TECHNISCHES GEBIET
[0001] Die Erfindung geht aus von einem Leistungsschalter gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs
1.
STAND DER TECHNIK
[0002] Es sind mit einem gasförmigen Isolier- und Löschmedium, vorzugsweise Schwefelhexafluorid,
gefüllte Leistungsschalter bekannt, die eine Löschkammer mit einer Leistungsstrombahn
und einer Nennstrombahn aufweisen. In der Regel ist eine mit einer Isolierdüse versehene
Lichtbogenlöschzone vorgesehen. Die Leistungsstrombahn weist mindestens einen feststehenden
und einen beweglichen Kontakt auf. Die Löschkammer kann als einfach beblasene oder
mit einer Doppelblasung versehene Kammer ausgebildet sein. Ferner kann die Löschkammer
als selbstbeblasene Kammer ausgebildet sein, bei welcher die Energie des Lichtbogens
den für die Löschung desselben nötigen Blasdruck selbst erzeugt, welcher in einem
Blasvolumen solange gespeichert wird, bis eine erfolgversprechende Beblasung des Lichtbogens
möglich ist. Ein besonders rascher Druckaufbau im Blasvolumen wird erreicht, wenn
der Lichtbogen durch eine der bekannten Massnahmen in Rotation versetzt wird. Bei
den bekannten Leistungsschaltern tritt ein vergleichsweise grosser Kontaktabbrand
auf.
[0003] Aus der Offenlegungsschrift DE 3 041 083 A1 ist eine Löschkammeranordnung mit Doppelbeblasung
bekannt, welche zwei feststehende, voneinander beabstandete, rohrförmig ausgebildete
Kontakte aufweist. Im eingeschalteten Zustand ist der Abstand zwischen den beiden
Kontakten mittels eines beweglichen Kontaktkorbs elektrisch leitend überbrückt. Beim
Ausschalten gleitet der Kontaktkorb von dem einen der Kontakte herunter und zieht
dabei einen Lichtbogen. Dieser Lichtbogen kommutiert, wenn sich der Kontaktkorb weiterbewegt,
vom Kontaktkorb auf den zweiten der feststehenden Kontakte, sodass der Lichtbogen
nun zwischen den beiden feststehenden Kontakten brennt. Der Lichtbogen wird dort mit
druckbeaufschlagtem Isoliergas beblasen, wobei der Druck beispielsweise durch eine
Kolben-Zylinder-Anordnung oder durch die Lichtbogenenergie selbst erzeugt werden kann.
Die Lichtbogenfusspunkte wandern bei dieser Löschkammeranordnung ins Innere der feststehenden
Kontakte und der Lichtbogen verlängert sich danach, sodass die im Lichtbogen umgesetzte
Energie ansteigt, was einen beträchtlichen Kontaktabbrand zur Folge hat.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
[0004] Die Erfindung, wie sie in den unabhängigen Ansprüchen gekennzeichnet ist, löst die
Aufgabe, einen Leistungsschalter zu schaffen, bei welchem mit einfachen Mitteln der
Kontaktabbrand reduziert wird.
[0005] Die durch die Erfindung erreichten Vorteile sind im wesentlichen darin zu sehen,
dass der Lichtbogen in einem Ringspalt brennt, sodass ein Auslängen desselben mit
grosser Sicherheit vermieden wird, was zur Folge hat, dass die Lichtbogenenergie auf
kontrollierbare Werte begrenzt wird. Das Volumen und auch die Abmessungen der Löschkammer
können damit vorteilhaft klein gehalten werden, sodass ein vorteilhaft raumsparender
und preislich günstiger Leistungsschalter entsteht.
[0006] Die weiteren Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstände der abhängigen Ansprüche.
