Schaltkammer für einen gasisolierten Hochspannungsschalter

Abstract

 Die Schaltkammer (2) ist zum Einbau in einen isoliergasgefüllten Metallbehälter (1) eines Hochspannungsschalters vorgesehen. Sie weist ein längs einer Achse (A) ausgerichtetes, axialsymmetrisch ausgebildetes Gehäuse (3) auf sowie eine im Gehäuse gehaltene Lichtbogenkontaktanordnung (4) und eine ins Gehäuse (3) integrierte Auspuffeinheit (9) mit einem vom Gehäuse (1) begrenzten Auspuffvolumen (10) und einem durch das Gehäuse geführten Auslass (12) für Auspuffgase (24). Über die Auspuffeinheit (9) ist in koaxialer Anordnung ein nach Art eines Topfs (16) ausgebildetes Auspuffmodul gestülpt. Das Gehäuse (1) und der Topf (16) begrenzen einen Strömungsweg (25) für die Auspuffgase (24) mit einer elektrisch abgeschirmten, axial ausgerichteten Ausströmöffnung (20).
Die Auspuffgase (24) beeinträchtigen daher nach Einbau der Schaltkammer (2) in den Metallbehälter (1) die Güte einer Gasisolation zwischen Metallbehälter (1) und Schaltkammer (2) nur unwesentlich. Die Schaltkammer (2) kann daher auch mit leistungsstarken Schaltlichtbögen (S) langer Periodendauer belastet werden, wie dies eine Reduktion der Frequenz der Hochspannung von beispielsweise 50 auf 16 2/3 Hz zur Folge hat.

Beschreibung

TECHNISCHES GEBIET

[0001] Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Schaltkammer für einen gasisolierten Hochspannungsschalter nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1. Eine solche Schaltkammer enthält ein längs einer Achse ausgerichtetes, axialsymmetrisch ausgebildetes Gehäuse und eine im Gehäuse gehaltene Lichtbogenkontaktanordnung auf. Ins Gehäuse ist eine Auspuffeinheit integriert mit einem vom Gehäuse begrenzten Auspuffvolumen und einem durch das Gehäuse geführten Auslass für Auspuffgase. Diese Schaltkammer ist in einen berührungsgeschützten, isoliergasgefüllten Metallbehälter eines Hochspannungsschalters eingesetzt. Bei Betrieb des Schalters befindet sich die Schaltkammer auf Hochspannungspotential. Beim Abschalten eines Kurzschlussstroms treten vom Schaltlichtbogen erzeugte heisse Auspuffgase durch den Auslass der Auspuffeinheit in den Metallbehälter und reduzieren so lokal vorübergehend die Qualität des im Metallbehälter vorhandenen Isoliergases.

STAND DER TECHNIK

[0002] Eine Schaltkammer der eingangs genannten Art ist beschrieben in US 6,495,785 B1. Diese Schaltkammer ist in einem isoliergasgefüllten Metallbehälter angeordnet und weist ein von einem Stützisolator getragenes axialsymmetrisches Gehäuse auf, in dem eine Lichtbogenkontaktanordnung angeordnet ist. Das Schaltkammergehäuse ist gebildet von einem Isolierrohr und von zwei an beiden Enden des Isolierrohrs befestigten, elektrisch leitenden Hohlkörpern. Jeder der beiden Hohlkörper ist mit einem von zwei durch den Metallbehälter geführten Stromleitern sowie mit einem von zwei Kontakten der Lichtbogenkontaktanordnung elektrisch leitenden verbunden und begrenzt ein Auspuffvolumen zur Aufnahme heisser Schaltlichtbogengase, welche über einen Auslass in den Metallbehälter treten können.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

[0003] Der Erfindung, wie sie in den Patentansprüchen angegeben ist, liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltkammer der eingangs genannten Art und einen diese Schaltkammer enthaltenden Hochspannungsschalter zu schaffen, welche sich durch grosse Betriebssicherheit auszeichnen.

