[0001] Die Erfindung ezieht sich auf einen Hochspannungsschalter, insbesondere Blaskolbenschalter,
mit radialer Druckgaszufuhr zu einem Elektrodensystem mit einer Doppeldüse, deren
Stirnflächen so geformt sind, daß sich bei geringem Abstand eine hohe Spannungsfestigkeit
ergibt.
[0002] In Hochspannungsanlagen mit einer Nennspannung von beispielsweise mehr als 100 kV
werden bekanntlich Druckgasschalter verwendet, die im allgemeinen als Blaskolbenschalter
gestaltet sind oder auch nach dem Zweidrucksystem arbeiten können. Als Druckgas dient
ein fluorhaltiges elekronegatives Gas, insbesondere Schwefelhexafluorid SF6, das zugleich
als Isoliergas dient. Die einander gegenüberstehenden Elektroden sind zur Abfuhr der
Schaltgase hohl ausgebildet und mit düsenförmig gestalteten Stirnseiten versehen.
Wenigstens ein an die Stirnflächen angrenzender Teil der Elektroden besteht aus Kohlenstoff,
insbesondere aus Graphit. Der innere Düsendurchmesser und der Abstand der Düsen werden
so gewählt, daß man eine gute Löschwirkung auf einen Lichtbogen erhält, der beim Öffnen
des Schalters gezogen wird.
[0003] In Schaltern mit Doppeldüsen, die in einem festen Abstand einander gegenüberstehen,
wird der Lichtbogen durch ein bewegliches Überbrückungsschaltstück gezogen, das im
allgemeinen am Außenmantel der Doppeldüsen angeordnet ist. Ferner kann der Lichtbogen
durch ein Schaltstück innerhalb der Düsen oder auch dadurch gezogen werden, daß bewegliche
Düsen vorgesehen sind, die zur Stromunterbrechung durch axiale Bewegung voneinander
getrennt werden. Durch die im wesentlichen radial nach innen gerichtete Gasströmung
werden die Lichtbogenfußpunkte in die Düsenmündungen hineingeblasen. In Hochspannungsschaltern,
beispielsweise für eine Nennspannung von 245 kV und mehr, können mehrere solcher Unterbrechereinheiten
hoher Abschaltleistung in Reihe geschaltet sein.
[0004] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Hochspannungsschalter anzugeben,
bei dem die Schaltstrecke der Unterbrechereinheit eine hohe dielektrische Festigkeit
hat, vorzugsweise gegen Stoßspannungen, insbesondere im Fall eines Blitzschlags in
die Anlage. Ferner soll bei Druckgasschaltern die radiale Beblasung im Düsenzwischenraum
während einer Lichtbogenlöschung verbessert werden. Die Kühlwirkung des Löschgases
bei der Lichtbogenlöschung kann zwar dadurch erhöht werden, daß der Düsenabstand vermindert
wird. Der Düsenabstand wird aber wesentlich mitbestimmt durch die geforderte Stehspannung
bei geöffnetem Schalter. Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß eine ungleichmäßige
Feldverteilung an den Stirnflächen der Düsen vermieden werden muß.
[0005] Es ist bekannt, daß nach einem Löschvorgang die Schaltstrecke von Ladungsträgern
gesäubert und freigehalten werden muß. Man hat deshalb den Lichtbogen mit Hilfe besonderer
koaxialer beweglicher Kontakte innerhalb der Doppeldüsen und dann im Düsenzwischenraum
radial beblasen. Die Einzeldüsen der Unterbrechereinheit sind an den sich gegenüberstehenden
Stirnflächen elektrisch so günstig geformt, daß sich ein Minimum an Abstand zur Herstellung
der geforderten Spannungsfestigkeit im kalten Zustand ergibt. Durch die Formgebung
der Durchtrittsöffnungen der Schaltkontakte soll der Lichtbogen an einem Übertritt
zu den Düsen gehindert werden. Zur Lösung dieser Aufgabe sind die Stirnflächen der
Doppeldüsen so geformt, daß sie einen Rotationskörper bilden, dessen erzeugende ein
Kreisbogen ist (DE-AS 10 55 643).
