fläche A der Ausströmöffnungen 11 tatsächlich wirksam
ist. Im Versuchslabor wurden Ströme im Bereich von mehr als 63 kA mit hoher Asymmetrie,
langen Lichtbogenzeiten und einer daraus resultierenden Energieeinkopplung von ca.
1 MJ in den Leistungsschalter 1 fehlerfrei abgeschaltet. Damit ist experimentell und
theoretisch nachgewiesen, dass durch die Erfindung die Wärmeabführung aus dem Schaltgas
massiv verbessert werden kann. Zusätzlich kann das Schaltkammergehäuse 3 durch die
Metallhülse 10 vor Heissgasen geschützt werden.
[0034] In weiteren, hier nicht dargestellten Ausführungsbeispielen sind im inneren Volumen
7a mindestens ein weiterer Körper mit weiteren Ausströmöffnungen zur Erzeugung weiterer
Gasjets vorhanden und das innere Volumen 7a ist durch den weiteren Körper in ein inneres
und äusseres Untervolumen unterteilt, wobei in dem äusseren Untervolumen mindestens
eine weitere Prallwand derart angeordnet ist, dass die weiteren Gasjets gegen die
weitere Prallwand gerichtet sind. Mit Vorteil sind mindestens je ein Körper 10 und
mindestens je eine zugehörige Prallwand 14, 140 in einem ersten Auspuffbereich 7 des
ersten Kontakts 4 und in einem zweiten Auspuffbereich 8 des zweiten Kontakts 5 vorhanden.
Das Schaltkammergehäuse 3 kann ein druckdichtes Kapselungsgehäuse 3 für das Schaltgas,
insbesondere das Löschgas und Auspuffgas, sein. Das Schaltkammergehäuse 3 kann von
einem magnetfeldabschirmenden Aussengehäuse umgeben sein. Das Aussengehäuse kann zugleich
als mechanische Halterung für das Schaltgerät 1 ausgelegt sein. Die Erfindung ist
auf jeden Typ eines elektrischen Schaltgeräts 1 anwendbar, insbesondere in Generatorschaltern
1, in Schaltern mit rotierendem Lichtbogen, in Selbstblasschaltern, in Gas- oder SF
6-Schaltern und in Schaltern mit hohlem Kontaktrohr für Schaltgaswegführung aus der
Lichtbogenlöschzone.
[0035] Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zur Kühlung eines Schaltgases in
einem elektrischen Schaltgerät 1 für elektrische Energieversorgungsnetze, insbesondere
in einem Generatorschalter 1, wobei das Schaltgerät 1 eine Schaltkammer 2 umfasst,
die von einem Schaltkammergehäuse 3 umschlossen ist, wobei ferner bei einem Schaltvorgang
das Schaltgas von einer Lichtbogenlöschzone 6 zu einem Auspuffbereich 7, 8 geströmt
wird, dabei ein eine Vielzahl von Ausströmöffnungen 11 aufweisender Körper 10 durchströmt
wird und das Schaltgas in eine Vielzahl gerichteter Gasjets 12 aufgeteilt wird, wobei
ferner die Gasjets 12 in eine Vielzahl von Wirbeln 13 verwirbelt werden und den Wirbeln
13 durch Konvektion in einem Bereich 14a einer Prallwand 14, 140 von der Prallwand
14, 140 Wärmeenergie entzogen wird, wobei die Prallwand 14, 140 durch mindestens einen
Abschnitt 14 des Schaltkammergehäuses 3 gebildet wird oder an einem Abschnitt des
Schaltkammergehäuses 3 befestigt ist. Im folgenden werden einige Ausführungsbeispiele
angegeben.