[0004] Bei der Schaltkammer nach der Erfindung ist ein nach Art eines Topfs ausgebildetes Auspuffmodul in koaxialer Anordnung über die Auspuffeinheit gestülpt und begrenzen das Gehäuse und der Topf einen Strömungsweg für die Auspuffgase mit einer elektrisch abgeschirmten, axial ausgerichteten Ausströmöffnung.

[0005] Beim Abschalten eines leistungsstarken Kurzschlussstroms durch den Schaltlichtbogen gebildete Auspuffgase treten daher überwiegend in axialer Richtung strömend und entlang dem Gehäuse der Schaltkammer geführt in den frisches Isoliergas enthaltenden Behälter aus. Die Auspuffgase können sich daher über einen langen Weg und einen grossen Zeitraum mit dem frischen Isoliergas mischen. Es wird so vermieden, dass vergleichsweise schlecht isolierende, heisse Auspuffgase direkt, insbesondere in radialer Richtung, an die Behälterwand gelangen. Zudem wird durch die elektrische Abschirmung der Ausströmöffnung erreicht, dass an Stellen, an denen wegen der hohen Strömungsgeschwindigkeit der Auspuffgase die Gasdichte relativ klein und damit die Isoliereigenschaften des Gases gering sind, die Wirkung des im Behälter herrschenden starken elektrischen Felds weitgehend ausgeschaltet ist. Eine lediglich für eine vergleichsweise geringe Lichtbogenarbeit des Schalters bemessene Auspuffeinheit kann daher mit Hilfe des als Topf ausgebildeten Moduls nachträglich an einen für eine höhere Lichtbogenarbeit bemessenen Schalter angepasst werden. Höhere Lichtbogenarbeit kann durch höhere Kurzschlussströme oder durch eine längere Lichtbogendauer bis zum Stromnulldurchgang, wie sie bei einem Frequenzwechsel von beispielsweise 60 Hz auf 50 Hz oder gar 16 2/3 Hz auftreten, hervorgerufen werden.

[0006] Da der Topf einfach gefertigt und montiert werden kann, und da die bereits vorhandene Auspuffeinheit weiterverwendbar ist, erfolgt die Anpassung des Auspuffs an eine höhere Lichtbogenarbeit rasch und mit geringem Aufwand. Sonst vorgesehene teure Speziallösungen können daher entfallen.

[0007] Ist die Ausströmöffnung als Ringspalt ausgebildet, so wird neben dem Ausstoss der Auspuffgase in axialer Richtung zugleich auch eine gleichmässige Verteilung der Auspuffgase im Behälter erreicht. Wegen der durch den Ringspalt vorgegebenen Zylindersymmetrie können zum elektrischen Abschirmen des Ringspalts vorgesehene Mittel mit geringem Aufwand und mit guter Schirmwirkung hergestellt werden.

[0008] Ein den Ringspalt nach aussen begrenzender ringförmiger Endabschnitt der Topfwand verjüngt sich mit Vorteil zum Rand des Topfes hin und weist dann eine Aussenfläche auf, welche unter Bildung des Topfrands kantenfrei in die Innenfläche des Endabschnitts übergeht. Ein starkes elektrisches Feld wirkt so lediglich im dielektrisch unkritischen Bereich zwischen der Behälterwand und einem von der Mündung des Ringspalts abgelegenen Abschnitt der Topfwand. Da sich in diesem Bereich frisches Isoliergas befindet, ist dieses starke elektrische Feld unkritisch. Ausgehend von diesem Bereich reduziert sich die elektrische Feldstärke auf dem Weg zum Topfrand wegen des sich verjüngenden Endabschnitts der Topfwand erheblich. Die dort durch Zumischen vergleichsweise geringer Mengen an Auspuffgasen herabgesetzte dielektrische Festigkeit des Isoliergases ist daher in diesem Bereich ebenfalls ausreichend gross. Wegen der kantenfrei gehaltenen Oberflächen des Ringspalts im Bereich seiner Mündung in den Metallbehälter werden dort unerwünscht hohe lokale elektrische Feldstärken vermieden und eine gute dielektrische Festigkeit trotz des Vorhandenseins heisser Auspuffgase geringer Dichte erreicht.

