(19)
(11) EP 0 014 393 A1

(12) EUROPÄISCHE PATENTANMELDUNG

(43) Veröffentlichungstag:
20.08.1980  Patentblatt  1980/17

(21) Anmeldenummer: 80100387.2

(22) Anmeldetag:  25.01.1980
(51) Internationale Patentklassifikation (IPC)3H01H 33/18
(84) Benannte Vertragsstaaten:
CH FR GB IT

(30) Priorität: 03.02.1979 DE 2904109

(71) Anmelder: Licentia Patent-Verwaltungs-GmbH
60596 Frankfurt (DE)

(72) Erfinder:
  • v. Bonin, Eckart
    D-3501 Fuldatal-Simmershausen (DE)

(74) Vertreter: Lertes, Kurt 
Licentia Patent-Verwaltungs-GmbH Theodor-Stern-Kai 1
60596 Frankfurt
60596 Frankfurt (DE)

   


(54) Druckgas-Hochspannungsleistungsschalter


(57) Bei einem Druckgas- Hochspannungsleistungsschalter mit einer Schalt- kontaktanordnung (2,3), die sich in einer elektronegativen Druckgas- Isolier/ Löschmittelatmosphäre, insbesondere SF6-Atmosphäre, befindet, ist eine Anordnung (5A, 5B) zur Erzeugung eines magnetischen Feldes, das auf den Schaltlichtbogen im Sinne einer besseren Löschbarkeit des Lichtbogens im Strom-Nulldurchgang einwirkt, vorgesehen. Diese Anordnung (5A, 5B) zur Erzeugung des magnetischen Feldes ist so ausgebildet und/oder es sind Begrenzungswände vorgesehen derart, daß der Lichtbogen, umgeben von der elektronegativen Druckgasatmosphäre, im wesentlichen steht und nicht rotiert. Durch eine vorgegebene Ausrichtung des Magnetfeldes werden die Bahnen der Ladungsträger derart verwirbelt, daß dem Lichtogen Ladungsträger entzogen werden, die von dem umgebenden elektronegativen Druckgas neutralisiert werden.




Beschreibung


[0001] Die Erfindung bezieht sich auf einen Druckgas-Hochspannungsleistungsschalter gemäß dem Gattungsbegriff des Anspruchs 1.

[0002] Es ist bekannt, bei Hochspannungsleistungsschaltern mit einer Kontaktanordnung, die sich in einer elektronegativen Druckgas-, meist SF6-Atmosphäre, als Isolier- bzw. Löschmittel befinden, den Schaltlichtbogen dem Einfluß eines magnetischen Feldes auszusetzen, derart, daß der Lichtbogen rotiert. Durch die Rotation soll dem Lichtbogen Energie entzogen werden, so daß eine Löschung im Strom-Nulldurchgang möglich.ist. Bei einigen Ausführungen dient der rotierende Lichtbogen zusätzlich auch dazu, das Löschmittel zu bewegen bzw. einen Druck zu erzeugen, damit das so bewegte Löschmittel den Lichtbogen bebläst.

[0003] Man glaubt, daß der Energieentzug des rotierenden Lichtbogens praktisch allein durch die Kühlung des relativ zum Druckgas, d.h. zum SF6-Gas, rotierenden Lichtbogens bewirkt wird.

[0004] Derartige Schalter mit einem rotierenden Lichtbogen besitzen eine relativ aufwendige Kontaktanordnung, d.h. sie besitzen im allgemeinen neben den Schalt-Kontaktstücken zusätzliche Ringkontakte, auf die der Lichtbogen beim Auseinanderziehen der Schaltkontaktstücke übergeht und entlang deren er bis zur Löschung rotieren kann.