[0036] Die Prallwand 14, 140 kann auf dem Potential des Schaltkammergehäuses 3 gehalten
werden. Die Prallwand 14, 140 kann auch durch Wärmeleitung auf einer Temperatur des
Schaltkammergehäuses 3 gehalten werden. Die Bildung der Schaltgaswirbel 13 kann durch
Wechselwirkung der Gasjets 12 untereinander vor Erreichen der Prallwand 14, 140 unterstützt
werden. Insbesondere können im Körper 10 solche Gasjets 12 gebildet werden, deren
Trajektorien 121, 122 einander vor Erreichen der Prallwand 14, 140 kreuzen. Auch kann
eine Abstrahlcharakteristik der Ausströmöffnungen 11 so an einen Abstand H zur Prallwand
14, 140 angepasst werden, dass die Wirbel 13 an oder im Bereich 14a der Prallwand
14, 140 gebildet werden. Mit Vorteil wird oder werden das Schaltgas und insbesondere
die Wirbel 13 auf Kreisbahnen, Schraubenbahnen oder auf Spiralbahnen um die zentrale
Achse 1a des Schaltgeräts 1 entlang der Prallwand 14, 140 geführt.
[0037] Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Abschnitt einer elektrischen Hochspannungsanlage,
die ein elektrisches Schaltgerät 1, insbesondere einen Generatorschalter 1, wie zuvor
beschrieben und wie in den Ansprüchen 7-13 beansprucht aufweist.
BEZUGSZEICHENLISTE
[0038]
- 1
- Elektrisches Schaltgerät
- 1a
- Zentrale Achse, Schalterachse
- 2
- Schaltkammer
- 3
- Schaltkammergehäuse, Schaltkammerwand
- 3a
- Erstes Auspuffgehäuse
- 3b
- Zweites Auspuffgehäuse
- 3c
- Löschkammergehäuse, Löschkammerisolator
- 4
- Erster Kontakt, (Lichtbogen-) Schaltstift
- 5
- Zweiter Kontakt, (Lichtbogen-) Kontakttulpe
- 6
- Lichtbogenlöschzone
- 6a
- Lichtbogen
- 7
- Erster Auspuffbereich
- 7a
- Inneres Volumen
- 7b
- Äusseres Volumen
- 7c
- Strömungsumlenkelement
- 8
- Zweiter Auspuffbereich
- 9
- Löschkammer
- 10
- Körper, Düsenkörper, Hülse, Metallhülse
- 100
- Schaltgasströmung aus Löschzone
- 101
- Rezirkulationsströmung im inneren Volumen
- 11
- Ausströmöffnungen
- 11a, 11b
- Radial gegenüberliegende Bereiche
- 11ab
- Kreisbahnen, Schraubenbahnen, Spiralbahnen
- 110, 111, 112
- Düsenformen
- 12
- Gasjets
- 12a
- Ablösebereich
- 12b
- Verwirbelungsbereich
- 121, 122
- Trajektorien
- 13
- Wirbel
- 130
- Wirbelbereich, Bereich der konvektiven turbulenten Wärmeübertragung, Wirbelgrenzschicht
- 131
- Ausströmbereich
- 132
- Nachströmbereich, Ansaugbereich
- 14
- Prallwand, Schaltkammergehäuseabschnitt
- 140
- Prallwand, Platte, Kühlkörper
- 14a
- Prallwandbereich
- 15
- Strombahn
- 16
- Erster feststehender Nennstromkontakt
- 17
- Zweiter feststehender Nennstromkontakt
- 18
- Beweglicher Nennstromkontakt
- 19
- Erste Trennwand
- 20
- Abbrandschaltanordnung
- 21
- Isolierstoffdüse
- 22
- Gleitführung
- 23
- Zweite Trennwand
- 24
- Heizvolumen
- 25
- Blasschlitz
- 26
- Wand
- 27
- Blaszylinder
- 28
- Blaskolben
- 29
- Blaskanal
- 30
- Rückschlagventil
- 31
- Druckverlauf (Stand der Technik)
- 32
- Druckverlauf mit Körper und Prallwand
- 33
- Kontakttrennung
- 34
- Stromnulldurchgang
- D
- Durchmesser von Ausströmöffnungen
- H
- Abstand Ausströmöffnung zu Prallwand
- S
- Mittenabstand zwischen Ausströmöffnungen
- t
- Zeit
- η
- Wirkungsgrad