[0009] Der durch das Gehäuse und den Topf begrenzte Strömungsweg kann ein Zusatzvolumen enthalten. Das Auspuffvolumen der erfindungsgemässen Schaltkammer weist dann einen besonders grossen Rauminhalt auf. Bei vorgegebener Abströmung der anfallenden Auspuffgase wird die Auspuffeinheit dann druckmässig entlastet und kann ein die derart weitergebildete Schaltkammer enthaltender Schalter auch dann noch sicher abschalten, wenn im Schaltlichtbogen eine sehr grosse Lichtbogenarbeit umgesetzt wird.

[0010] In einfacher und kostengünstiger Weise kann der Topf durch Giessen, Blechverformen oder Blechschweissen hergestellt und lösbar mit der Auspuffeinheit verbunden werden. Die bei einer Schaltkammer mit einer durch vorgegebene Nenndaten bei einem Abschaltvorgang noch beherrschbare maximale Lichtbogenarbeit kann so durch Nachrüsten mit dem als Auspuffmodul wirkenden Topf ganz erheblich erhöht werden.

[0011] Um die Montage des Topfs an der Auspuffeinheit der Schaltkammer zu erleichtern, sind im Boden des Topfs mindestens zwei Öffnungen vorgesehen, von denen eine erste der Durchführung eines längs der Achse geführten Stromleiters und die zweite Öffnung der Durchführung von Mittel zum lösbaren Verbinden des Topfs an der Auspuffeinheit dient. Die so realisierte Ausführungsform der Schaltkammer kann nach dem Einbau in den Metallbehälter wegen axial geführter und vorwiegend zentral angeordneter Komponenten, wie Stromleiter und Verbindungsmittel, in vorteilhafter Weise mit einem hohen elektrischen Feld belastet werden. Die lösbare Verbindung kann durch Verschrauben, Klemmen oder Pressen gebildet werden.

KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN

[0012] Anhand von Zeichnungen wird nachfolgend ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert. Hierbei zeigt die einzige Figur eine Aufsicht auf einen längs einer Achse geführten Schnitt durch einen Teil eines gasisolierten Hochspannungsschalters mit einer Schaltkammer nach der Erfindung.

WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

[0013] Der in der einzigen Figur dargestellte Schalterpol weist ein mit einem Isoliergas, etwa auf der Basis Schwefelhexafluorid, Stickstoff, Sauerstoff oder Kohlendioxid oder von Mischungen dieser Gase, wie etwa Luft, mit einem Druck bis zu einigen

[0014] Bar gefüllten und weitgehend rohrförmig gestalteten Metallbehälter 1 auf, in dem eine Schaltkammer 2 angeordnet ist. Die Schaltkammer ist mit Hilfe eines aus der Figur nicht ersichtlichen Stützisolators elektrisch isoliert im Metallbehälter 1 gehalten. Die Schaltkammer 2 enthält ein Gehäuse 3, das hinsichtlich einer Achse A weitgehend symmetrisch ausgebildet ist, und im Gehäuseinneren eine Lichtbogenkontaktanordnung 4 mit zwei relativ zueinander beweglichen Lichtbogenkontakten 5, 6 hält. Im allgemeinen nimmt das Schaltkammergehäuse auch eine zur Führung des Dauerstroms vorgesehene und parallel zu den Lichtbogenkontakten 5, 6 geschaltete Nennstromkontaktanordnung auf, die aus Gründen der Übersichtlichkeit jedoch nicht dargestellt ist. Das Schaltkammergehäuse wird von einem Isolierrohr 7 und zwei an dessen Enden gasdicht befestigten metallenen Hohlkörpern gebildet, von denen nur der das obere Ende des Gehäuses 3 bildende erste Hohlkörper 8 dargestellt ist. Der nicht dargestellte zweite Hohlkörper bildet das untere Ende des Gehäuses 1 und ist auf dem ebenfalls nicht ersichtlichen Stützisolator befestigt.