[0006] In einem Doppeldüsensystem mit in festem Abstand einander gegenüberstehenden Düsen
hat man zur Strömungsführung der radial zur Rotationsachse des Systems gerichteten
Gasströmung den Stirnflächen der Doppeldüsen eine Form gegeben, deren an den Außenmantel
der Elektroden angrenzender Teil eine stärkere Krümmung hat als der an die Engstelle
der Düsenmündung sich anschließende Teil der Stirnfläche (DE-AS 22 20 897).
[0007] Die erwähnte Aufgabe wird nun erfindungsgemäß gelöst mit dem kennzeichnenden Merkmal
des Anspruchs 1. Damit erhält man eine gleichmäßige Feldverteilung über der Stirnfläche
und einen an die Stirnfläche angrenzenden Teil der Doppeldüsen. Die dielektrische
Festigkeit der Unterbrechereinheit wird entsprechend erhöht und der Düsenabstand kann
ohne Beeinträchtigung der Kaltfestigkeit erheblich vermindert werden. Ferner wird
der Grenzstrom, bis zu dem eine etwa zylindrische Lichtbogenform gewahrt bleibt, wesentlich
erhöht.
[0008] In einer bevorzugten Ausführungsform des Druckgasschalters bildet die Erzeugende
der Stirnfläche einen Teil einer derart geneigten Ellipse, daß deren große Hauptachse
mit der Rotationsachse des Elektrodensystems einen spitzen Neigungswinkel einschließt,
der gegen die Richtung der Düsenmündung geöffnet ist. Damit erhält man ein Profil
des Querschnitts der Doppeldüsen, das sich in der radialen Strömungsrichtung des Druckgases
nach Art einer Laval-Düse zunächst mit geringerer Krümmung verengt und in der Strömungsrichtung
nach der Engstelle mit größerer Krümmung erweitert. In dieser Ausführungsform liegt
die Düsenengstelle nahe der Düsenachse und die Blaswirkung auf einen Lichtbogen wird
dadurch erhöht, daß das Geschwindigkeitsmaximum der radialen Gasströmung näher an
den Staupunkt der Strömung verlagert wird.
[0009] Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in
der ein Ausführungsbeispiel einer bevorzugten Ausführungsform eines Hochspannungsschalters
mit Elektroden nach der Erfindung schematisch veranschaulicht ist.
[0010] Die Figur zeigt den Querschnitt eines rotationssymmetrischen Elektrodensystems 2
mit koaxial zueinander angeordneten hohlzylindrischen Düsen 3 und 4 mit einem Außendurchmesser
D
A von beispielsweise 60 bis 100 mm und einem Innendurchmesser D
i der Düsenmündung beispielsweise etwa 25 bis 50 mm, deren Rotationsachse mit 6 bezeichnet
ist und die eine Doppeldüse einer Unterbrechereinheit bilden, von denen in einem Schalter
für eine Nennspannung von 245 kV beispielsweise zwei in Reihe geschaltet sein können.
Die Stirnflächen stehen in einem festen Abstand A von beispielsweise etwa 20 bis 50
mm einander gegenüber. Die Düsen 3 und 4 können beispielsweise aus Kohlenstoff, insbesondere
aus Graphit, bestehen und in hohlzylindrische metallische Halterungen eingesetzt sein,
von denen in der Figur lediglich eine angedeutet und mit 5 bezeichnet ist. Die Konturen
der Stirnflächen der einander gegenüberstehenden Düsen 3 und 4 bilden jeweils einen
Teil einer Ellipse E, deren Mittelpunkt mit M bezeichnet ist. In dieser Ausführungsform
des Elektrodensystems 2 kann eine ungleichmäßige Feldverteilung und eine Feldkonzentration
an den Stirnflächen der Düsen 3 und 4 nicht auftreten und die dielektrische Festigkeit
der Unterbrechereinheit wird somit entsprechend erhöht.