1. Verfahren zur Kühlung eines Schaltgases in einem elektrischen Schaltgerät (1) für
elektrische Energieversorgungsnetze, insbesondere in einem Generatorschalter (1),
wobei das Schaltgerät (1) eine Schaltkammer (2) umfasst, die von einem Schaltkammergehäuse
(3) umschlossen ist, wobei ferner bei einem Schaltvorgang das Schaltgas von einer
Lichtbogenlöschzone (6) zu einem Auspuffbereich (7, 8) strömt, dabei einen eine Vielzahl
von Ausströmöffnungen (11) aufweisenden Körper (10) passiert und in eine Vielzahl
gerichteter Gasjets (12) aufgeteilt wird, wobei ferner die Gasjets (12) in eine Vielzahl
von Wirbeln (13) verwirbelt werden und den Wirbeln (13) durch Konvektion im Bereich
einer Prallwand (14, 140) von der Prallwand (14, 140) Wärmeenergie entzogen wird,
a) eine Abstrahlcharakteristik der Ausströmöffnungen (11) so an einen Abstand (H)
zur Prallwand (14, 140) angepasst wird, dass die Wirbel (13) an oder im Bereich (14a)
der Prallwand (14, 140) gebildet werden, und
b) die Wärmeenergie in der Prallwand (14, 140) gespeichert wird oder an eine mit der
Prallwand (14, 140) thermisch verbundene Wärmesenke weitergeleitet wird wobei dadurch gekennzeichnet, dass
c) die Prallwand (14, 140) durch mindestens einen Abschnitt (14) des Schaltkammergehäuses
(3) gebildet wird oder an einem Abschnitt des Schaltkammergehäuses (3) befestigt ist,
und
d) das Schaltgerät gemäß Anspruch 7 ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
a) die Prallwand (14, 140) auf dem Potential des Schaltkammergehäuses (3) gehalten
wird und/oder
b) die Prallwand (14, 140) durch Wärmeleitung auf einer Temperatur des Schaltkammergehäuses
(3) gehalten wird.
3. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
a) die Bildung der Wirbel (13) durch Wechselwirkung der Gasjets (12) untereinander
vor Erreichen der Prallwand (14, 140) unterstützt wird und
b) insbesondere dass im Körper (10) solche Gasjets (12) gebildet werden, deren Trajektorien
(121, 122) einander vor Erreichen der Prallwand (14, 140) kreuzen.
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltgas und insbesondere die Wirbel (13) auf Kreisbahnen, Schraubenbahnen oder
auf Spiralbahnen entlang der Prallwand (14, 140) geführt wird oder werden.
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus der Lichtbogenzone (6) eine heisse Schaltgasströmung (100) in den ersten Auspuffbereich
(7) geströmt wird, von einem Strömungsumlenkelement (7c) in eine radiale Richtung
umgelenkt wird, entlang einer Innenwand des Körpers (10) zurückgeströmt wird und so
eine Rezirkulationsströmung (101) gebildet wird, durch welche im inneren Volumen (7a)
des Körpers (10) ein Staudruck aufgebaut wird.
6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Prallwandbereich (14a) sich eine Wirbelgrenzschicht (130) ausbildet, in welcher
der Wirbel (13) der Prallwand (14, 140) entlangstreicht, dort einen Teil seiner Wärmeenergie
deponiert, in einem Ausströmbereich (131) des Wirbels (13) von der Prallwand (14,
140) wegströmt, rezirkuliert und in einem Nachströmbereich (132) weiteres Schaltgas
einsaugt und der Prallwand (14, 140) zur Kühlung zuführt.