[0005] Die Erfindung geht von der Überlegung aus, daß der Energieentzug des Lichtbogens nicht, wie angenommen wird, durch die vorgenannte Kühlwirkung des Lichtbogens aufgrund der Rotation relativ zum Druckgas bewirkt werden kann. Im Augenblick des Strom-Nulldurchganges, der für die Ausschaltung praktisch allein interessant ist, steht nämlich der Lichtbogen ohnehin, da die auf ihn wirkende Kraft gleich Null ist. Auch wenn der Lichtbogen vorher rotiert hat und nach dem Nulldurchgang weiter rotieren würde, steht er im Strom-Nulldurchgang da sich nach dem Nulldurchgang die Drehrichtung ändert. An der entscheidenden Stelle (Strom-Nulldurchgang) bzw. im Bereich davor (Strom geht gegen Null und damit geht auch die Drehkraft gegen Null) ist somit keine bzw. nur eine geringe Relativbewegung gegeben, so daß insoweit die Kühlwirkung gering bleiben dürfte. Wenn das Druckgas sich andererseits mitdrehen würde, so daß während der ganzen Stromhalbwelle keine große Kühlwirkung erzielt würde, so würde aber auch gerade im Nulldurchgang der Lichtbogen ohne Relativgeschwindigkeit "schwimmen", d.h. er würde auch dann mitgedreht und würde somit nicht gekühlt werden.

[0006] Wenn es jedoch nach der Erkenntnis der Erfindung nicht die Kühlung des Bogens durch die Relativbewegung zwischen Lichtbogen und Druckgas ist, die die bekannten Schalter funktionsfähig macht, sondern praktisch allein die Verarmung an Ladungssträngen im Lichtbogen, so ist auch eine Rotation des Lichtbogens mit den Nachteilen des zusätzlichen Aufwandes bezüglich der speziellen Elektroden überflüssig.

[0007] Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, den Druckgasschalter der eingangs genannten Art so auszubilden, daß das gleiche Schaltverhalten mit geringerem Aufwand erzielbar ist. Die Lösung dieser Aufgabe gelingt gemäß der Erfindung durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1.

[0008] Der erfindungsgemäße Druckgasschalter arbeitet daher mit einem in der elektronegativen Druckgas-, insbesondere SF6-Atmosphäre, im Magnetfeld stehenden Schaltlichtbogen. Dieser Lichtbogen steht daher im Raum zwischen zwei Elektroden, den Schaltstücken der Schaltstrecke oder zusätzlichen Kontaktstücken, die jedoch nicht besonders ausgebildet sein müssen, insbesondere keine Ringform aufweisen müssen. Sie können daher ähnlich den üblichen Stift- oder Rohrelektroden ausgebildet sein. Der Schalterlichtbogen ist daher mit besonders einfachen Mitteln - es sind praktisch nur die Spulen der Magnetfeldanordnung notwendig - ohne Veränderung der herkömmlichen Kontaktsysteme günstig im Sinne einer sicheren Löschung zu beeinflussen. Die Lehre nach der Erfindung eignet sich daher mit Vorteil auch für die zusätzliche nachträgliche Ausrüstung von herkömmlichen Druckgasschaltern, insbesondere SF6-Schaltern.

[0009] Die Lehre nach der Erfindung, die allen später in der Zeichnung beschriebenen Ausführungsformen zugrunde liegt, beruht darauf, daß das Magnetfeld auf die Bahn der einzelnen Ladungsträger wirkt und nicht nur auf den Lichtbogen als Ganzes. Wenn die Ladungsträger die bekannten "korkenzieherähnlichen" Bahnen einschlagen, wird die thermische Leitfähigkeit (die elektrische Leitfähigkeit inforge thermodynamischer Stoßprozesse) stark herabgesetzt, so daß eine Löschung des Lichtbogens auch unter starker nachfolgender Spannungsbeanspruchung erfolgt. Die Anordnung des Feldes, die Ausbildung der Kontaktanordnung usw. ist daher stets so zu treffen, daß das Magnetfeld die Bahn der Ladungsträger im Lichtbogen derart verwirbelt, daß der Leitwert des Lichtbogens stark abfällt. Dieser Effekt drückt sich durch eine höhere Brennspannung vor dem Strom-Nulldurchgang aus.

[0010] Das Magnetfeld braucht dabei nicht unbedingt senkrecht auf dem elektrischen Feld des Lichtbogens zu stehen. Es ist auch kein homogenes Magnetfeld vorgeschrieben; divergente Felder oder "Cusp"-Felder sind ebenfalls denkbar. Es ist auch möglich, ein im wesentlichen paralleles Magnetfeld zu benutzen (parallel zum elektrischen Feld), da davon ausgegangen werden muß, daß wegen der Thermodynamik die Ladungsträger nie eine gradlinige Bahn in Feldrichtung durchlaufen, sondern schon die leichtesten Bahnabweichungen aufgrund von Stößen zu Querbewegungen führen, die dann die volle Bahnablenkung im Magnetfeld zur Folge haben.