[0015] Die beiden Hohlkörper sind im allgemeinen aus Gussmetall, etwa auf der Basis Stahl oder Aluminium, gefertigt und dienen der Aufnahme heisser Auspuffgase 24, die bei einem Schaltvorgang in der Kontaktanordnung 4 gebildet werden sowie der Führung des Schalterstroms und der Abschirmung von Teilen der Schaltkammer 2, die im Betrieb des Schalters, d.h. beim Belasten mit Hochspannungen bis zu hundert kV und beim Führen von 50 und mehr kA betragenden Kurzschlussströmen, starken elektrischen Feldern ausgesetzt sind. Der Hohlkörper 8 ist Teil einer Auspuffeinheit 9. Diese Auspuffeinheit weist ein vom Hohlkörper 8 begrenztes Auspuffvolumen 10 auf, eine im Auspuffvolumen angeordnete Gasmischvorrichtung 11 und einen durch Öffnungen im Hohlkörper 8 realisierten Auslass 12, durch den die Auspuffgase 24 aus dem Auspuffvolumen 10 radial nach aussen abgeführt werden können. Der Schalterstrom wird von oben durch einen stromleitenden Bolzen 13 eingespeist, der elektrisch leitend in eine becherförmige Hülse 14 eingesteckt ist. Der Boden des Bechers resp. der Hülse 14 trägt die Gasmischvorrichtung 11. Der Rand des Bechers ist radial nach aussen geführt und mit Hilfe von Schraubverbindungen 15 an einer Umrandung festgesetzt, welche eine axial ausgerichtete Öffnung des Hohlkörpers 8 begrenzt, durch die der Bolzen 13 nach aussen geführt ist.

[0016] Auf die Auspuffeinheit 9 ist in koaxialer Anordnung ein nach Art eines Topfs 16 ausgebildetes Auspuffmodul gestülpt. Der Boden des Topfs 16 sitzt auf einer nach oben weisenden Stirnfläche des Hohlkörpers 8 auf und weist eine axial ausgerichtete Öffnung 17 auf, durch die der Bolzen 13 geführt ist. In Boden sind nicht bezeichnete weitere Öffnungen vorgesehen, durch welche Schrauben der Schraubverbindungen 15 geführt sind. Der Topf ist so lösbar an der Auspuffeinheit 9 festgesetzt. Die axial ausgerichtete Wand 18 des Topfs 16 ist mit Abstand zum Hohlkörper 8 angeordnet und erstreckt sich über den Auslass 12 hinweg nach unten. Es wird so ein vom Hohlkörper 8 und der Topfwand 18 begrenztes Zusatzvolumen 19 gebildet, welches über den Auslass 12 mit dem Auspuffvolumen 10 und über eine als Ringspalt 20 ausgeführte Abströmöffnung mit dem Inneren des Metallbehälters 1 kommuniziert.

[0017] Der Ringspalt 20 ist nach aussen durch einen ringförmigen Endabschnitt 21 der Topfwand 18 begrenzt. Der Endabschnitt 21 verjüngt sich zu dem nach unten weisenden Rand des Topfs 16 hin und weist eine Aussenfläche 22 auf, die unter Bildung des Topfrandes kantenfrei in die Innenfläche des Endabschnitts 21 übergeht. Hierdurch wird der Ringspalt 20 wirksam gegen ein starkes elektrisches Feld abgeschirmt, das bei Betrieb des Schalters zwischen dem dann auf Erdpotential befindlichen Metallbehälter 1 und der dann auf Hochspannungspotential liegenden Schaltkammer 2 wirkt.

[0018] Ein entsprechend wirkender Topf kann auch am nicht dargestellten, das untere Ende des Schaltkammergehäuses 3 bildenden Hohlkörpers angeordnet sein.

[0019] Beim Abschalten eines Kurzschlussstroms wird der Lichtbogenkontakt 5 durch einen in Pfeilrichtung wirkenden Antrieb 23 nach unten bewegt. Zwischen den sich öffnenden Kontakten 5, 6 der Lichtbogenkontaktanordnung 4 wird ein vom abzuschaltenden Strom gespeister Schaltlichtbogen S gezogen. Dieser Lichtbogen heizt umgebendes Isoliergas auf und kann im Nulldurchgang des Stroms gelöscht werden. Durch den Schaltlichtbogen S gebildete heisse Gase gelangen als Auspuffgase 24 in die Auspuffeinheit 9 und werden dort an der Gasmischvorrichtung 11 vorgekühlt und anschliessend über den Auslass 12 aus der Auspuffeinheit entfernt.