7. Elektrisches Schaltgerät (1) für ein elektrisches Energieversorgungsnetz, insbesondere
Generatorschalter (1), umfassend eine Schaltkammer (2), die von einem Schaltkammergehäuse
(3) umschlossen ist und eine zentrale Achse (1a) sowie einen ersten Kontakt (4) und
einen zweiten Kontakt (5) aufweist, wobei in einem Auspuffbereich (7, 8) des ersten
oder zweiten Kontakts (4, 5) ein Körper (10) mit Ausströmöffnungen (11) zum Durchströmen
von Schaltgas vorhanden ist, der Auspuffbereich (7, 8) durch den Körper (10) in ein
inneres Volumen (7a) und ein äusseres Volumen (7b) unterteilt ist und im äusseren
Volumen (7b) eine Prallwand (14, 140) zur Kühlung des Schaltgases vorhanden ist, wobei
ferner die Ausströmöffnungen (11) des Körpers (10) zur Erzeugung einer Vielzahl gerichteter
Gasjets (12) dienen, die Gasjets (12) auf die Prallwand (14, 140) gerichtet sind und
eine Vielzahl von Wirbeln (13) ausbilden und die Wirbel (13) einen konvektiven Wärmeübergang
vom Schaltgas in die Prallwand (14, 140) bewirken,
a) die Ausströmöffnungen (11) des Körpers (10) Düsen (110, 111, 112) sind, die aufgrund
ihrer Anordnung, Form und/oder Ausrichtung den Gasjets (12) eine gewünschte Strahlcharakteristik
und/oder Ausrichtung vorgeben, wobei die Gasjets (12) in den Düsen (110, 111, 112)
eine Kollimierung, Aufweitung oder Fokussierung erfahren, die so an einen Abstand
(H) zur Prallwand (14, 140) angepasst ist, dass die Wirbelbildung an der Prallwand
(14, 140) oder in einem Bereich (14a) der Prallwand (14, 140) erfolgt, und
b) die Prallwand (14, 140) eine grosse Wärmekapazität zur Kühlung des turbulenten
Schaltgases aufweist, und/oder die Prallwand (14, 140) zur Kühlung des turbulenten
Schaltgases eine grosse Wärmeleitfähigkeit aufweist und wärmeleitend mit dem Schaltkammergehäuse
(3) verbunden ist
c) die Prallwand (14, 140) durch mindestens einen Abschnitt (14) des Schaltkammergehäuses
(3) gebildet ist oder an einem Abschnitt des Schaltkammergehäuses (3) befestigt ist
dadurch gekennzeichnet, daß
d) die Prallwand (14, 140) Teil einer Nennstrombahn oder Leistungsstrombahn (15) des
Schaltgeräts (1) ist.
8. Elektrisches Schaltgerät (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (10) eine geringe Wärmekapazität und/oder geringe Wärmeleitfähigkeit aufweist.
9. Elektrisches Schaltgerät (1) nach einem der Ansprüche 7-8,
dadurch gekennzeichnet, dass
a) die Düsen (110) in radialer Strömungsrichtung des Schaltgases trichterförmig verjüngt
sind, und/oder
b) Düsen (111, 112) vorhanden sind, insbesondere einander benachbarte Düsen (111,
112), die gegeneinander gerichtet sind derart, dass die Trajektorien (121, 122) der
zugehörigen Gasjets (12) einander vor Erreichen der Prallwand (14, 140) kreuzen und
vor Erreichen der Prallwand (14, 140) Wirbel ausbilden.
10. Elektrisches Schaltgerät (1) nach einem der Ansprüche 7-9,
dadurch gekennzeichnet, dass
a) der Körper (10) eine Hülse (10), insbesondere aus Metall, ist, deren eingeschlossenes
Volumen V zur Gesamtfläche A der Ausströmöffnungen (11) ein Verhältnis bilden, das
in einem Bereich 0, 5 m < V/A < 1,5 m, bevorzugt 1 m < V/A < 1,4 m, besonders bevorzugt
1,2 m < V/A < 1,3 m, liegt und/oder
b) die Ausströmöffnungen (11) an dem Körper (10) gehäuft in zwei radial gegenüberliegenden
Bereichen (11a, 11b) angeordnet sind, um im Schaltgas im äusseren Volumen (7b) eine
auf Kreisbahnen, Schraubenbahnen und/oder Spiralbahnen an der Prallwand (14, 140)
geführte Strömung zu induzieren.
11. Elektrisches Schaltgerät (1) nach einem der Ansprüche 7-10,
dadurch gekennzeichnet, dass
a) im inneren Volumen (7a) mindestens ein weiterer Körper mit weiteren Ausströmöffnungen
zur Erzeugung weiterer Gasjets vorhanden ist oder sind und das innere Volumen (7a)
durch den weiteren Körper in ein inneres und äusseres Untervolumen unterteilt ist
und
b) in dem äusseren Untervolumen mindestens eine weitere Prallwand derart angeordnet
ist, dass die weiteren Gasjets gegen die weitere Prallwand gerichtet sind.
12. Elektrisches Schaltgerät (1) nach einem der Ansprüche 7-11, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens je ein Körper (10) und mindestens je eine zugehörige Prallwand (14, 140)
in einem ersten Auspuffbereich (7) des ersten Kontakts (4) und in einem zweiten Auspuffbereich
(8) des zweiten Kontakts (5) vorhanden sind.
