Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Schaltkammer eines Hochspannungsschalters mit einem Heizvolumen nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1. Die Erfindung betrifft auch einen Schalter mit einer solchen Schaltkammer.

Der gasisolierte Hochspannungsschalter dient in einem hochspannungsführenden elektrischen Netzwerk dem Ein- und Ausschalten von Strömen, deren Stärke sich von sehr kleinen induktiven und kapazitiven Ströme über normale Lastströme bis hin zu mittleren und grossen Kurzschlussströmen erstreckt. Zur Löschung eines beim Ausschalten gebildeten Lichtbogens wird in diesem Schalter ein Isoliergas mit guten Lichtbogenlöscheigenschaften verwendet, welches beim Ausschaltvorgang komprimiert wird und nachfolgend als Löschgas den Lichtbogen solange bebläst, bis dieser im Nulldurchgang des zu unterbrechenden Stroms erlischt. Als Kompressionsmittel dienen eine vom Schalterantrieb betätigte und daher Antriebsenergie benötigende Kompressionsvorrichtung und/oder der Schaltlichtbogen selber, dessen Energie ausgenutzt wird, um in einem Heizvolumen heisse Lichtbogengase unter Druck zu speichern (sogenanntes Selbstblasprinzip).

Nach dem Selbstblasprinzip arbeitende Schalter verbrauchen keine Antriebsenergie und führen zudem in vorteilhafter Weise Abbrandmaterial einer Isolierdüse ins Heizvolumen. Der Druck wie auch die Temperatur im Heizvolumen nehmen nichtlinear und fast quadratisch mit der Stromstärke des Lichtbogens zu. Im allgemeinen sind eine vom Schaltlichtbogen ausgelöste Aufheizströmung und die Grösse des Heizvolumens auf Ströme kleiner und mittlerer Höhe optimal abgestimmt, da bei Abstimmung auf Ströme grosser Höhe die Aufheizströmung bei kleinen Strömen sonst viel zu gering wäre und keinen zur erfolgreichen Lichtbogenbeblasung ausreichend hohen Löschgasdruck im Heizvolumen aufbauen könnte.

Eine Schaltkammer der eingangs genannten Art mit einem flexibel ausgebildeten Heizvolumen ist beschrieben in DE 44 12 249 A1. Ein Teil der Begrenzungswand des Heizvolumens ist von einem Kolben gebildet, der entgegen einer Rückstellkraft in einem Hohlzylinder verschiebbar gelagert ist. Der Rauminhalt des Heizvolumens ist so bemessen, dass beim Ausschalten kleiner Ströme in seinem Inneren ein Löschgasdruck aufgebaut wird, der ausreicht, um einen zugeordneten leistungsschwachen Schaltlichtbogen im allgemeinen erfolgreich beblasen zu können. Beim Ausschalten eines starken Kurzschlussstroms wird im Heizvolumen ein hoher Löschgasdruck aufgebaut, der den Kolben entgegen der Rückstellkraft verschiebt und das Heizvolumen vergrössert. Zur Beblasung des leistungsstarken Schaltlichtbogens steht dann Löschgas hohen Drucks und hoher Temperatur aus einem vergrösserten Volumen zur Verfügung. Um beim Verschieben des Kolbens den Aufbau eines hohen Gegendrucks im Hohlzylinder zu vermeiden, ist der Hohlzylinder mit einem Expansionsraum der Schaltkammer verbunden.

Der Erfindung, wie sie in den Patentansprüchen angegeben ist, liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltkammer der eingangs genannten Art zu schaffen, welche sich nach Einbau in einem gasisolierten Hochspannungsschalter trotz geringer Antriebsleistung durch ein gutes Schaltvermögen auszeichnet.

Bei der Schaltkammer nach der Erfindung ist ein einen Teil der Wand eines Heizvolumens bildender Kolben als Differentialkolben ausgeführt und weist auf seiner vom Heizvolumen abgewandten Seite eine Kolbenstufe auf, welche eine in einem Expansionsraum wirkende erste Arbeitsfläche und eine in einem isoliergasgefüllten Speicherraum wirkende zweite Arbeitsfläche bildet. Durch den Kolben ist ferner ein das Heizvolumen mit dem Speicherraum verbindender Kanal geführt, der geöffnet ist, wenn der Isoliergasdruck im Speicherraum grösser ist als der Löschgasdruck im Heizvolumen.

