-
Die
vorliegende Erfindung betrifft Schalter.
-
Schalter
verwenden typischerweise ein Paar elektrische Kontakte, die normalerweise
miteinander in Kontakt gehalten werden, wodurch ein elektrischer
Kontakt hergestellt wird. Um den Schaltkreis zu unterbrechen, z.B.
bei Erfassung eines Fehlerzustands, wird ein Kontakt im Verhältnis zum
Anderen bewegt, um die beiden Kontakte voneinander zu trennen. Wenn
die Kontakte voneinander wegbewegt werden, wird aufgrund des Potenzialgradienten
zwischen diesen ein elektrischer Lichtbogen erzeugt. Wenn Hochspannungen
vorliegen, ist es erforderlich, dafür zu sorgen, dass dieser Lichtbogen
beseitigt wird, um eine übermäßige Beschädigung des
Schalters und andere daraus folgende Gefahren zu vermeiden.
-
Es
ist bekannt, die Kontakte in einem abgedichteten Behälter anzuordnen,
der mit einem Hintergrundgas gefüllt
ist, das aus Schwefelhexafluorid (SF6) mit
einen hohen Druck (typischerweise im Bereich von 600 kPa (sechs
Atmosphären))
besteht, um den Lichtbogen zu beseitigen. Das Gas wird aufgrund
seiner dielektrischen Eigenschaften, die durch seinen Druck verbessert
werden, gewählt,
wodurch eine Lichtbogenbildung verringert wird. Derartige Schalter
werden beispielsweise in den Unterstationen und Schaltstationen
verwendet, die in gewerblichen Elektrizitätsversorgungsnetzen verwendet
werden.
-
Bei
einigen Beispielen wird die Wirkung des Gases weiter verbessert,
indem mit Hilfe einer "Pufferanordnung" bestehend aus einem
Kolben, der mit der beweglichen Elektrode des Schalters gekoppelt
ist, dafür gesorgt
wird, dass ein Gasstrom über
die Elektroden geleitet wird, wenn diese voneinander getrennt werden.
U.S.-Patent Nr. 4339641 (General
Electric Corporation) offenbart eine derartige Anordnung. Dasselbe
Dokument veranschaulicht die Bereitstellung einer Abschirmung oder
Düse um
die Elektroden herum, die aus einem dielektrischen Material gebildet
ist, mit deren Hilfe der Lichtbogen bis zu einem gewissen Grad eingeschränkt wird.
Die Konstruktion dieser Komponente dient unter Anderem dazu, den
Gasdruck für
eine Lichtbogenbeseitigung zu maximieren und die Abtragung des Düsenmaterials
zu minimieren.
-
Schwefelhexafluorid
wird als hochleistungsfähiges
Treibhausgas anerkannt (mehrere Größenordnungen leistungsfähiger als
Kohlendioxid) und folglich liegen sowohl offizielle Empfehlungen
als auch wichtige gewerbliche Motivationen für dessen Verzicht vor. Ein
Versuch, der der Gegenstand der gegenwärtig aktiven Forschung ist,
besteht darin, einen dielektrisches Ersatzgas zu finden. Diese Forschung
basierte auf der Verwendung eines höheren Drucks, wie bei den bekannten
Schaltern, die Schwefelhexafluorid verwenden. Eine Möglichkeit,
die in der Literatur bekannt ist, besteht darin, einen Anteil von
Schwefelhexafluorid kombiniert mit einem anderen weniger schädlichen
Gas zu verwenden, jedoch wird dadurch das Ziel des Verzichts auf
SF6 eindeutig nicht erreicht.
-
Es
sind Hochspannungsschalter bekannt, die kein dielektrisches Gas
für die
Lichtbogenbeseitigung verwenden, sondern stattdessen über Elektroden
in einem Vakuumgehäuse
verfügen.
Bei derartigen Vorrichtungen erzeugt der elektrische Lichtbogen
jedoch typischerweise Temperaturen, die ausreichen, um einen unerwünschten
Grad der Abtragung der Elektroden selbst zu verursachen, wodurch
die Lebensdauer der Elektroden verringert wird.
-
Ein
Beispiel eines Schalters, der bei einem niedrigen Druck arbeitet,
wird von der
englischen Patentanmeldung
2087651 (Westinghouse Electric Corporation et al.) bereitgestellt.