[0020] Den aus der Auspuffeinheit 9 in radialer Richtung austretenden Auspuffgasen 24 wird durch den Topf 16 ein axial ausgerichteter Strömungsweg 25 aufgezwungen. Die Auspuffgase 24 treten dann überwiegend in axialer Richtung strömend über den Ringspalt 20 in den frisches Isoliergas enthaltenden Metallbehälter 1. Die aus dem Ringspalt 20 austretenden Auspuffgase 24 weisen trotz des Vorkühlens in der Auspuffeinheit 9 relativ hohe Temperatur und relativ niedrigen Druck und somit eine für deren Isolierfestigkeit ungünstig kleine Gasdichte auf. Da der Ringsspalt 20 jedoch in einem elektrisch gut abgeschirmten Bereich in den Innenraum des Metallbehälters 1 einmündet, und da die Auspuffgase 24 zudem den Ringspalt 20 in axialer Richtung strömend verlassen und entlang dem Schaltkammergehäuse 3 geführt einen grossen Abstand zur Wand des Metallbehälters 1 einhalten, können die zunächst ungünstigen Isoliereigenschaften der austretenden Auspuffgase 24 die Gasisolation zwischen geerdetem Metallbehälter 1 und der auf Hochspannungspotential liegenden Schaltkammer 2 nur unwesentlich reduzieren. Zugleich können sich die Auspuffgase 24 über einen langen Weg und einen grossen Zeitraum mit dem frischen Isoliergas mischen.

[0021] Durch das als Topf 16 ausgebildete und geeignet an der Auspuffeinheit 9 angeordnete Auspuffmodul wird daher vermieden, dass vergleichsweise schlecht isolierenden, heissen Auspuffgase 24 direkt, insbesondere in radialer Richtung, an die geerdete Wand des Metallbehälters 1 gelangen, und dass durch Abschirmung der als Ringspalt 20 ausgebildeten Ausströmöffnung an Stellen, an denen wegen der hohen Strömungsgeschwindigkeit der Auspuffgase die Gasdichte relativ klein und damit die Isoliereigenschaften des Gases eher gering sind, die Wirkung des im Metallbehälter 1 herrschenden starken elektrischen Felds unterdrückt wird. Eine lediglich für eine vergleichsweise geringe Lichtbogenarbeit des Schalters bemessene Auspuffeinheit kann daher nachträglich an einen für eine höhere Lichtbogenarbeit bemessenen Schalter angepasst werden. Solche höhere Lichtbogenarbeit kann durch höhere Kurzschlussströme und/oder durch eine längere Lichtbogendauer bis zum Stromnulldurchgang, wie sie bei einem Frequenzwechsel von beispielsweise 60 Hz auf 50 Hz oder gar 16 2/3 Hz auftreten, hervorgerufen werden.

[0022] Dadurch, dass der den Ringspalt 20 nach aussen begrenzende ringförmige Endabschnitt 21 der Topfwand 18 sich zum Rand des Topfes 16 hin verjüngt, kann die Aussenfläche 22 des Endabschnitts unter Bildung des Topfrands kantenfrei und mit einem relativ grossen Abstand zum Metallbehälter 1 in die Innenfläche des Endabschnitts 21 übergehen. Das elektrische Feld wirkt so lediglich in dielektrisch unkritischen Bereich zwischen dem Metallbehälter 1 und einem von der Mündung des Ringspalts 20 stromabwärts verschobenen Bereich 26 des Endabschnitts 21. Ausgehend von diesem Bereich reduziert sich die elektrische Feldstärke auf dem Weg zum Topfrand wegen des sich verjüngenden Endabschnitts 21 erheblich. Da am Wandbereich 26 nur vergleichsweise geringe Mengen an Auspuffgasen 24 zugemischt werden, reduziert sich dort die dielektrische Festigkeit des Isoliergases nur unwesentlich. Wegen der kantenfrei gehaltenen Oberflächen des Ringspalts 20 im Bereich seiner Mündung in den Metallbehälter 1 werden an dieser Stelle unerwünscht hohe lokale elektrische Feldstärken vermieden und eine gute dielektrische Festigkeit trotz des Vorhandenseins heisser Auspuffgase 24 geringer Gasdichte erreicht.