Beim Ausschalten von Strömen kleiner bis mittlerer Höhe steht daher eine im allgemeinen ausreichende Menge an lichtbogenerzeugtem Löschgas zur Verfügung und wird dann allenfalls eine geringe Antriebsleistung zur Erzeugung von zusätzlichem Löschgas in einer Kompressionsvorrichtung benötigt. Beim Ausschalten von Strömen mittlerer bis grosser Höhe wird hingegen der Rauminhalt des Heizvolumens unter Zufuhr von frischem Isoliergas aus dem Speicherraum vergrössert. Die Dichte des im Heizvolumen vorgesehenen Löschgases wird daher unabhängig von der Grösse des abzuschaltenden Stroms auf einem für eine gute Aussschaltleistung erforderlichen hohen Wert gehalten. Dieser Wert entspricht einem Dichtewert, der mit einem von Anfang an grösseren Heizvolumen erreicht wird, dessen Rauminhalt allerdings zu gross wäre, um beim Ausschalten kleinen bis mittleren Strömen einen Löschgasdruck zu erzeugen, der eine zur erfolgreichen Lichtbogenbeblasung ausreichende Grösse aufweist.

Die erste Arbeitsfläche sollte derart bemessen sein, dass oberhalb eines Grenzwerts des im Heizvolumen herrschenden Löschgasdrucks die Rückstellkraft kleiner ist als eine aus der Differenz zwischen Löschgasdruck und Gasdruck im Expansionsraum gebildeten Gegenkraft. Durch diese Bemessung ist sichergestellt, dass der Kolben unter Vergrösserung des Rauminhalts des Heizvolumens verschoben werden kann und so in der Hochstromphase des abzuschaltenden Stroms stets frisches Isoliergas aus dem Speicherraum ins Heizvolumen tritt.

Die Rückstellkraft wird in im allgemeinen durch eine auf den Kolben wirkende Druckfeder erzeugt, welche in fertigungstechnisch einfacher Weise im Speicherraum oder im Expansionsraum angeordnet ist.

Für eine stetige Frischgaszufuhr aus dem Speicherraum ins Heizvolumen und damit für eine hohe Dichte des Löschgases ist beim Schalten mittlerer bis grosser Ströme gesorgt, wenn in der Hochstromphase des abzuschaltenden Stroms die Kraft der Druckfeder über einen durch zwei Anschläge begrenzten Verschiebungsweg des Kolbens kleiner ist als eine auf den Kolben wirkende Differenzkraft A₂·(p₁ - p₀), wobei p₁ der durch die Arbeit eines Schaltlichtbogens in der Heizkammer erzeugte Gasdruck ist, p₀ der Gasdruck im Expansionsraum und A₂ die Grösse der ersten Arbeitsfläche.

Um Platz zu sparen und um so die Abmessungen der Schaltkammer klein zu halten, ist die erste Arbeitsfläche von einem axial erstreckten Kolbenfortsatz gebildet und enthält der Expansionsraum einen axial ausgerichteten Teilraum, in dem die erste Arbeitsfläche verschiebbar geführt ist. Ist der Kolbenfortsatz rohrförmig ausgeführt und weist der Teilraum ein als Hohlzylinder ausgeführtes Volumen auf, so zeichnet sich die Schaltkammer durch eine grosse Betriebssicherheit aus, da betriebstechnisch wichtige Eigenschaften, wie insbesondere die Gasdichtigkeit, die mechanische und die dielektrische Festigkeit sowie die Stromtragfähigkeit, mit einfachen Mitteln optimiert werden. Ist die Aussenfläche des Hohlzylinders von einem das Heizvolumen nach aussen begrenzenden Metallrohr und die Innenfläche von der Isolierdüse gebildet, so kann für eine kostengünstige Fertigung der Schaltkammer auf sowieso schon vorhandene Bauteile zurückgegriffen werden.

Ist in einer zwischen Speicherraum und Expansionsraum vorgesehenen Verbindung ein Rückschlagventil angeordnet, welches bei Bildung eines Überdrucks im Speicherraum gesperrt ist, so kann der Speicherraum nach einem Ausschaltvorgang rasch wieder mit frischem Isoliergas gefüllt werden.