[0007] Die Erfindung, ihre Weiterbildung und die damit erzielbaren Vorteile werden nachstehend
anhand der Zeichnung, welche lediglich einen Ausführungsweg darstellt, näher erläutert.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
[0008] Es zeigen:
Fig.1 einen ersten, stark vereinfachten Teilschnitt durch eine erste Ausführungsform
eines erfindungsgemässen Leistungsschalters mit eingeschalteter Löschkammer,
Fig.2 einen zweiten, stark vereinfachten Teilschnitt durch die erste Ausführungsform
des erfindungsgemässen Leistungsschalters mit einer beim Abschalten in einer ersten
Zwischenstellung dargestellten Löschkammer,
Fig.3 einen dritten, stark vereinfachten Teilschnitt durch die erste Ausführungsform
des erfindungsgemässen Leistungsschalters mit einer beim Abschalten in einer zweiten
Zwischenstellung dargestellten Löschkammer, und
Fig.4 einen stark vereinfachten Teilschnitt durch eine zweite Ausführungsform des
erfindungsgemässen Leistungsschalters.
[0009] Bei den Figuren sind gleich wirkende Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Alle für das unmittelbare Verständnis der Erfindung nicht erforderlichen Elemente
sind nicht dargestellt.
WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
[0010] In der Fig.1 ist ein erster, stark vereinfachter Teilschnitt durch eine erste Ausführungsform
eines erfindungsgemässen Leistungsschalters dargestellt. Dieser Leistungsschalter
weist eine mit einem isolierenden Medium, beispielsweise Schwefelhexafluorid (SF
6-Gas), gefüllte Löschkammer 1 auf. Die Löschkammer 1 weist eine Längsachse 2 auf,
um welche die Löschkammerkontakte zentrisch symmetrisch angeordnet sind. Eine feststehende
Kontaktanordnung 3 aus einem elektrisch leitenden Metall ist mit einem zentral angeordneten,
aus einem Isoliermaterial bestehenden, zylindrisch ausgebildeten Führungsteil 4 starr
verbunden. Als besonders geeignet für die Herstellung des Führungsteils 4 hat sich
Polytetrafluoräthylen (PTFE) erwiesen. Das Polytetrafluoräthylen (PTFE) kann mit Hilfe
von Füllstoffen den jeweiligen Betriebsanforderungen des Leistungsschalters angepasst
werden. Wenn vergleichsweise hohe Wechselströme zu unterbrechen sind, so wird das
Führungsteil 4 aus besonders abbrandfestem PTFE hergestellt. Es ist jedoch möglich,
das Führungsteil 4 aus anderen Isolierstoffen, die ebenfalls gefüllt sein können,
herzustellen. Das Führungsteil 4 erstreckt sich auf eine Kontaktanordnung 5 zu und
wird bei eingeschalteter Löschkammer 1 vom dieser teilweise umschlossen. Die feststehende
Kontaktanordnung 3 ist mit einem konzentrisch zum Führungsteil 4 angeordneten, ringförmig
ausgebildeten Abbrandkontakt 6 versehen. Die der Kontaktanordnung 5 zugewandte Seite
des Abbrandkontakts 6 ist mit einer ringförmig ausgebildeten Abdeckung 7 aus einem
abbrandfesten, elektrisch leitenden Material, vorzugsweise Graphit, versehen. Die
Kontaktanordnung 5 weist einen inneren Kontaktkorb 8 auf, den ein äusserer Abbrandkontakt
9 konzentrisch umgibt. Der innere Kontaktkorb 8 wird durch einen nicht dargestellten
Antrieb in axialer Richtung betätigt. Der äussere Abbrandkontakt 9 ist feststehend
angeordnet. Der innere Kontaktkorb 8 und der Abbrandkontakt 9 sind elektrisch leitend
miteinander verbunden, sie weisen stets das gleiche elektrische Potential auf. Die
der feststehenden Kontaktanordnung 3 zugewandte Seite des feststehenden Abbrandkontakts
9 ist mit einer ringförmig ausgebildeten Abdeckung 10 aus einem abbrandfesten, elektrisch
leitenden Material, vorzugsweise Graphit, versehen. Der innere Kontaktkorb 8 besteht
aus einzelnen Kontaktfingern, die parallel zueinander verlaufen. Die Kontaktfinger
weisen an der Spitze jeweils eine abbrandfeste, aus elektrisch leitendem Material
bestehende Kappe 11 auf. Für diese Kappe 11 wird vorzugsweise Wolframkupfer verwendet.