[0011] Die Anordnung ist dabei so zu treffen, daß sich der Lichtbogen als Ganzes nicht aus der optimalen Lage herausbewegen kann. Dies kann durch Kammerwände, z.B. in Form eines Rohres oder bestimmte Magnetfeldformen oder Kombinationen von beiden bewirkt werden. Leistungsschalter im Niederspannungs- und Mittelspannungsbereich mit im Magnetfeld nicht rotierendem Lichtbogen in Luft sind an sich bekannt. Bei diesen bekannten Leistungsschaltern wandert der Lichtbogen auf Schienen in eine Löschkammer, an deren Wänden er (durch Wärmeableitung) gekühlt wird. Bei dem Schalter nach der Erfindung entfällt jedoch eine Kühlung durch Wärmeleitung an entsprechenden Wänden; es steht die Verarmung an Ladungsträgern im Vordergrund.

[0012] Es sind auch Vakuumschalter (im Mittelspannungsbereich) mit im Magnetfeld stehenden Lichtbogen bekannt, bei denen der Effekt der Ladungsträgerverarmung ausgenutzt wird. Dennoch wird von der Fachwelt für die SF6-Hochspannungsschalter stets ein rotierender Lichtbögen verwendet, wahrscheinlich wegen der festen Überzeugung, daß die Kühlung durch die Relativbewegung vom Lichtbogen und umgebendem Gas ausschlaggebend ist.

[0013] Anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen wird die Erfindung näher beschrieben.

[0014] Es zeigen:



[0015] Die in Figur 1 dargestellte Schaltkammer eines Druckgasschalters weist ein Gehäuse 1 auf, in der ein fester Schaltkontakt 2 und ein beweglicher Schaltkontakt 3 eingeführt sind, und die eine SF6-Gasatmosphäre in der üblichen Weise enthält. Die Schaltkontakte des Schalters befinden sich in einer Stellung, in der sich ein Lichtbogen 4 zwischen den Schaltkontakten 2 und 3 befindet. Es sind weiterhin zwei Magnetfelder erzeugende Spulen 5a und 5b vorgesehen, wobei in der Ausführungsform nach Figur 1 das Magnetfeld mit der Induktion

senkrecht auf dem elektrischen Feld der Feldstärke

des Lichtbogens steht. Umleitstücke, d.h. Fingerkontakte 6a, 6b bzw. ein Isolierstück 7 im beweglichen Kontaktstück 3 sorgen für eine Umleitung des Stromes auf die Spulen 5a und 5b im geöffneten Zustand der Schaltstrecke. Ist die Schaltstrecke geschlossen, umgreifen die Fingerkontakte 6a, 6b das Schaltstück 2; der Strom fließt dann allein über die Kontaktstrecken 2, 3, d.h. die Spulen 5a, 5b sind kurzgeschlossen. Im dargestellten geöffneten Zustand fließt der Strom von dem Kontakt 2 über den Lichtbogen und die Spulen 5a, 5b zum Kontakt 3. Es ist weiterhin ein Rohr 8 vorgesehen, das den freien Raum zwischen den Schaltkontakten umhüllt und das den Lichtbogen in seiner Lage festhält, d.h., das Rohr sorgt dafür, daß sich .im Magnetfeld ein stehender Schaltlichtbogen ausbildet,

[0016] Das Magnetfeld wirkt auf die einzelnen LaduDgsträger des Lichtbogens unmittelbar ein, die die bekannte korkenzieherähnlich Bahn beschreiben, d.h. aus dem Lichtbogen heraustreten'und von dem SF6-Gas neutralisiert werden. Schalter mit stehendem Lichtbogen im elektrischen Feld einer Luftatmosphäre sind an sich bekannt; im vorliegenden Fall ist jedoch die Atmosphäre eine SF6-Atmosphäre, die sich besonders günstig auf das Neutralisieren der herausgelösten Ladungsträger auswirkt. Das Magnetfeld verwirbelt die Bahn der Ladungsträger sehr intensiv, so daß der Leitwert stark abfällt. Dadurch, daß das Magnetfeld senkrecht auf dem elektrischen Feld des Lichtbogens steht, ist die Verwirbelung besonders intensiv, da die Kraft, die von dem Magnetfeld auf die Ladungsträger ausgeübt wird, besonders groß ist.