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 eine für einen gasisolierten Hochspannungsschalter bestimmte Schaltkammer nach der Erfindung, bei dem die Schaltkammer oberhalb der Achse bei geschlossenem Schalter dargestellt ist und unterhalb der Achse beim Öffnen des Schalters.

Die in der einzigen Figur dargestellte Schaltkammer eines Hochspannungsleistungsschalters enthält ein mit einem komprimierten Isoliergas, etwa auf der Basis von Schwefelhexafluorid, Stickstoff, Sauerstoff oder Kohlendioxid oder von Mischungen dieser Gase untereinander, beispielsweise Luft, gefülltes Gehäuse 1 sowie eine vom Gehäuse 1 aufgenommene und vom Gehäuse gehaltene, vorwiegend axialsymmetrisch ausgebildete Kontaktanordnung 2 mit zwei längs einer Achse A relativ zueinander beweglichen Lichtbogenkontakten 3, 4. Der Lichtbogenkontakt 3 kann entlang der Achse A bewegt werden, wohingegen der Lichtbogenkontakt 4 im allgemeinen feststehend im Gehäuse 1 gehalten ist, gegebenenfalls aber auch längs der Achse verschoben werden kann. Die beiden Lichtbogenkontakte 3, 4 sind von einer Isolierdüse 5 und einem Heizvolumen 6 zum Speichern von Löschgas koaxial umfasst. Das Heizvolumen 6 ist nach Art eines Torus mit einem rechteckigen Querschnitt in Umfangsrichtung ausgeführt. Bei einem für Nennspannungen von typischerweise 200 bis 300 kV und für einen Nenn-Kurzschlussausschaltstrom von typischerweise 50 bis 70 kA bestimmten Schalter kann das Heizvolumen 6 im allgemeinen ca. 1 bis 2 Liter unter Druck stehendes Löschgas aufnehmen. Ins Heizvolumen 6 mündet ein Heizkanal 7, der eine beim Öffnen des Schalters durch Trennen der Abbrandkontakte 3, 4 gebildete und durch die Isolierdüse 5 radial begrenzte Lichtbogenzone 8 mit dem Heizvolumen 6 verbindet. Ein Teil der Wand des Heizvolumens 6 ist von einem Differentialkolben 9 gebildet, der entgegen einer von einer Druckfeder 10 aufgebrachten Rückstellkraft F gasdicht in einem axialsymmetrisch angeordneten Ringraum 11 verschoben werden kann.

Der Kolben 9 weist auf seiner das Heizvolumen 6 begrenzenden Seite eine mit dem Bezugszeichen A₁ gekennzeichnete ringförmige Arbeitsfläche mit einem wirksamen Querschnitt der Grösse A₁ auf. Auf der vom Heizvolumen 6 abgewandten Seite ist er stufenförmig ausgebildet und enthält eine durch einen Rohrstutzen 91 gebildete Kolbenstufe, welche zwei Arbeitsflächen A₂ und A₁ - A₂ jeweils mit einem wirksamen Querschnitt A₂ bzw.A₁ - A₂ bildet. Die Arbeitsfläche A₂ wirkt in einem Expansionsraum 12, in dem das Isoliergas einen Druck p₀ aufweist, die Kolbenfläche A₁ - A₂ hingegen in einem mit frischem Isoliergas gefülltem Speicherraum 13. Im Kolben 9 ist ein von einem nicht federbelasteten Rückschlagventil 14 verschliessbarer, aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht bezeichneter Kanal angeordnet, der das Heizvolumen 6 und den Speicherraum 13 miteinander verbindet.

