Leistungsschalter

Abstract

 Der Leistungsschalter mit einer mit abbrandfesten Schaltstücken ausgerüsteten Kontaktanordnung versehen, welche ein feststehendes Schaltstück (3) und ein entlang einer zentralen Achse (2) bewegliches Schaltstück (4) und eine die Schaltstücke (3,4) konzentrisch umgebende Isolierdüse (6) mit einem Engnis (7) aufweist. Die Isolierdüse (6) ist aus einem abbrandbeständigen Kunststoff gefertigt, und sie ist so strukturiert, dass sich ausbildende Ausbrandkanäle (10) senkrecht zur Richtung der elektrischen Feldbelastung verlaufen. Diese Isolierdüse (6) gibt beim Ausschalten Gase ab, welche die Blasdruckerzeugung in der Lichtbogenzone besonders wirksam unterstützen.

Beschreibung

TECHNISCHES GEBIET

[0001] Bei der Erfindung wird ausgegangen von einem elektrischen Leistungsschalter gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

STAND DER TECHNIK

[0002] Es sind elektrische Leistungsschalter bekannt, die eine Leistungsstrombahn aufweisen mit zwei relativ zueinander beweglichen Schaltstücken. Bei Ausschaltungen tritt in der Schaltstrecke zwischen den beiden Schaltstücken ein Lichtbogen auf, der zum Teil in einer Isolierdüse brennt. Durch die thermischen Auswirkungen des Lichtbogens wird die Oberfläche der Isolierdüse beaufschlagt und das Düsenengnis, welches für die Strömungsverhältnisse in der Isolierdüse massgebend ist, brennt aus, sodass sich der Querschnitt des Düsenengnisses vergrössert. Wenn diese Querschnittsvergrösserung gewisse Grenzwerte überschreitet, beeinflusst sie das Ausschaltvermögen des Leistungsschalters negativ. Um diese unerwünschte Querschnittsvergrösserung vergleichsweise klein zu halten, werden abbrandbeständige Fluorcarbonpolymere, beispielsweise Polytetrafluoräthylen (PTFE), für die Herstellung der Isolierdüse verwendet. Diese Fluorcarbonpolymere weisen einerseits einen vergleichsweise geringen Formabbrand auf, jedoch andererseits einen vergleichsweise starken örtlichen, bis in die tieferen Bereiche unter der Oberfläche der Isolierdüse reichenden Tiefenabbrand auf. Insbesondere durch den Tiefenabbrand wird Kohlenstoff freigesetzt, welcher eine unerwünschte Verrussung der unter der Oberfläche liegenden Ausbrandkanäle der Isolierdüse verursacht. Diese verrussten und infolgedessen elektrisch leitenden Oberflächen der Ausbrandkanäle können, nach dem Erlöschen des Lichtbogens, Wiederzündungen zwischen den beiden, dann auf unterschiedlichem Potential liegenden Schaltstücken des Leistungsschalters einleiten, die zu einem Versagen desselben führen können.

[0003] Um das schädliche Verrussen zu vermeiden, kann dem jeweiligen Fluorcarbonpolymer ein entsprechender Füllstoff oder ein Pigment beigemischt werden. Derartige Beimischungen verhindern insbesondere den Tiefenabbrand und damit das Verrussen weitgehend, sie haben jedoch in der Regel eine grössere Abbrandrate und damit auch einen grösseren Formabbrand zur Folge, sodass die Lebensdauer der Isolierdüse stark reduziert wird. Dies bedeutet, dass die Isolierdüse vergleichsweise häufig im Rahmen von zeitraubenden Revisionen des Leistungsschalters ersetzt werden muss.

KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

[0004] Der Erfindung, wie sie im Patentanspruch 1 definiert ist, liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektrischen Leistungsschalter anzugeben, welcher eine Isolierdüse aufweist, die beim Ausschalten Gase abgibt, welche die Blasdruckerzeugung in der Lichtbogenzone besonders wirksam unterstützen.