13. Elektrisches Schaltgerät (1) nach einem der Ansprüche 7-12,
dadurch gekennzeichnet, dass
a) das Schaltkammergehäuse (3) ein druckdichtes Kapselungsgehäuse (3) für das Schaltgas
ist, und/oder
b) das Schaltkammergehäuse (3) von einem magnetfeldabschirmenden Aussengehäuse umgeben
ist, und/oder
c) das Schaltgerät (1) ein Generatorschalter (1) ist.
1. Method for cooling of a switching gas in an electrical switching device (1) for electrical
power supply systems, in particular in a generator switch (1), with the switching
device (1) having a switching chamber (2) which is surrounded by a switching chamber
enclosure (3), furthermore with the switching gas flowing from an arc quenching zone
(6) to a blow-out area (7, 8) during a switching process, in the process passing through
a body (10) which has a multiplicity of outlet openings (11), and being split into
a multiplicity of directed gas jets (12), furthermore with the gas jets (12) being
swirled into a multiplicity of vortices (13) and with thermal energy being extracted
from the vortices (13) by convection in the area of a baffle wall (14, 140), wherein
a) a jet characteristic of the outlet openings (11) is matched to the distance (H)
from the baffle wall (14, 140) such that the vortices (13) are formed adjacent to
or in the area (14a) of the baffle wall (14, 140), and
b) the thermal energy is stored in the baffle wall (14, 140) or is passed to a heat
sink which is thermally connected to the baffle wall (14, 140), characterized in that
c) the baffle wall (14, 140) is formed by at least one section (14) of the switching
chamber enclosure (3), or is attached to a section of the switching chamber enclosure
(3), and
d) the switching device is according to Claim 7.
2. Method according to Claim 1,
characterized in that
a) the baffle wall (14, 140) is held at the same potential as the switching chamber
enclosure (3), and/or
b) the baffle wall (14, 140) is kept at the same temperature as the switching chamber
enclosure (3) by thermal conduction.
3. Method according to one of the preceding claims,
characterized in that
a) the formation of the vortices (13) is assisted by interaction of the gas jets (12)
with one another before reaching the baffle wall (14, 140), and
b) in particular in that the gas jets (12) which are formed in the body (10) are those whose trajectories
(121, 122) cross one another before reaching the baffle wall (14, 140).
4. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the switching gas and in particular the vortices (13) is or are guided on circular
paths, helical paths or on spiral paths along the baffle wall (14, 140).
5. Method according to one of the preceding claims, characterized in that a hot switching gas flows (100) from the arcing zone (6) into the first exhaust area
(7), is deflected by a flow deflection element (7c) in a radial direction, flows back
along an inner wall of the body (10), with a recirculation flow (101) thus being formed,
by means of which a backpressure is built up in the inner volume (7a) of the body
(10).
6. Method according to one of the preceding claims, characterized in that a vortex boundary layer (130) is formed in the baffle wall area (14a), in which the
vortex (13) passes along the baffle wall (14, 140), depositing a portion of its thermal
energy there, flows away from the baffle wall (14, 140) in an outlet area (131) of
the vortex (13), is recirculated, and further switching gas is sucked in in a wake
area (132) and is supplied to the baffle wall (14, 140) for cooling.