Der Speicherraum 13 ist als Ringkammer ausgeführt und wird radial von zwei koaxial angeordneten Hohlzylindern und axial von zwei Stirnkörpern begrenzt. Der innenliegende Hohlzylinder wird von einem in die Isolierdüse 5 eingeformten rohrförmigen Kolbenfortsatz 51 gebildet, welcher einen axial geführten Abschnitt des Heizkanals 7 nach aussen begrenzt. Der aussenliegende Hohlzylinder ist von zwei teleskopartig verschiebbaren, rohrförmigen Fortsätzen 52 und 91 gebildet, von denen der Fortsatz 52 ebenfalls in die Isolierdüse 5 eingeformt ist, während der Fortsatz 91 in den Kolben 9 eingeformt ist. Die zur axialen Begrenzung vorgesehenen beiden Stirnkörper werden zum einen von einem radial geführten Abschnitt 92 des Kolbens 9 gebildet und zum anderen von einem radial geführten Abschnitt 53 der Isolierdüse 5. Der Kolbenabschnitt 92 bildet die Arbeitsfläche A₁-A₂. Die Druckfeder 10 ist im Speicherraum 13 angeordnet und ist mit einem Ende auf dem Abschnitte 92 und dem anderen Ende auf dem Abschnitt 53 abgestützt.
In einer in den Abschnitt 53 eingeformten Verbindung zwischen dem Expansionsraum 12 und dem Speicherraum 13 ist ein Rückschlagventil 15 angeordnet, welches derart ausgerichtet ist, dass es bei Bildung eines Überdrucks im Speichervolumen 13 gesperrt ist.

Die Arbeitsfläche A₁ wird vom Kolbenfortsatz 91 gebildet und ist in einem axial ausgerichteten Teilraum 16 des Expansionsraums 12 verschiebbar geführt. Der Teilraum 16 weist ersichtlich ein als Hohlzylinder ausgeführtes Volumen auf. Die Aussenfläche des Hohlzylinders ist von einem das Heizvolumen 6 nach aussen begrenzenden und im allgemeinen zur Führung von Betriebsströmen verwendeten Metallrohr 17 gebildet, die Innenfläche hingegen von den Teilen 52, 53 der Isolierdüse 5.

In der in der oberen Hälfte der Figur dargestellten Einschaltposition der Kammer ist das linke Ende des Lichtbogenkontakts 4 in stromleitender Weise in das rechte Ende des rohrförmig ausgebildeten Lichtbogenkontakts 3 eingeschoben. Beim Ausschalten eines Stroms trennen sich die beiden Lichtbogenkontakte 3, 4 voneinander und bildet sich hierbei ein auf den beiden Enden der Lichtbogenkontakte fussender Lichtbogen L, der in der Lichtbogenzone 8 heisse Gase hohen Drucks erzeugt. Die Temperatur und der Druck der Lichtbogengase sind durch die Lichtbogenarbeit bestimmt und sind daher der Dauer der durch den Stromnulldurchgang bestimmten Lichtbogenzeit und annähernd dem Quadrat des auszuschaltenden Stroms proportional.

Der Druck der Lichtbogengase in der Lichtbogenzone 8 ist im allgemeinen grösser als im Heizvolumen 6. Im Heizkanal 7 strömt daher heisses Gas aus der Lichtbogenzone 8 ins Heizvolumen 6. Lässt die Heizwirkung des Lichtbogens L bei Annäherung an den Nulldurchgang des Stroms nach, so erfolgt eine Strömungsumkehr. Im Heizvolumen 6 gespeichertes Gas mit einem Druck p₁ strömt als Löschgas über den Heizkanal 7 in die Lichtbogenzone 8 und bebläst dort den Lichtbogen L mindestens solange bis dieser im Stromnulldurchgang gelöscht ist.

Der Rauminhalt des Heizvolumens 6 ist so bestimmt, dass beim Abschalten kleiner bis mittlerer Ströme im Heizvolumen 6 eine zur Lichtbogenlöschung im allgemeinen ausreichende Menge an komprimiertem Löschgas zur Verfügung steht. Zusätzliches Löschgas kann aus einem bei kleinem Löschgasdruck p₁ mit dem Heizvolumen 6 verbundenen Kompressionsraum 18 einer schwach dimensionierten Kolben-Zylinder-Kompressionsvorrichtung eingespeist werden. Der Kolben 9 ist dann unter der rückstellenden Wirkung einer geringfügig vorgespannten Druckfeder 10 stehend gegen einen am Metallrohr 17 gehaltenen Anschlag 19 geführt. Die Vorspannkraft F₁ der Feder ist so eingestellt, dass sie unterhalb eines Grenzwerts p₁^G des Löschgasdrucks p₁ im Heizvolumen 6 den Kolben 9 am Anschlag 19 hält. Bei unverschobenem Kolben 9 ist das Rückschlagventil 15 geöffnet. Der Speicherraum 13 ist dann mit dem isoliergasgefüllten Expansionsraum 12 verbunden, in dem das Isoliergas auf einem Druck p₀ gehalten wird. Die Vorspannkraft F₁ muss daher A₁·(p₁^G - po) betragen.