[0005] Dieser Leistungsschalter weist eine mit abbrandfesten Schaltstücken ausgerüstete Kontaktanordnung auf, welche ein feststehendes Schaltstück und ein entlang einer zentralen Achse bewegliches Schaltstück und eine zylindrisch ausgebildete, die Schaltstücke konzentrisch umgebende Isolierdüse mit einem Engnis aufweist. Die Isolierdüse ist aus einem abbrandbeständigen Kunststoff gefertigt.

[0006] Als abbrandbeständige Kunststoffe können PTFE oder FEP oder PFA oder ETFE oder ähnliche aliphatische Polymere oder ein Gemisch von mindestens zweien dieser Kunststoffe vorgesehen werden. Als abbrandbeständige Kunststoffe können ferner PA oder PI oder PSU oder PPS oder ein ähnliches aromatisches Polymer oder ein Gemisch von mindestens zweien dieser Kunststoffe eingesetzt werden.

[0007] Die abbrandbeständige Isolierdüse wird dabei so strukturiert, dass die elektrisch leitend verrussten Ausbrandkanäle unter der Oberfläche der Isolierdüse senkrecht zur Richtung der elektrischen Feldbelastung verlaufen, sodass durch sie kein Wiederzünden des Leistungsschalters bewirkt werden kann.

[0008] Die aus der Isolierdüse austretenden Gase unterstützen bei diesem Leistungsschalter den Druckaufbau in der Lichtbogenzone, sodass eine besonders wirksame Beblasung des Lichtbogens möglich wird.

[0009] Weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung und die damit erzielbaren Vorteile werden nachfolgend anhand der Zeichnung, welche lediglich einen möglichen Ausführungsweg darstellt, näher erläutert.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

[0010] Es zeigen:

Fig.1 einen stark vereinfachten Teilschnitt durch einen erfindungsgemässen Leistungsschalter,

Fig.2 einen stark vereinfachten Teilschnitt durch eine Isolierdüse aus einem ersten Isoliermaterial,

Fig.3 einen stark vereinfachten Teilschnitt durch eine Isolierdüse aus einem zweiten Isoliermaterial,

Fig.4 einen stark vereinfachten Teilschnitt durch eine Isolierdüse aus einem dritten Isoliermaterial, und

Fig.5 einen stark vereinfachten Teilschnitt durch einen Leistungsschalter mit einer Isolierdüse aus einem vierten Isoliermaterial.

[0011] Bei allen 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

[0012] Die Fig.1 zeigt einen schematisch dargestellten Teilschnitt durch die Löschkammer 1 eines Leistungsschalters, das Löschkammergehäuse ist nicht dargestellt, ebenso nicht die in der Regel vorhandene Nennstrombahn. Die Löschkammer 1 ist mit einem Isoliergas gefüllt, in der Regel ist dies SF₆-Gas, welches mit einem Überdruck im Bereich von 5 bis 6 bar beaufschlagt ist. Die Löschkammer 1 ist zylindrisch ausgebildet und erstreckt sich entlang einer zentralen Achse 2. Die Löschkammer 1 weist beispielsweise ein feststehendes Schaltstück 3 und ein bewegliches Schaltstück 4 auf, die relativ zu einander entlang der zentralen Achse 2 beweglich sind. Das federnd ausgebildete feststehende Schaltstück 3 umschliesst im eingeschalteten Zustand der Löschkammer 1 das bewegliche Schaltstück 4. Das bewegliche Schaltstück 4, welches hier als zylindrischer Schaltstift ausgebildet ist, bewegt sich in Richtung eines Pfeils 5, wenn eine Ausschaltung erfolgt. Eine mit dem feststehenden Schaltstück 3 fest verbundene Isolierdüse 6 umgibt die beiden Schaltstücke 3 und 4 konzentrisch. Im eingeschalteten Zustand der Löschkammer 1 verschliesst das bewegliche Schaltstück 4 das Engnis 7 der Isolierdüse 6. Nach der Kontakttrennung der beiden Schaltstücke 3 und 4 brennt ein Lichtbogen im Bereich des Engnisses 7 und bei fortschreitender Ausschaltbewegung des beweglichen Schaltstücks 4 auch im Bereich der konisch ausgeformten Öffnung des Querschnitts der Isolierdüse 6 in Richtung des nachgeordneten Auspuffraumes 8 der Löschkammer 1. Die Oberfläche 9 im Engnis 7 und im konisch sich erweiternden Bereich der Isolierdüse 6 wird durch den Lichtbogen thermisch beaufschlagt. Die Begrenzungen des Auspuffraumes 8 sind nicht dargestellt.