7. Electrical switching device (1) for an electrical power supply system, in particular
a generator switch (1), comprising a switching chamber (2) which is surrounded by
a switching chamber enclosure (3) and has a central axis (1a) as well as a first contact
(4) and a second contact (5), with a body (10) with outlet openings (11) for switching
gas to flow through being provided in a blow-out area (7, 8) of the first or second
contact (4, 5), with the blow-out area (7, 8) being subdivided by the body (10) into
an inner volume (7a) and an outer volume (7b), and with a baffle wall (14, 140) for
cooling of the switching gas being provided in the outer volume (7b), furthermore
with the outlet openings (11) of the body (10) being used to produce a multiplicity
of directed gas jets (12), with the gas jets (12) being directed at the baffle wall
(14, 140) and with a multiplicity of vortices (13) being formed, and with the vortices
(13) resulting in convectional heat transfer from the switching gas to the baffle
wall (14, 140),
a) the outlet openings (11) of the body (10) are nozzles (110, 111, 112) which predetermine
a desired jet characteristic and/or alignment for the gas jets (12) by virtue of their
arrangement, shape and/or alignment, and wherein the gas jets (12) are subject to
collimation, widening or focusing in the nozzles (110, 111, 112), which collimation,
widening or focusing is matched to the distance (H) from the baffle wall (14, 140)
such that the vortex formation takes place adjacent to the baffle wall (14, 140) or
in an area (14a) of the baffle wall (14, 140), and
b) the baffle wall (14, 140) has a large thermal capacity for cooling of the turbulent
switching gas, and/or the baffle wall (14, 140) has a high thermal conductivity for
cooling of the turbulent switching gas and is thermally conductively connected to
the switching chamber enclosure (3),
c) the baffle wall (14, 140) is formed by at least one section (14) of the switching
chamber enclosure (3), or is attached to a section of the switching chamber enclosure
(3), characterized in that
d) the baffle wall (14, 140) is part of a rated current path or power current path
(15) of the switching device (1).
8. Electrical switching device (1) according to Claim 7, characterized in that the body (10) has a low thermal capacity and/or a low thermal conductivity.
9. Electrical switching device (1) according to one of Claims 7-8,
characterized in that
a) the nozzles (110) taper in the form of a funnel in the radial flow direction of
the switching gas and/or
b) nozzles (111, 112) are provided, in particular mutually adjacent nozzles (111,
112), which are directed with respect to one another such that the trajectories (121,
122) of the associated gas jets (12) cross one another before reaching the baffle
wall (14, 140), and form vortices before reaching the baffle wall (14, 140).
10. Electrical switching device (1) according to one of Claims 7-9,
characterized in that
a) the body (10) is a sleeve (10), in particular composed of metal, whose enclosed
volume V with respect to the total area A of the outlet openings (11) forms a ratio
which is in the range 0.5 m < V/A < 1.5 m, preferably 1 m < V/A < 1.4 m, particularly
preferably 1.2 m < V/A < 1.3 m and/or
b) the outlet openings (11) on the body (10) are arranged more frequently in two radially
opposite areas (11a, 11b) in order to induce a flow, which is guided on circular paths,
helical paths and/or spiral paths on the baffle wall (14, 140), in the switching gas
in the outer volume (7b).
11. Electrical switching device (1) according to one of Claims 7-10,
characterized in that
a) at least one further body with further outlet openings for production of further
gas jets is or are provided in the inner volume (7a), and the inner volume (7a) is
subdivided by the further body into an inner and an outer volume element, and
b) at least one further baffle wall is arranged in the outer volume element such that
the further gas jets are directed against the further baffle wall.
12. Electrical switching device (1) according to one of Claims 7-11, characterized in that at least in each case one associated body (10) and at least in each case one associated
baffle wall (14, 140) are provided in a first blow-out area (7) of the first contact
(4) and in a second blow-out area (8) of the second contact (5).
13. Electrical switching device (1) according to one of Claims 7-12,
characterized in that
a) the switching chamber enclosure (3) is a pressuretight encapsulating enclosure
(3) for the switching gas, and/or
b) the switching chamber enclosure (3) is surrounded by an outer enclosure, which
shields magnetic fields, and/or
c) the switching device (1) is a generator switch (1).