Die Kappen 11 liegen im eingeschalteten Zustand der Löschkammer 1 mit ihrer Kontaktfläche
11a auf einer zylindrisch ausgebildeten Kontaktfläche 3a der feststehenden Kontaktanordnung
3 auf und kontaktieren diese Kontaktfläche 3a elektrisch leitend. Die Kontaktfläche
3a kann an der dem Führungsteil 4 zugewandten Seite mittels eines Abbrandrings 3b
aus abbrandfestem elektrisch leitendem Material verstärkt werden.
[0011] Die Strombahn für den durch die geschlossene Löschkammer 1 fliessenden Wechselstrom
führt, wenn vergleichsweise kleine Nennströme zu führen sind, von der feststehenden
Kontaktanordnung 3 in die Kappen 11, durch den Kontaktkorb 8 und weiter durch den
nicht dargestellten Teil der Kontaktanordnung 5. Wenn die Löschkammer 1 für vergleichsweise
grosse Nennströme ausgelegt ist, so ist parallel zu der beschriebenen Strombahn eine,
in der Regel aussen und konzentrisch zu dieser angeordnete, separate Nennstrombahn
vorgesehen.
[0012] Die oben beschriebene Strombahn wird von einem aus einem Isoliermaterial gefertigten
Gehäuse 12 eingeschlossen. Als besonders geeignet für die Herstellung des Gehäuses
12 hat sich Polytetrafluoräthylen (PTFE) erwiesen. Das Polytetrafluoräthylen (PTFE)
kann mit Hilfe von Füllstoffen den jeweiligen Betriebsanforderungen des Leistungsschalters
angepasst werden. Das Gehäuse 12 kann auch aus einem anderen elektrisch isolierenden
Kunststoff hergestellt werden und dann innen mit einer entsprechenden Auskleidung
aus Polytetrafluoräthylen (PTFE) versehen werden. Wenn vergleichsweise hohe Wechselströme
zu unterbrechen sind, so wird das Gehäuse 12 aus besonders abbrandfestem PTFE hergestellt.
Es ist jedoch möglich, das Gehäuse 12 aus anderen Isolierstoffen, die ebenfalls gefüllt
sein können, herzustellen. Das Gehäuse 12 weist einen in Richtung der Längsachse 2
zeigenden Absatz 13 auf, der sich in Richtung der Längsachse 2 erstreckt. Es kann
auch vorteilhaft sein, diesen Absatz 13 aus einem besonders abbrandfesten Isoliermaterial
herzustellen, wobei der Absatz 13 beispielsweise durch ein gezieltes Dotieren bei
der Gehäuseherstellung abbrandfest gemacht wird. Der Absatz 13 kann beispielsweise
auch als separater Ring aus besonders abbrandfestem Isoliermaterial gefertigt werden,
welcher dann in das Gehäuse 12 eingegossen wird. Der Absatz 13 ragt in den Raum zwischen
den beiden Abbrandkontakten 6 und 9 hinein. Die innere Oberfläche 14 des Absatzes
13 reicht bei geschlossener Löschkammer 1 vergleichsweise nahe an die äussere Oberfläche
8a des Kontaktkorbs 8 heran, sie berührt diese jedoch nicht. Der Absatz 13 füllt den
Raum zwischen den beiden Abbrandkontakten 6 und 9 nicht vollständig auf, zwischen
der einen Flanke 13a des Absatzes 13 und der Abdeckung 7 verbleibt ein ringförmig
ausgebildeter Raum 15, der in einen ringförmig ausgebildeten Kanal 16 übergeht. Der
Kanal 16 mündet in ein konzentrisch zur Längsachse 2 angeordnetes, nicht dargestelltes
Blasvolumen ein. Zwischen der anderen Flanke 13b des Absatzes 13 und der Abdeckung
10 verbleibt ein ebenfalls ringförmig ausgebildeter Raum 17, der in einen ringförmig
ausgebildeten Kanal 18 übergeht. Der Kanal 18 führt hier nach unten und mündet in
ein nicht dargestelltes Auspuffvolumen ein. Der Kontaktkorb 8 umschliesst das Führungsteil
4.