[0017] Die Figur 2 zeigt eine Anordnung entsprechend der Figur 1, wobei hierbei nur die Schaltkontakte 2 und 3 dargestellt.sind und die Richtung des magnetischen Feldes angedeutet ist. Im Ausführungsbeispiel nach der Figur 2 verläuft das Magnetfeld mit der Induktion parallel zum elektrischen Feld . Wie bereits eingangs erwähnt, muß davon ausgegangen werden, daß wegen der Thermodynamik die Ladungsträger nie eine gradlinige Bahn in Feldrichtung durchlaufen, sondern schon die leichtesten Bahnabweichungen aufgrund von Stößen zu Querbewegungen führen, die dann die volle Bahnablenkung im Magnetfeld zur Folge haben.

[0018] Die Figur 3 zeigt entsprechend der prinzipiellen Darstellungsweise der Figur 2 die beiden Schaltkontakte 2 und 3, zwischen denen der Lichtbogen mit dem elektrischen Feld brennt. Bei dieser Ausführungsform sind die Spulen zur Erzeugung des Magnetfeldes derart angeordnet, daß ein sogenanntes "Cusp"-Feld entsteht, d.h. ein Magnetfeld, dessen axial ankommende Feldlinien sich nach beiden Seiten des Schalterlichtbogens mittig wegerstrecken.

[0019] Die Figur 4 zeigt entsprechend der prinzipiellen Darstellungsweise der Figuren 2 und 3 die Schalterkontakte 2 und 3, zwischen denen der Lichtbogen brennt. Bei dieser Ausführungsform wird ein Magnetfeld verwendet, das im Bereich des Lichtbogens ausgebaucht ist, d.h. einen radialen Gradienten aufweist, wobei durch diese Magnetfeldgeometrie dafür gesorgt ist, daß der Lichtbogen durch das Magnetfeld unmittelbar festgehalten wird, so daß die Notwendigkeit des Vorsehens einer Kammerwand, z.B. in Form eines Rohres wie in Figur 1, entfällt. Dieses den Lichtbogen festhaltende Rohr müßte an sich auch bei den Anordnungen gemäß den Figuren 2 und 3 verwendet werden, es ist jedoch dort aus Gründen der übersichtlichen Darstellung wegen weggelassen worden.

[0020] Es ist verständlich, daß wegen des prinzipiellen Charakters der Erfindung dem Fachmann noch verschiedene andere Ausführungsformen zur Verfügung stehen bzw. es ist verständlich, daß die Figuren nur Prinzipdarstellungen zeigen können, d.h. die gemäß der Erfindung ausgebildeten Schalter weisen in üblicher Weise auch nicht dargestellte Blaseinrichtungen und weitere Hilfseinrichtungen auf, wie sie bei Druckgasschaltern, insbesondere autopneumatischen Schaltern, üblich sind.

[0021] Die Figur 5 zeigt eine Ausführungsform, bei der ein üblicher autopneumatischer Druckgasschalter für Spannungen bis zu 400 kV u.m. nachträglich mit den Merkmalen der Erfindung versehen wurde.

[0022] Auf dem Kopf eines Zylinders 9, in dem ein Kolben 10 gleitend gehaltert ist, d.h. an einem Zylinderdeckel 11, an dem sich auch eine Düse 12 zur Beblasung des Lichtbogens, wenn sich der Kolben 10 in Richtung des Zylinderdeckels 11 bewegt, befindet, sind die Spulen 5a, 5b angebracht, und in der bereits im Zusammenhang mit der Figur 1 erläuterten Weise elektrisch mit dem Kontaktstück 3, mit den Kontaktfingern 6a, 6b bzw. seinem vorderen Kontaktfinger 3a, der in das hohle, rohrförmige Kontaktstück 2 einfahrbar ist, verbunden. Wird der Schalter geöffnet, so wird der Schaltlichtbogen intensiv beblasen; gleichzeitig erfolgt durch die Wirkung des Magnetfeldes auf den Lichtbogen eine Verarmung an Ladungsträgern, was die Löschbarkeit des Lichtbogens unterstützt.