Bei Strömen mittlerer bis grosser Höhe übersteigt p₁ den Grenzwertdruck p₁^G. Der Kolben 9 wird nun nach rechts verschoben, so dass sich hierbei der Druck p₂ im Speicherraum 13 gegenüber dem Druck p₀ im Expansionsraum erhöht und das Rückschlagventil 15 nun geschlossen wird. Sobald der Druck p₂ im Speicherraum 13 den Druck p₁ im Heizvolumen 6 übertrifft, öffnet das Rückschlagventil 14 und strömt frisches Isoliergas aus dem Speicherraum 13 in das Heizvolumen 6. Hierdurch wird die Dichte des Gases im Heizvolumen 6 auf einem erwünscht hohen Wert gehalten. Dieser Wert entspricht demjenigen, der mit einem von Anfang an grösseren Heizvolumen erreicht wird, dessen Rauminhalt allerdings zu gross wäre, um bei Strömen kleiner bis mittlerer Höhe einen zur erfolgreichen Lichtbogenbeblasung ausreichenden Löschgasdruck p₁ zu erreichen.

Je nach Höhe des Drucks p₁ im Heizvolumen 6 wird der Kolben mehr oder weniger weit nach rechts verschoben. Die Bewegung des Kolbens 9 nach rechts ist durch einen vom Fortsatz 52 gebildeten Anschlag begrenzt. Über den durch den Anschlag 20 und den Fortsatz 52 bestimmten Weg der Länge I muss eine vom Kolben 9 aufgebrachte Kraft grösser sein als die von der Druckfeder 9 aufgebrachte Rückstellkraft F. Die vom Kolben 9 durch Differenzwirkung der Drücke p₁ im Heizvolumen 6 und p₀ im Teilraum 12 erzeugte Kraft beträgt A₂·(p₁ - p₀). Daher sollte die Kolbenfläche A₂ so bemessen sein, dass über den ganzen Weg I die an einem Ort des Wegs herrschende Federkraft F kleiner oder höchstes gleich der am Kolben 9 wirkenden Differentialkraft ist. Es ist dann sichergestellt, dass über den ganzen Verschiebungsweg I p₂ grösser p₁ ist und so im Heizvolumen 6 ein Löschgas grösserer Dichte gebildet wird als bei einem Schalter nach dem Stand der Technik, bei dem der Kolben zwar durch Verschiebung den Rauminhalt des Heizvolumens vergrössert, die Qualität des Löschgases durch Reduktion des Löschgasdichte jedoch erheblich herabsetzt.

Durch Beblasen des Schaltlichtbogens L im Stromnulldurchgang sinkt der Löschgasdruck p₁ im Heizvolumen 6. Die Rückstellkraft F der Druckfeder 10 überwiegt dann die Differentialkraft und führt den Kolben 9 wieder in die Ausgangslage zurück, in der er gegen den Anschlag 19 geführt ist. Frisches Isoliergas kann dann aus dem Expansionsraum 12 über das nun geöffnete Rückschlagventil 15 in den Speicherraum 13 eintreten.

1

Gehäuse

2

Kontaktanordnung

3, 4

Kontaktstücke

5

Isolierdüse

6

Heizvolumen

7

Heizkanal

8

Lichtbogenzone

9

Kolben

10

Druckfeder

11

Ringraum

12

Expansionsraum

13

Speicherraum

14, 15

Rückschlagventile

16

Teilraum

17

Metallrohr

18

Kompressionsraum

19

Anschlag

51, 52

Fortsätze der Isolierdüse

53

Abschnitt der Isolierdüse

91

Kolbenfortsatz

92

Kolbenabschnitt

A

Achse

A₁, A₂, A₁ - A₂

Arbeitsflächen am Kolben

F

Rückstellkraft

F₁

Vorspannkraft

L

Lichtbogen

p₀

Gasdruck im Expansionsraum

p₁

(Lösch)gasdruck im Heizvolumen

p₂

(Isolier)gasdruck im Speicherraum

I

maximale Länge des Verschiebungswegs des Kolbens