Es scheint, dass dies eine Vorrichtung ist, die über eine niedrige Stromdichte
an den Kontakten verfügt
und der niedrige Gasdruck dient dazu, "die Kontakterosion zu minimieren". Ringförmige Abschirmungen
um den Umfang der Kontakte herum dienen dazu, heißes erodiertes
Material abzufangen.
-
U.S.-Patent Nr. 2167665 ,
erteilt an die Detroit Edison Company, beschreibt einen Schalter,
bei dem Hornfaser oder ein anderes organisches Material benachbart
zu dem zersetzten Lichtbogen angeordnet wird. Es beschreibt ebenfalls
eine Anordnung, bei der die Bewegung einer Stangenverlängerung
beim Öffnen
der Kontakte dazu neigt, einen verringerten Druck zu erzeugen, der
den Lichtbogen durch einen Raum zwischen der Stangenverlängerung
und einem Faserrohr saugt, wodurch die Begrenzung des Lichtbogens
innerhalb eines Lichtbogenraums unterstützt wird.
-
Bei
Experimenten haben die Erfinder unerwarteterweise beobachtet, dass
die Lichtbogenbeseitigung verbessert werden kann, wenn der Druck
eines Hintergrundgases auf unterhalb Atmosphärendruck verringert wird.
-
Gemäß einem
ersten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung liegt ein Schalter
vor, der Folgendes umfasst: eine erste und eine zweite Elektrode,
die miteinander in Kontakt gebracht werden können, um einen elektrischen
Schaltkreis zu schließen,
einen Rückzugmechanismus
zum Bewegen einer Elektrode von der anderen weg, um den Schaltkreis
zu unterbrechen, und eine Abschirmung, die in der Nähe der Elektroden
angeordnet ist, so dass sie einer Abtragung durch den zuvor genannten
Lichtbogen ausgesetzt ist, wobei das Material und die Anordnung
der Abschirmung derart beschaffen sind, dass ihre Abtragung durch
den Lichtbogen verursacht, dass sie ein lichtbogenlöschendes
Gas freigibt, wobei die Vorrichtung des Weiteren Mittel umfasst, um
mindestens in der Nähe
der Elektroden und zum Zeitpunkt des Überschlagens eines Lichtbogens
zwischen diesen während
des Unterbrechens des Schaltkreises einen Gasdruck von weniger als
101325 Pascal bereitzustellen, und durch die Bereitstellung einer
abgedichteten Einfassung gekennzeichnet ist, die die Elektrode und
die Abschirmung enthält,
wobei die Einfassung ein Hintergrundgas enthält.
-
Um
Zweifel zu beseitigen beträgt
der atmosphärische
Druck in diesem Kontext 101325 Pa.
-
Durch
Experimente wurde festgestellt, dass ein wirksamer Schalter gemäß der vorliegenden
Erfindung trotz und tatsächlich
aufgrund des verwendeten niedrigen Gasdrucks hergestellt werden
kann. Dies widerspricht den Erwartungen.
-
Die
Abschirmung kann einen Hohlraum bilden, in dem die Lichtbogenbildung
stattfindet. Auf diese Weise kann die gewünschte Abtragung und ebenfalls
der Lichtbogenbeseitigungseffekt des Gases erhöht werden. Der Druck innerhalb
des Hohlraums kann durch die Wirkung des Lichtbogens vorübergehend
erhöht
werden, wodurch die Lichtbogenbeseitigung weiter verbessert wird.
-
Vorzugsweise
umfasst die Abschirmung ein elektrisch isolierendes Material.
-
Ein
subatmosphärischer
Druck benachbart zu den Elektroden kann bereitgestellt werden, indem
ein geeigneter Gasdruck in dem Gehäuse bereitgestellt wird.
-
Das
Hintergrundgas braucht kein dielektrisches Gas, wie beispielsweise
SF6, zu umfassen. Gegenwärtig ist Stickstoff das bevorzugte
Gas. Argon, Kohlendioxid und Luft sind potenzielle Alternativen.
-
Es
wird bevorzugt, dass der Druck des Hintergrundgases innerhalb des
Gehäuses
60 kPa oder weniger beträgt.
Es wird angenommen, dass 34 kPa (5 psi) noch stärker vorzuziehen ist. Gegenwärtig wird
angenommen, dass ein Druck von mehr als 7 kPa (1 psi) wünschenswert
ist, obwohl die Wirkung von Drücken
unterhalb von 7 kPa (1 psi) bisher nicht gründlich studiert worden sind.