[0023] Man erkennt aus der Figur 5, daß die Spulen 5a, 5b ohne weiteres an der ohnehin vorhandenen Düse eines SF6-Schalters befestigt werden können, ohne daß es größerer Umbauten bedarf. Lediglich das bewegliche Kontaktstück 3 muß in an sich bekannter Weise an der Spitze mit dem Isolierstück 7 versehen werden.

[0024] Der besseren Übersicht halber sind in der Figur 5 Maßnahmen zum Festhalten der Lichtbogen, z.B. ein Rohr 8, nicht dargestellt. Auch diese Figur 5 zeigt nur eine von mehreren möglichen Ausführungsformen der Anordnung der Spulen 5a, 5b bzw. der Ausbildung der Anschlüsse für die Spulen. Diese Anschlüsse sind zweckmäßig stets so zu treffen, daß der Strom über die Spulen nur im ausgeschalteten Zustand der Kontaktstrecke fließt. Die Ausbildung ist dabei im Einzelfall von der Kontaktanordnung des Schalters abhängig.


Ansprüche

1. Druckgas-Hochspannungsleistungsschalter mit einer Schaltkontaktanordnung, die sich in einer elektronegativen Druckgas-Isolier/ Löschmittelatmosphäre, insbesondere SF6-Atmosphäre, befindet und mit einer Anordnung zur Erzeugung eines magnetischen Feldes, das auf den Schaltlichtbogen im Sinne einer besseren Löschbarkeit des Lichtbogens im Strom-Nulldurchgang einwirkt,
dadurch h gekennzeichnet,
daß die Anordnung zur Erzeugung des magnetischen Feldes so ausgebildet ist und/oder Begrenzungswände (8) vorgesehen sind, derart, daß der Lichtbogen (4) umgeben von der elektronegativen Druckgasatmosphäre im wesentlichen steht, und daß durch eine vorgegebene Ausrichtung des Magnetfeldes die Bahnen der Ladungsträger derart verwirbelt werden, daß dem Lichtbogen Ladungsträger entzogen werden, die von dem umgebenden elektronegativen Druckgas neutralisiert werden.
 
2. Druckgas-Hochspannungsleistungsschalter nach Anspruch 1,
dadurch h gekennzeichnet,
daß als Begrenzungswände ein den Lichtbogen konzentrisch umgebendes Rohr (8) vorgesehen ist.
 
3. Druckgas-Hochspannungsleistungsschalter nach Anspruch 1,
dadurch h gekennzeichnet,.
daß das Magnetfeld, das in der Grundstruktur parallel zum elektrischen Feld des Lichtbogens ausgebildet ist, im Bereich des Lichtbogens zwecks Festhalten des Lichtbogens einen radial gerichteten, vom Lichtbogen aus fallenden Gradienten aufweist (Fig. 4).
 
4. Druckgas-Hochspannungsleistungsschalter nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß das magnetische Feld im wesentlichen parallel zum elektrischen Feld des Lichtbogens ausgerichtet ist (Fig. 2).
 
5. Druckgas-Hochspannungsleistungsschalter nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch h gekennzeichnet,
daß das Magnetfeld senkrecht auf dem elektrischen Feld des Lichtbogens steht (Fig. 1).
 
6. Druckgas-Hochspannungsleistungsschalter nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch h gekennzeichnet,
daß das Magnetfeld ein "Cusp"-Feld ist (Fig. 3).
 
7. Druckgas-Hochspannungsleistungsschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, der eine Zylinder/Kolbenanordnung (9, 10) mit einem schaltstreckenseitig aufgesetzten Zylinderdeckel (11) aufweist, an dem eine Düse (12) zur Beblasung des Schaltlichtbogens angebracht ist,
dadurch h gekennzeichnet,
daß die Anordnungen (5a, 5b) zur Erzeugung des magnetischen Feldes im Bereich der Düse (12) angebracht sind.
 




Zeichnung










Recherchenbericht