[0013] Die Fig.2 zeigt die in Fig.1 dargestellte Löschkammer 1 in einer ersten Zwischenstellung
kurz nach dem Beginn des Abschaltvorgangs. Ein Pfeil 20 gibt die Bewegungsrichtung
des Kontaktkorbs 8 beim Ausschalten an. Der mit der Abdeckung 10 versehene Abbrandkontakt
9 bewegt sich nicht mit in diese Richtung. Die Kontaktfläche lla der Kappe 11 der
Kontaktfinger des Kontaktkorbs 8 ist bereits von der Kontaktfläche 3a auf den Abbrandring
3b und danach auf die bündig an ihn anschliessende Oberfläche des Führungsteils 4
aus Isoliermaterial geglitten, wobei ein kleiner Lichtbogen zwischen der dem Führungsteil
4 zugewandten Kante des Abbrandrings 3b und der Kappe 11 entstanden ist. Dieser Lichtbogen
brennt jedoch nur kurzzeitig auf diese Kante des Abbrandrings 3b. Sowie die Ausschaltbewegung
weiter fortschreitet, kommutiert der eine Lichtbogenfusspunkt von der Kante des Abbrandrings
3b auf die abbrandfeste Abdeckung 7 des Abbrandkontakts 6. Zwischen dieser Abdeckung
7 und der Vorderkante der Kappe 11 brennt nun ein Lichtbogen 21. Dieser Lichtbogen
21 heizt das Gas in seiner Umgebung, also im Raum 15, auf und bringt es auf ein höheres
Druckniveau. Das druckbeaufschlagte Gas strömt dann, wie die Pfeile 22 andeuten, durch
den Kanal 16 in das nicht dargestellte Blasvolumen ab, wo es gespeichert wird. Der
Lichtbogen 21 kann in diesem Bereich der Ausschaltbewegung die Kontaktfläche 11a der
Kappe 11 nicht angreifen, da diese Kontaktfläche 11a auf der Oberfläche des Führungsteils
4 aufliegt, wodurch sie geschützt wird. Das Stromtragvermögen der Kontaktfläche 11a
der Kappe 11 bleibt demnach voll erhalten.
[0014] Die Fig.3 zeigt die in Fig.1 dargestellte Löschkammer 1 in der Ausschaltstellung.
Der Kontaktkorb 8 hat sich soweit in Richtung des Pfeils 20 bewegt, dass die Abdeckungen
7 der Kontaktfinger des Kontaktkorbs 8 nun innerhalb des mit der Abdeckung 10 versehenen
feststehenden Abbrandkontakts 9 liegen, sodass der untere Fusspunkt des Lichtbogens
21 von der Kappe 11 auf die Abdeckung 10 des Abbrandkontakts 9 kommutiert ist. Der
Lichtbogen 21 brennt nun im zwischen der Oberfläche 14 des Absatzes 13 und der Oberfläche
des Führungsteils 4 gebildeten Ringspalt 23 zwischen der Abdeckung 7 und der Abdeckung
10, sodass auch in diesem Bereich des Ablaufs der Ausschaltbewegung die Kontaktfläche
11a der Kappe 11 sicher gegen schädliche Direkteinwirkungen des Lichtbogens 21 geschützt
ist. Der Kontaktkorb 8 wird in dieser Position durch den feststehenden Abbrandkontakt
9 dielektrisch abgeschirmt. Der ringförmige Raum 17 wird durch den Lichtbogen 21 nun
ebenfalls aufgeheizt, und das dort entstandene druckbeaufschlagte Gas strömt, wie
ein Pfeil 24 andeutet, durch den Kanal 18 ab in ein nicht dargestelltes untenliegendes
Auspuffvolumen.
[0015] Ein besonders günstiges Abbrandverhalten ergibt sich, wenn der Lichtbogen 21 rotiert.