-
Ein
alternatives oder zusätzliches
Mittel zur Bereitstellung des erforderlichen Drucks benachbart zu den
Elektroden umfasst Mittel zur Beseitung von Gas aus dieser Umgebung
während
des Vorgangs der Unterbrechung des elektrischen Schaltkreises. Der
Druck wird somit vorübergehend
in dieser Umgebung verringert. Eine Kolben-Zylinder-Anordnung kann
zur Beseitigung des Gases verwendet werden.
-
Eine
spezifische Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden lediglich beispielhaft und
unter Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen beschrieben, wobei:
-
1 ein
etwas vereinfachter Querschnitt in einer axialen Ebene durch eine
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist;
-
2 ein
vereinfachter Querschnitt durch dieselbe Ausführungsform in einer radialen
Ebene ist;
-
3 ein
Diagramm von experimentellen Daten ist, das den kritischen Elektrodenspalt
(vertikale Achse) im Verhältnis
zum Gasdruck (horizontale Achse) für verschiedene Hintergrundgase
zeigt, die in einem Schalter verwendet werden;
-
4 ein
Diagramm von experimentellen Daten ist, das den kritischen Elektrodenspalt
(vertikale Achse) im Verhältnis
zu einem Spitzenwechselstrom (horizontale Achse) in einem Schalter
zeigt, der die vorliegende Erfindung verwirklicht und mehrere unterschiedliche
Hintergrundgase verwendet; und
-
5 ein
Diagramm von experimentellen Daten ist, das die Größenordnungen
der Beseitigung und Neuzündungsspannungsspitzen
für unterschiedliche
Gase bei einem Gasdruck von 25 kPa (3,7 psi) und Spitzenwechselströme von 20
kA zeigt.
-
Wie
in 1 und 2 gezeigt, umfasst ein Schalter,
der die vorliegende Erfindung verwirklicht, eine röhrenförmige statische
Elektrode 2, die koaxial mit einer beweglichen zylindrischen
Elektrode 4 befestigt ist. Die bewegliche Elektrode 4 ist
gleitfähig
in der festen Elektrode 2 angeordnet. 1 zeigt
die bewegliche Elektrode von der festen Elektrode zurückgezogen,
um einen zugehörigen
elektrischen Schaltkreis zu unterbrechen, der rein schematisch bei 6 gezeigt
ist. Wenn der Schalter jedoch (wie bei normalen Betriebsbedingungen)
geschlossen wird, berührt
die bewegliche Elektrode die feste Elektrode, um den Schaltkreis 6 zu
schließen.
Insbesondere ist bei der vorliegenden Ausführungsform ein Endabschnitt
der beweglichen Elektrode 4 in der festen Elektrode 2 aufgenommen
und wird von dieser berührt.
-
Die
bewegliche Elektrode 4 ist mit einem Rückzugmechanismus gekoppelt,
der schematisch bei 8 gezeigt ist. Geeignete Mechanismen
sind in der Technik bekannt, wobei ihre Funktion darin besteht,
die bewegliche Elektrode 4 rasch entlang der Richtung der
Elektrodenachse zurückzuziehen,
was hierin nicht ausführlich beschrieben
wird, abgesehen von der Bemerkung, dass ein Standarttyp von hydraulischem
Stellglied verwendet werden kann und dass pneumatische oder Solenoid
betätigte
Vorrichtungen mögliche
Alternativen darstellen.
-
Die
Elektroden sind in einem Gehäuse 12 enthalten,
das bei der vorliegenden Ausführungsform
als Metallröhre
gebildet ist. Das Gehäuse
dient dazu, ein Hintergrundgas um die Elektroden herum aufrecht
zu erhalten, das vor dem Gebrauch des Schalters eingeführt wird
und dessen Beschaffenheit und Zweck unten betrachtet werden. Der
Rückzugmechanismus 8 ist
bei dieser Ausführungsform
außerhalb
des Gehäuses 12 angeordnet,
wobei die bewegliche Elektrode 4 durch einen Dichtungsflansch 14 aus
dem Gehäuse
austritt (wobei ein Austritt von Gas in diesem Bereich verhindert
wird), um den Rückzugmechanismus 8 zu
erreichen.