[0023] Das Zusatzvolumen 19 vergrössert den Rauminhalt des Auspuffvolumens 10 und reduziert so den durch grosse Lichtbogenarbeit verursachten hohen Druck der Auspuffgase in der Auspuffeinheit 9

BEZUGSZEICHENLISTE

[0024] 

1

Metallbehälter

2

Schaltkammer

3

Schaltkammergehäuse

4

Lichtbogenkontaktanordnung

5, 6

Lichtbogenkontakte

7

Isollerrohr

8

Hohlkörper

9

Auspuffeinheit

10

Auspuffvolumen

11

Gasmischvorrichtung

12

Auslass

13

Stromleiter, Bolzen

14

Hülse

15

Schraubverbindungen

16

Topf

17

Öffnung

18

Topfwand

19

Zusatzvolumen

20

Ringspalt

21

Endabschnitt

22

Aussenfläche

23

Antrieb

24

Auspuffgase

25

Strömungsweg

26

Wandbereich

A

Achse

S

Schaltlichtbogen

Ansprüche

1. Schaltkammer (2) zum Einbau in einen isoliergasgefüllten Metallbehälter (1) eines Hochspannungsschalters mit
einem längs einer Achse (A) ausgerichteten, axialsymmetrisch ausgebildeten Gehäuse (3), einer im Gehäuse gehaltenen Lichtbogenkontaktanordnung (4) und einer ins Gehäuse integrierten Auspuffeinheit (9), welche ein vom Gehäuse (1) begrenztes Auspuffvolumen (10) und einen durch das Gehäuse geführten Auslass (12) für Auspuffgase (24) aufweist,
dadurch gekennzeichnet, dass ein nach Art eines Topfs (16) ausgebildetes Auspuffmodul in koaxialer Anordnung über die Auspuffeinheit (9) gestülpt ist, und dass das Gehäuse (1) und der Topf (16) einen Strömungsweg (25) für die Auspuffgase (24) mit einer elektrisch abgeschirmten, axial ausgerichteten Ausströmöffnung begrenzen.

2. Schaltkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausströmöffnung als Ringspalt (20) ausgebildet ist.

3. Schaltkammer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein den Ringspalt (20) nach aussen begrenzender ringförmiger Endabschnitt (21) der Topfwand (18) sich zum Rand des Topfes (16) hin verjüngt und eine Aussenfläche (22) aufweist, welche unter Bildung des Topfrands kantenfrei in die Innenfläche des Endabschnitts (21) übergeht.

4. Schaltkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungsweg (25) ein Zusatzvolumen (19) enthält.

5. Schaltkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Topf (16) durch Giessen, Blechverformen oder Blechschweissen hergestellt ist.

6. Schaltkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Topf (16) lösbar mit der Auspuffeinheit (9) verbunden ist.

7. Schaltkammer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Boden des Topfs (16) eine erste Öffnung (17) vorgesehen ist, welche der Durchführung eines längs der Achse (A) geführten Stromleiters (13) dient.

8. Schaltkammer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass im Boden des Topfs (16) mindestens eine zweite Öffnung vorgesehen ist, welcher der Durchführung eines Mittels zum lösbaren Verbinden des Topfs (16) mit der Auspuffeinheit (9) dient.

9. Schaltkammer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die lösbare Verbindung durch Verschrauben, Klemmen oder Pressen gebildet ist.

10. Hochspannungsschalter mit einer in einem isoliergasgefüllten, rohrförmigen Metallbehälter angeordneten Schaltkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 9.

Zeichnung