[0011] In einer bevorzugten Ausführungsform des Druckgasschalters werden die Stirnflächen
der Düsen 3 und 4 so gestaltet, daß die Ellipse E gegen die Rotationsachse 6 geneigt
ist. Ihre große Hauptachse a schließt gegenüber der Rotationsachse 6 einen spitzen
Winkel α
o ein, der gegen die Richtung der Düsenmündung geöffnet ist und beispielsweise etwa
45 bis 75°, insbesondere etwa 55 bis 65°, betragen kann. Der Mittelpunkt M der Ellipse
E wird bestimmt durch seinen Abstand R
m von der Rotationsachse 6 und seinen Abstand ZM von der nicht näher bezeichneten und
in der Figur strichpunktiert angedeuteten Mittelebene des Elektrodensystems 2. Die
Lage und Größe der Ellipse E wird bestimmt durch ihre große Hauptachse a und ihre
kleine Hauptachse b sowie die Koordinaten des Mittelpunktes M und die Neigung ihrer
Hauptachsen gegenüber der Rotationsachse 6, die durch den Winkel α
O festgelegt sind. Das Profil des Querschnitts der Düsen 3 und 4 ist damit in Richtung
der durch einen Pfeil 8 angedeuteten radialen Gasströmung nach Art einer Laval-Düse
gestaltet, die an ihrer den Abstand A bestimmenden engsten Stelle eine hohe Strömungsgeschwindigkeit
des Druckgases bewirkt. Durch die in der Strömungsrichtung zunächst geringe Krümmung
der Stirnfläche wird die etwa durch die Pfeile für den Abstand A angedeutete Engstelle
und damit das Geschwindigkeitsmaximum der Gasströmung zum Staupunkt P an der Rotationsachse
6 verlagert. Damit erhält man eine entsprechend gute Beblasung eines nach dem Öffnen
des Schalters an den Düsen 3 und 4 gezogenen und in der Figur nicht dargestellten
Lichtbogens.
[0012] Im Ausführungsbeispiel wurde ein Leistungsschalter mit Elektroden gewählt, die eine
Doppeldüse bilden. Die Gestaltung der Düsenmündung kann jedoch auch angewendet werden
bei Hochspannungsschalter mit nur einer Düse, beispielsweise bei Trennschaltern.
1. Hochspannungsschalter, insbesondere Blaskolbenschalter, mit radiale Druckgaszufuhr
zu einem Elektrodensystem mit einer Doppeldüse, deren Stirnflächen so geformt sind,
daß sich bei geringem Abstand eine hohe Spannungsfestigkeit ergibt, dadurch gekennzeichnet
, daß die Konturen der Stirnflächen des Querschnitts in Achsrichtung der Düsen (3,
4) jeweils einen Teil einer Ellipse bilden.
2. Hochspannungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erzeugende
der Stirnfläche einen Teil einer derart geneigten Ellipse (E) bildet, daß deren große
Hauptachse (a) mit der Rotationsache (6) einen spitzen Neigungswinkel (αO) einschließt, der gegen die Richtung der Düsenmündung geöffnet ist.
3. Hochspannungsschalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß das
Profil des Querschnitts der Düsen (3, 4) in radialer Richtung zur Rotationsachse (6)
nach Art einer Laval-Düse gestaltet ist.
4. Hochspannungsschalter mit Elektroden, von denen eine als Düse gestaltet ist, deren
Stirnfläche so geformt ist, daß sich bei geringem Abstand eine hohe Spannungsfestigkeit
ergibt, dadurch gekennzeichnet , daß.im Querschnitt in Achsrichtung der Elektroden
die Kontur der Stirnfläche der Düse einen Teil einer Ellipse bildet.