[0013] Als abbrandbeständiger Kunststoff ist für die Herstellung der Isolierdüse 6 ein Stoff aus der Gruppe der aliphatischen Polymere wie beispielsweise Polytetrafluoräthylen (PTFE) oder Fluoräthylenpropylen (FEP) oder Perfluoralkoxy (PFA) oder Äthylentetrafluoräthylen (ETFE) oder ein ähnliches aliphatisches Polymer oder ein Gemisch von mindestens zweien dieser Kunststoffe vorgesehen. Als abbrandbeständiger Kunststoff kann aber durchaus auch ein Stoff aus der Gruppe der aromatischen Polymere wie beispielsweise Polyamid (PA) oder Polyimid (PI) oder Polysulfon (PSU) oder Polyphenylensulfid (PPS) oder ein ähnliches aromatisches Polymer oder ein Gemisch von mindestens zweien dieser Kunststoffe vorgesehen werden. Die thermische Beanspruchung dieser Polymere während des Ausschaltens stromstarker Lichtbögen führt zur Erzeugung einer vergleichsweise grossen Menge von Gas, welches vorteilhaft für die Beblasung des Lichtbogens eingesetzt werden kann.

[0014] Die Fig.2 zeigt einen stark vereinfachten und stark vergrösserten Teilschnitt durch eine Isolierdüse 6, die hier aus reinem Polytetrafluoräthylen (PTFE) hergestellt ist. Bei der Herstellung des Düsenrohlings wurde das abbrandbeständige Polytetrafluoräthylen (PTFE) durch axiale Dilatation vorgespannt. Wenn die Oberfläche 9 des Engnisses 7 durch die thermischen Auswirkungen des Lichtbogens beaufschlagt wird, so bilden sich bei diesem Material, ausgehend von der Oberfläche 9, vergleichsweise flache Ausbrandkanäle 10 aus. Die Oberfläche 9 verläuft bei diesem Ausführungsbeispiel konzentrisch zu der zentralen Achse 2. Die Ebene der Ausbrandkanäle 10 liegt in diesem Fall aufgrund der erwähnten Vorspannung senkrecht zur zentralen Achse 2 und damit parallel zu den elektrischen Äquipotentialflächen, die sich nach dem Abschalten zwischen den beiden Schaltstücken 3 und 4 ausbilden. In den Ausbrandkanälen 10 sich gegebenenfalls ablagernde Schaltrückstände oder die in ihnen entstandenen Russpartikel können wegen der Quererstreckung dieser Risse keine leitenden Brücken bilden, die nach dem Erlöschen des Lichtbogens dielektrisch bedingte Überschläge zwischen den beiden Schaltstücken 3 und 4 einleiten könnten.

[0015] Die Fig.3 zeigt einen stark vereinfachten Teilschnitt durch eine Isolierdüse 6, die hier aus einer Polymermischung hergestellt ist. Für diese Mischung wurde als Basis Polytetrafluoräthylen (PTFE) verwendet. In das Polytetrafluoräthylen (PTFE) wurde ein anderes wasserstoffhaltiges Polymer, welches in der Form von flachen, länglichen Partikeln 11, die entweder als Schuppen, wie beispielsweise POM, oder als Fasern, wie beispielsweise PA Faserstoffe, ausgebildet sind, eingebracht worden ist. Bei der Herstellung des Düsenrohlings wurde darauf geachtet, dass die Partikel 11 senkrecht zur zentralen Achse 2 angeordnet sind. Die Oberfläche 9 des Engnisses 7 verläuft auch bei diesem Ausführungsbeispiel konzentrisch zu der zentralen Achse 2. Das andere wasserstoffhaltige Polymer brennt etwas schneller ab als das Polytetrafluoräthylen (PTFE), wie die in der Fig.3 angedeuteten Vertiefungen 12 in der Oberfläche 9 des Engnisses 7 andeuten. Durch dieses Gemisch von Polymeren wird eine besonders intensive Gasentwicklung in der Isolierdüse 6 erreicht. Dort, wo bei dieser Ausführungsvariante keine Partikel 11 bis zur Oberfläche 9 gelangen, ist es möglich, dass sich die bereits im Zusammenhang mit der Fig.2 beschriebenen Ausbrandkanäle 10 ausbilden. Diese Isolierdüsenvariante wird vorteilhaft dort eingesetzt, wo eine Unterstützung der Blasdruckerzeugung besonders erwünscht ist.