-
Eine
Isolierabschirmung 16 ist ebenfalls im Gehäuse 12 und
in der Nähe
der Elektroden 2, 4 angeordnet. Bei der vorliegenden
Ausführungsform
ist die Abschirmung ein ringförmiger Körper, in
dessen Inneres sich die bewegliche Elektrode 4 erstreckt.
Wenn der Schalter geschlossen ist, steht die bewegliche Elektrode 4 aus der
Abschirmung 16 hervor, um die statische Elektrode 2 zu
berühren.
-
Während andere
Materialien verwendet werden können,
bevorzugen die Erfinder ein Polymermaterial für die Isolierabschirmung 16.
Das gegenwärtig
bevorzugte Material ist Polytetrafluorethylen (PTFE). Die Abschirmung
ist dicht um eine der Elektroden herum angeordnet, im vorliegenden
Beispiel um die bewegliche Elektrode 2 herum, die sie teilweise
umgibt, und sie ist von einer Art, die als "Abschirmung in nächster Nähe" bezeichnet wird.
-
Die
spezifische Anordnung und Konfiguration der Elektroden und der Abschirmung
ist nur beispielhaft dargestellt und kann in anderen Ausführungsformen
anders beschaffen sein.
-
Das
Hintergrundgas der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform
ist Stickstoff (N2) bei einem Druck von
25 kPa (3,7 psi). In dem Experiment wurde festgestellt, dass der
veranschaulichte Schalter trotz des Fehlens eines Hintergrundgases
(wie beispielsweise SF6) mit hohen dielektrischen
Eigenschaften und der Tatsache, dass das Gas einen niedrigen Druck
aufweist, eine gute Leistung erbringt. Dies steht im Gegensatz dazu,
was zu erwarten ist. Die Erfinder nehmen an, dass diese gute Leistung
auf das Vorhandensein sowohl der Abschirmung als auch des Hintergrundgases
mit einem Druck unterhalb des atmosphärischen Drucks zurückzuführen ist.
Die Erfinder haben festgestellt, dass bei dem veranschaulichten
Schalter eine durch Abtragung geförderte Lichtbogenbeseitigung
durch eine Senkung des Hintergrundgasdrucks auf weniger als atmosphärischen
Druck verbessert wird.
-
Während keine
Absicht besteht, die vorliegende Erfindung durch die Bezugnahme
auf eine spezifische Erläuterung
ihrer Leistung zu beschränken,
wird davon ausgegangen, dass die Wirkung des niedrigen Drucks des
Hintergrundgases darin besteht, zu verursachen, dass sich der Plasmalichtbogen,
der bei der Unterbrechung des Schaltkreises erzeugt wird, verglichen
mit dem Lichtbogen, der bei einer herkömmlichen Hochdruckvorrichtung
erzeugt wird, weiter ausbreitet und dadurch die Abtragung der Abschirmung 16 vergrößert wird.
Die Abschirmung umfasst ein Material, das bei Anwesenheit eines
elektrischen Lichtbogens zu einer Gasform abgetragen wird. Bei dieser
beispielhaften Ausführungsform
ist bekannt, dass die PTFE-Abschirmung zu einer Lichtbogen induzierten
Abtragung in der Lage ist und als Reaktion Fluorstoffe und Fluoride
mit hervorragenden Lichtbogen beseitigenden Eigenschaften erzeugt.
Chemische Reaktionen erzeugen Gase, einschließlich Kohlenstofftetrafluorid
(CF4) und C2F6. Das Verfahren umfasst die Sublimation
der PTFE-Monomere
und ihre Zersetzung, wobei diese Verfahren selbst endothermisch
sind. Die Erfinder haben basierend auf dem Strom und der Dauer des
Lichtbogens und auf der Masse, die von der Abschirmung abgetragen
wird, berechnet, dass rund 30% der Energie des Lichtbogens in experimentellen
Beispielen in die Abtragung des Abschirmungsmaterials gehen können, wodurch
die Beseitigung des Lichtbogens unterstützt wird. Das abgetragene Material
stellt ebenfalls einen "chemischen
Hauch" von Lichtbogen
beseitigendem Gas bereit. Die Wirkung besteht in der Bereitstellung
einer wirksamen Lichtbogenbeseitigung ohne den Bedarf von SF6 als Hintergrundgas. Auf das Überschlagen
des Lichtbogens folgend wird der Druck im Bereich der Elektroden
vorübergehend
durch die Wärme
und die Abtragungsprodukte, die von dem Lichtbogen erzeugt werden,
erhöht und
es wird angenommen, dass dieser erhöhte Druck ebenfalls die Lichtbogenbeseitigung
unterstützt.