Um dieses Rotieren zu erreichen, ist ein axiales, auf den Lichtbogen 21 einwirkendes
Magnetfeld nötig. Dieses Magnetfeld kann auf bekannte Weise durch zweckmässig angeordnete
Magnetspulen oder durch entsprechende Permanentmagnete erzeugt werden. In der Fig.4
ist beispielsweise ein Permanentmagnet 27 im Innern des Führungsteils 4 konzentrisch
zum Ringspalt 23 angeordnet, welcher dieses auf den Lichtbogen 21 einwirkende Magnetfeld
erzeugt, sodass der Lichtbogen 21 im Ringspalt 23 um die Längsachse 2 rotiert.
[0016] Zur Erläuterung der Wirkungsweise werden die Figuren nun näher betrachtet. In der
Fig.2 ist der Raum 15 gegen unten durch den Absatz 13 und die Kappen 11 abgeschlossen.
Der Lichtbogen 21 heizt das in dem Raum 15 befindliche Gas auf. Das aufgeheizte, sich
nun auf einem höheren Druckniveau befindende Gas strömt, wie die Pfeile 22 andeuten,
durch den Kanal 16 in das Blasvolumen ab, wo es gespeichert wird, bis es für die Löschung
des Lichtbogens 21 benötigt wird. Der Raum 15 weist bei dieser Stellung des Kontaktkorbs
8 keine weiteren nennenswerten Abströmquerschnitte auf, sodass praktisch das gesamte
druckbeaufschlagte Gas in das Blasvolumen strömt, dadurch ist sichergestellt, dass
gleich nach der erfolgten Kontakttrennung eine wirkungsvolle Druckerzeugung stattfinden
kann.
[0017] Die Löschung des Lichtbogens 21 erfolgt, wenn der Lichtbogen 21, wie in Fig.3 dargestellt,
zwischen den Abdeckungen 7 und 10 im Ringspalt 23 brennt. Der Lichtbogen 21 brennt
in der Regel nicht stationär, die Lichtbogenfusspunkte wechseln, bedingt durch die
einwirkenden elektrodynamischen Kräfte, ihre Position laufend, sodass sich der Abbrand
der Abdeckungen 7 und 10 über deren Peripherie verteilt. Wird nun der Lichtbogen 21
durch ein Magnetfeld zum schnellen Rotieren im Ringspalt 23 gebracht, so reduziert
sich der Abbrand der Abdeckungen 7 und 10 nochmals.
[0018] Der Lichtbogen 21 weist, abhängig vom Augenblickswert des abzuschaltenden Wechselstroms,
eine unterschiedliche Intensität auf, sodass auch die Druckerzeugung im Raum 15 unterschiedlich
stark ist. Wenn der Lichtbogenstrom in den Bereich um einen Stromnulldurchgang gelangt,
so herrscht im Raum 15 ein kleinerer Gasdruck als im Blasvolumen. Dieses Druckgefälle
zwischen dem Blasvolumen und dem Raum 15 verursacht eine Strömung des komprimierten
Gases aus dem Blasvolumen heraus durch den Kanal 16 in den Raum 15 und von dort weiter
durch den Ringspalt 23, den Raum 17 und den Kanal 18 in das Auspuffvolumen. In der
Fig.3 ist diese Gasströmung durch einen gestrichelt ausgeführten Pfeil 28 angedeutet.
Diese Gasströmung kühlt den Lichtbogen 21 und bringt ihn in einem Stromnulldurchgang
zum Erlöschen.
[0019] Für höhere Betriebsspannungen kann der Abstand zwischen den Abdeckungen 7 und 10
vergrössert werden, wobei der Ringspalt 23 gleichzeitig entsprechend in axialer Richtung
verlängert wird.