[0016] Die Gasentwicklung in der Isolierdüse 6 kann bei dieser Ausführungsvariante noch deutlich verbessert werden, wenn die Partikel 11 zusätzlich mit einem Pigment, wie beispielsweise MoS₂, eingefärbt werden, wodurch deren Abbrandrate und damit auch die erzeugte und für die Beblasung des Lichtbogens verfügbare Gasmenge vorteil-haft erhöht wird.

[0017] Die Fig.4 zeigt einen stark vereinfachten Teilschnitt durch eine Isolierdüse 6, die hier aus Polytetrafluoräthylen (PTFE) hergestellt ist, in welches senkrecht zur zentralen Achse 2 Quarzfasern 13 eingelagert sind. Diese Isolierdüse 6 brennt bei thermischer Beaufschlagung durch den Lichtbogen bevorzugt entlang den Quarzfasern 13 aus. Die bei diesem Abbrennen entstehenden Gase erhöhen den Blasdruck in der Löschkammer 1 vorteilhaft. Zudem wird die Verrussung der Ausbrandkanäle wegen der oxidierenden Wirkung der Quarzfasern 13 vorteilhaft verringert.

[0018] Die Fig.5 zeigt einen weiteren schematisch dargestellten Teilschnitt durch die Löschkammer 1 eines Leistungsschalters. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Isolierdüse 6 aus zusammengesinterten Scheiben 14 und 15 aufgebaut. Die Scheiben 14 und 15 sind senkrecht zur zentralen Achse 2 angeordnet. Die erste Scheibe 14 ist jeweils aus reinem Polytetrafluoräthylen (PTFE) hergestellt. Die zweite Scheibe 15 ist jeweils aus Polytetrafluoräthylen (PTFE), dem 5 Gewichtsprozent MoS₂, welches als strukturierte Pigmenteinfärbung dient, zugesetzt sind, hergestellt. Für die Herstellung des Düsenrohlings werden diese Scheiben 14 und 15 wechselweise aufeinander gelegt und auf bekannte Weise zu einem monolithischen Block zusammengesintert. Bei dieser Ausführungsform brennt die zweite Scheibe 15 stärker ab. Die bei diesem Abbrennen entstehenden Gase erhöhen den Blasdruck in der Löschkammer 1 vorteilhaft. Die so entstandene Menge druckbeaufschlagten Gases ist deutlich grösser als dies bei der Verwendung von reinem Polytetrafluoräthylen (PTFE) der Fall wäre. Für Ausschaltströme im Bereich um 50 kA_eff hat sich eine Scheibendicke von 1 mm als günstig erwiesen. Wenn eine grössere Gasmenge erzeugt werden soll, so wird die zweite Scheibe 15 etwas dicker ausgeführt als die erste Scheibe 14. Es ist auch vorstellbar, dass über die Länge der Isolierdüse 6 verteilt, unterschiedlich dicke Scheiben 14 und 15 vorgesehen werden, da auf diese Art die für die Beblasung des Lichtbogens erzeugte Gasmenge den jeweiligen Betriebsbedingungen optimal angepasst werden kann.

[0019] Es ist auch durchaus möglich, den Scheiben 14 und 15 unterschiedliche Mengen von oxidierend wirkenden Füllstoffen beizumischen. Diese Beimischung wird dann so optimiert, dass in den sich ausbildenden Ausbrandkanälen lediglich eine vernachlässigbare Russbildung auftritt. Die Menge des für die Beblasung des Lichtbogens erzeugten Gases wird dabei gleichzeitig den zu erwartenden Betriebsbedingungen angepasst.