1. Procédé pour le refroidissement d'un gaz de commutation dans un dispositif de commutation
électrique (1) pour des réseaux de distribution d'énergie électrique, en particulier
dans un interrupteur de générateur (1), le dispositif de commutation (1) englobant
une chambre de commutation (2), laquelle est entourée par un boîtier de chambre de
commutation (3), dans lequel par ailleurs lors d'un processus de commutation, le gaz
de commutation circule d'une zone d'extinction d'arc (6) vers une zone d'échappement
(7, 8), passe ce faisant par un corps (10) présentant une pluralité d'ouvertures d'échappement
(11) et est partagé en une pluralité de jets de gaz orientés (12), et dans lequel
on fait par ailleurs tourbillonner les jets de gaz (12) en une pluralité de tourbillons
(13), et de l'énergie thermique est soutirée par convection des tourbillons (13) dans
la zone d'une surface d'impact (14, 140),
a) une caractéristique d'émission des ouvertures d'échappement (11) étant adaptée
à une distance (H) par rapport à la surface d'impact (14, 140) de manière à ce que
les tourbillons (13) soient formés sur ou dans la zone (14a) de la surface d'impact
(14, 140), et
b) l'énergie thermique étant accumulée dans la surface d'impact (14, 140) ou bien
étant retransmise à un dissipateur thermique en liaison thermique avec la surface
d'impact (14, 140), et caractérisé en ce que
c) la surface d'impact (14, 140) est formée par au moins une partie (14) du boîtier
de chambre de commutation (3) ou bien est fixée sur une partie du boîtier de chambre
de commutation (3), et
d) le dispositif de commutation étant conforme à la revendication 7.
2. Procédé selon la revendication 1,
caractérisé en ce que
a) la surface d'impact (14, 140) est maintenue au potentiel du boîtier de chambre
de commutation (3) et/ou en ce que
b) la surface d'impact (14, 140) est maintenue grâce à une thermoconduction à une
température du boîtier de chambre de commutation (3).
3. Procédé selon l'une des revendications précédentes,
caractérisé en ce que
a) la formation des tourbillons (13) est favorisée grâce à l'interaction des jets
de gaz (12) entre eux avant d'atteindre la surface d'impact (14, 140) et en ce que
b) l'on forme en particulier des jets de gaz (12) dans le corps (10) dont les trajectoires
(121, 122) se croisent avant d'atteindre la surface d'impact (14, 140).
4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le gaz de commutation et en particulier les tourbillons (13) est ou sont guidé(s)
sur des trajectoires circulaires, des trajectoires hélicoïdales ou des trajectoires
spiralées le long de la surface d'impact (14, 140).
5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'on fait circuler, à partir de la zone d'arc (6), un flux de gaz de commutation
(100) chaud dans la première zone d'échappement (7), le fait dévier grâce à un élément
de déviation du flux (7c) dans une direction radiale, le fait refluer le long d'une
paroi interne du corps (10) en formant ainsi un flux de recirculation (101) grâce
auquel une pression dynamique se forme dans le volume intérieur (7a) du corps (10).
6. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que dans la zone de la surface d'impact (14a), il se forme une couche de séparation de
tourbillons (130) dans laquelle le tourbillon (13) balaye la surface d'impact (14,
140), y dépose une partie de son énergie thermique, s'éloigne de la surface d'impact
(14, 140) dans une zone d'évacuation (131) du tourbillon (13), effectue une recirculation
et aspire davantage de gaz de commutation dans une zone d'écoulement (132) et l'amène
à la surface d'impact (14, 140) pour un refroidissement.
7. Dispositif de commutation électrique (1) pour un réseau de distribution d'énergie
électrique, en particulier un interrupteur de générateur (1), englobant une chambre
de commutation (2) laquelle est entourée par un boîtier de chambre de commutation
(3) et présente un axe central (1a) ainsi qu'un premier contact (4) et un deuxième
contact (5), dans lequel dans une zone d'échappement (7, 8) du premier ou deuxième
contact (4, 5) il y a un corps (10) avec des ouvertures d'échappement (11) pour y
faire passer à travers du gaz de commutation, la zone d'échappement (7, 8) étant partagée
grâce au corps (10) en un volume intérieur (7a) et un volume extérieur (7b) et une
surface d'impact (14, 140) se trouvant dans le volume extérieur (7b) pour le refroidissement
du gaz de commutation, et dans lequel les ouvertures d'échappement (11) du corps (10)
servent par ailleurs à la génération d'une pluralité de jets de gaz (12) orientés,
les jets de gaz (12) étant orientés vers la surface d'impact (14, 140) et formant
une pluralité de tourbillons (13) et les tourbillons (13) occasionnant un transfert
de chaleur par convection du gaz de commutation vers la surface d'impact (14, 140),
a) les ouvertures d'échappement (11) du corps (10) étant des tuyères (110, 111, 112),
lesquelles, du fait de leur disposition, de leur forme et/ou de leur orientation,
imposent aux jets de gaz (12) une caractéristique d'émission et/ou une orientation
souhaitées, les jets de gaz (12) dans les tuyères (110, 111, 112) étant soumis à une
collimation, un agrandissement ou une focalisation, qui est adapté(e) à une distance
(H) par rapport à la surface d'impact (14, 140) de manière à ce que la formation des
tourbillons s'effectue sur la surface d'impact (14, 140) ou dans une zone (14a) de
la surface d'impact (14, 140), et
b) la surface d'impact (14, 140) présentant une grande capacité thermique pour le
refroidissement du gaz de commutation turbulent, et/ou la surface d'impact (14, 140)
présentant une grande capacité de thermoconduction pour le refroidissement du gaz
de commutation turbulent et étant en liaison de conduction thermique avec le boîtier
de chambre de commutation (3),
c) la surface d'impact (14, 140) étant formée par au moins une partie (14) du boîtier
de chambre de commutation (3) ou bien étant fixée sur une partie du boîtier de chambre
de commutation (3),
d) la surface d'impact (14, 140) est une partie d'un trajet de courant nominal ou
d'un trajet de courant de ligne (15) du dispositif de commutation (1).