BEZEICHNUNGSLISTE
[0020]
- 1
- Löschkammer
- 2
- Längsachse
- 3
- feststehende Kontaktanordnung
- 3a
- Kontaktfläche
- 3b
- Abbrandring
- 4
- Führungsteil
- 5
- bewegliche Kontaktanordnung
- 6
- Abbrandkontakt
- 7
- Abdeckung
- 8
- Kontaktkorb
- 8a
- Oberfläche
- 9
- Abbrandkontakt
- 10
- Abdeckung
- 11
- Kappe
- 11a
- Kontaktfläche
- 12
- Gehäuse
- 13
- Absatz
- 13a,b
- Flanke
- 14
- Oberfläche
- 15
- Raum
- 16
- Kanal
- 17
- Raum
- 18
- Kanal
- 20
- Pfeil
- 21
- Lichtbogen
- 22
- Pfeile
- 23
- Ringspalt
- 24
- Pfeil
- 27
- Permanentmagnet
- 28
- Pfeil
1. Leistungsschalter mit mindestens einer mit einem isolierenden Medium gefüllten, zylindrisch
ausgebildeten Löschkammer (1), welche eine in einem isolierenden Gehäuse (12) angeordnete,
entlang einer Längsachse (2) erstreckte Leistungsstrombahn aufweist, mit einer in
der Leistungsstrombahn angeordneten feststehenden Kontaktanordnung (3) und mit einer
einen beweglichen Kontaktkorb (8) aufweisenden Kontaktanordnung (5), wobei sowohl
die feststehende Kontaktanordnung (3) als auch die Kontaktanordnung (5) mit jeweils
einer feststehenden abbrandfesten Abdeckung (7,10) versehen ist, mit einem den bei
einem Ausschaltvorgang auftretenden, erhöhten Druck des isolierenden Mediums speichernden
Blasvolumen, dadurch gekennzeichnet,
- dass der Kontaktkorb (8) in der Einschaltstellung ein elektrisch isolierend ausgebildetes
Führungsteil (4) umgibt,
- dass das isolierende Gehäuse (12) einen Absatz (13) aufweist, der in den Bereich
zwischen einer ersten abbrandfesten Abdeckung (7) und einer zweiten abbrandfesten
Abdeckung (10) hineinragt, und
- dass die beiden abbrandfesten Abdeckungen (7,10) konzentrisch um den Bereich des
beweglichen Kontaktkorbs (8) angeordnet sind.
2. Leistungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
- dass das Führungsteil (4) und das Gehäuse (12) aus Polytetrafluoräthylen (PTFE)
gefertigt sind.
3. Leistungsschalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
- dass Mittel vorgesehen sind, welche den Lichtbogen (21) in Rotation um die Längsachse
(2) versetzen.
4. Leistungsschalter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
- dass die Mittel, welche den Lichtbogen (21) in Rotation um die Längsachse (2) versetzen,
im Bereich des Absatzes (13) angeordnet sind.
5. Leistungsschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
- dass für höhere Betriebsspannungen der Absatz (13) in axialer Richtung verlängert
ausgebildet ist, und
- dass die abbrandfesten Abdeckungen (7,10) entsprechend der Verlängerung des Absatzes
(13) grösser beabstandet sind.
6. Leistungsschalter nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
- dass beidseitig des Absatzes (13) jeweils ein ringförmig ausgebildeter Raum (15,17)
vorgesehen ist, von denen ein nach der Kontakttrennung erster durch die Lichtbogenenergie
beaufschlagter Raum (15) durch einen Kanal (16) mit dem Blasvolumen verbunden ist,
während ein zweiter durch die Lichtbogenenergie beaufschlagter Raum (17) durch mindestens
eine Verbindung mit einem Auspuffvolumen verbunden ist.
7. Leistungsschalter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
- dass der Kanal (16) als ringförmiger Kanal ausgebildet ist, und
- dass die mindestens eine Verbindung zum Auspuffvolumen als ringförmiger Kanal (18)
ausgebildet ist.
8. Leistungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
- dass der Bereich zwischen der Oberfläche des Führungsteils (4) und der Oberfläche
(14) des Absatzes (13) als ein Ringspalt (23) ausgebildet ist, wenn der bewegliche
Kontaktkorb (8) diesen Bereich verlassen hat.
9. Leistungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
- dass mindestens eine der beiden abbrandfesten Abdeckungen (7,10) aus Graphit gefertigt
ist.