BEZEICHNUNGSLISTE

[0020] 

1

Löschkammer

2

zentrale Achse

3

feststehendes Schaltstück

4

bewegliches Schaltstück

5

Pfeil

6

Isolierdüse

7

Engnis

8

Auspuffraum

9

Oberfläche

10

Ausbrandkanäle

11

Partikel

12

Vertiefung

13

Quarzfasern

14

erste Scheibe

15

zweite Scheibe

Ansprüche

1. Leistungsschalter mit einer mit abbrandfesten Schaltstücken ausgerüsteten Kontaktanordnung, welche ein feststehendes Schaltstück (3) und ein entlang einer zentralen Achse (2) bewegliches Schaltstück (4) und eine die Schaltstücke (3,4) konzentrisch umgebende Isolierdüse (6) mit einem Engnis (7) aufweist, die aus einem abbrandbeständigen Kunststoff gefertigt ist, dadurch gekennzeichnet,

- dass die Isolierdüse (6) so strukturiert ist, dass sich ausbildende Ausbrandkanäle (10) senkrecht zur Richtung der elektrischen Feldbelastung verlaufen.

2. Leistungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

- dass als abbrandbeständiger Kunststoff ein aliphatisches Polymer oder ein aromatisches Polymer vorgesehen ist.

3. Leistungsschalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

- dass als aliphatisches Polymer Polytetrafluoräthylen (PTFE) oder Fluoräthylenpropylen (FEP) oder Perfluoralkoxy (PFA) oder Äthylentetrafluoräthylen (ETFE) oder ein ähnliches Polymer oder ein Gemisch von mindestens zweien dieser Polymere vorgesehen ist.

4. Leistungsschalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

- dass als aromatisches Polymer Polyamid (PA) oder Polyimid (PI) oder Polysulfon (PSU) oder Polyphenylensulfid (PPS) oder ein ähnliches Polymer oder ein Gemisch von mindestens zweien dieser Polymere vorgesehen ist.

5. Leistungsschalter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,

- dass das Polytetrafluoräthylen (PTFE) durch axiale Dilatation vorgespannt ist.

6. Leistungsschalter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,

- dass dem Polytetrafluoräthylen (PTFE) ein wasserstoffhaltiges Polymer in der Form von länglichen, senkrecht zur zentralen Achse (2) ausgerichteten Partikeln (11) beigemischt ist, und

- dass als Partikel (11) insbesondere schuppenförmig ausgebildetes Polyoxymethylen (POM) oder faserförmig ausgebildetes Polyamid (PA) vorgesehen ist.

7. Leistungsschalter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,

- dass die Partikel (11) mit einem Pigment, vorzugsweise mit MoS₂, eingefärbt werden.

8. Leistungsschalter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,

- dass in das Polytetrafluoräthylen (PTFE) senkrecht zur zentralen Achse (2) ausgerichtete Glasfasern eingelagert sind.

9. Leistungsschalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

- dass die Isolierdüse (6) aus senkrecht zur zentralen Achse (2) angeordneten Scheiben (14,15) aus unterschiedlichen Polymeren oder aus gleichen, unterschiedlich dotierten Polymeren zusammengesetzt ist.

10. Leistungsschalter nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,

- dass eine erste Scheibe (14) aus reinem Polytetrafluoräthylen (PTFE) hergestellt ist, und

- dass eine zweite Scheibe (15) aus Polytetrafluoräthylen (PTFE) mit einer strukturierten Pigmenteinfärbung versehen ist.

11. Leistungsschalter nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet,

- dass der zweiten Scheibe (15) als Pigment fünf Gewichtsprozent MoS₂ zugesetzt sind.

12. Leistungsschalter nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet,

- dass die ersten (14) und die zweiten Scheiben (15) gleich oder unterschiedlich dick ausgeführt sind.

13. Leistungsschalter nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet,

- dass die Dickenbereiche der ersten (14) und der zweiten Scheiben (15) in axialer Richtung unterschiedlich sind.

14. Leistungsschalter nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet,

- dass die ersten (14) und die zweiten Scheiben (15) jeweils im Bereich um 1 mm dick ausgeführt

Zeichnung