8. Dispositif de commutation électrique (1) selon la revendication 7, caractérisé en ce que le corps (10) présente une faible capacité d'échauffement et/ou une faible capacité
de thermoconduction.
9. Dispositif de commutation électrique (1) selon l'une des revendications 7-8,
caractérisé en ce que
a) les tuyères (110) s'amenuisent en forme d'entonnoir en direction de flux radial
du gaz de commutation, et/ou en ce que
b) il existe des tuyères (111, 112), en particulier des tuyères (111, 112) voisines
les unes des autres, lesquelles sont orientées de manière antagoniste de sorte que
les trajectoires (121, 122) des jets de gaz associés (12) se croisent les unes les
autres avant d'atteindre la surface d'impact (14, 140) et forment des tourbillons
avant d'atteindre la surface d'impact (14, 140).
10. Dispositif de commutation électrique (1) selon l'une des revendications 7-9,
caractérisé en ce que
a) le corps (10) est une gaine (10), en particulier en métal, dont le volume qu'elle
renferme V par rapport à la surface globale A des ouvertures d'échappement (11) forment
un rapport se situant dans une plage de 0,5 m < V/A < 1,5 m, de préférence de 1 m
< V/A < 1,4 m, et de manière particulièrement préférée de 1,2 m < V/A < 1,3 m, et/ou
en ce que
b) les ouvertures d'échappement (11) sont disposées sur le corps (10) de manière accumulée
dans deux zones (11a, 11b) situées radialement en vis-à-vis, afin d'induire dans le
gaz de commutation dans le volume extérieur (7b) un flux guidé sur des trajectoires
circulaires, des trajectoires hélicoïdales et/ou des trajectoires spiralées le long
de la surface d'impact (14, 140).
11. Dispositif de commutation électrique (1) selon l'une des revendications 7-10 précédentes,
caractérisé en ce que
a) il existe dans le volume intérieur (7a) au moins un autre corps avec d'autres ouvertures
d'échappement pour générer d'autres jets de gaz, et en ce que le volume intérieur (7a) est partagé par l'autre corps en un sous volume intérieur
et extérieur et en ce que
b) dans le sous volume extérieur, au moins une autre surface d'impact est disposée
de manière à ce que les autres jets de gaz soient orientés vers l'autre surface d'impact.
12. Dispositif de commutation électrique (1) selon l'une des revendications 7-11, caractérisé en ce que respectivement au moins un corps (10) et respectivement au moins une surface d'impact
(14, 140) associée se trouvent dans une première zone d'échappement (7) du premier
contact (4) et dans une deuxième zone d'échappement (8) du deuxième contact (5).
13. Dispositif de commutation électrique (1) selon l'une des revendications 7-12 précédentes,
caractérisé en ce que
a) le boîtier de chambre de commutation (3) est un boîtier de blindage (3) conservant
la pression pour le gaz de commutation, et/ou en ce que
b) le boîtier de chambre de commutation (3) est entouré par un boîtier externe de
protection contre les champs magnétiques, et/ou en ce que
c) le dispositif de commutation (1) est un interrupteur de générateur (1).