Produkte der Abtragung können
durch die offenen Enden der Abschirmung 16 abgelassen werden.
-
Bestimmte
Gase der Gase, die durch die Lichtbogen induzierte Abschirmungsabtragung
erzeugt werden, sind unter ökologischen
Gesichtspunkten selbst unerwünscht,
jedoch wird angenommen, dass mindestens einige der durch die Lichtbogenabtragung
erzeugten chemischen Arten neu kombiniert werden, so dass Materialien
entstehen, die nicht umweltschädlich
sind. Das heißt,
dass die für
die Lichtbogenbeseitigung notwendigen chemischen Arten mindestens
teilweise nur vorübergehend
erzeugt werden. Auf die Lichtbogenbeseitigung folgend und mit angemessenen
Verzögerungen,
die durch die zeitlichen Rahmen für die chemische Neukombination
erzeugt werden, kombinieren sich die chemisch reaktiven Fluor/Fluoride
neu, um feste Fluoride zu bilden, die nicht, wie Halogengase, leicht
dispergieren und eine Umweltbedrohung darstellen.
-
Um
die dielektrische Rückgewinnung
mit Gasdruck zu verbessern und gleichzeitig dem Bedarf für einen
Gasdruck unterhalb der Atmosphäre
für die
abtragungsinduzierte Lichtbogenbeseitigung nachzukommen, verwendet
die veranschaulichte Ausführungsform
das Prinzip eines "umgekehrten
Windbeutels". Die
Kolbenwirkung des Bewegungskontakts 4 in der Abschirmung 16 wird
bei Zurückziehen
des Kontakts 4 verwendet, um den Druck im Hohlraum in der
Abschirmung 16 zu verringern. Dies ermöglicht, dass die Abtragung
für die thermische
Rückgewinnung
(einschließlich
der durch die Abtragung verbesserten Druckbildung) maximiert wird,
während
nachfolgend ein ausreichender Gasdruck für eine gute dielektrische Widerstandsfähigkeit
bereitgestellt wird.
-
Es
sind Testergebnisse zur Unterstützung
des Anspruchs bezüglich
der Wirksamkeit des Betriebs bei einem Druck unterhalb der Atmosphäre und von
anderen Gasen als SF6 bereitgestellt. 3 zeigt
die kürzesten
Spaltlängen
zwischen Kontakten, die erforderlich sind, um einen Fehlerwechselstrom
des Spitzenwertes von 20 kA für
verschiedene Gasdrücke
im Bereich von 6 kPa bis 580 kPa (0,8 bis 84 psi) zu unterbrechen, wobei
die horizontale Skala logarithmisch ist. Es sind Ergebnisse für fünf verschiedene
Gase bereitgestellt – SF6, N2, Luft, CO2 und Ar. Bemerkenswerte Eigenschaften sind:
- (a) eine relativ geringe Abhängigkeit
von Gasdruck bei SF6,
- (b) die verbesserte Unterbrechung bei N2 für p < 48 kPa (7 psi)
- (c) die SF6 ähnelnde Leistung von N2 für
p < 48 kPa (7 psi)
- (d) das N2, SF6 ähnelnde
Verhalten von CO2 und Luft für p < 48 kPa (7 psi)
- (e) die allgemein schlechtere Leistung von Ar, die dennoch eine ähnliche
Tendenz wie N2 und CO2 zeigt.
-
Die ähnliche
Leistung der unterhalb von 48 kPa (7 psi) getesteten Gase impliziert
die Dominanz einer gemeinsamen Eigenschaft, die für die Abtragung
der Abschirmung und das Unter-Druck-Setzen aufgrund von Lichtbogenerwärmung der
Produkte der Abtragung gehalten wird.
-
Das
Wiegen der in den Tests verwendeten PTFE-Abschirmung nach etwa 250
Testzündungen
zeigt im Durchschnitt einen PTFE-Gewichtsverlust von 0,14 Gramm
je Zündung
(für einen
Durchmesser von Zylinder und beweglicher Elektrode von 2,2 cm) an.
Die Erosion der PTFE-Wand war bedeutend, jedoch nicht übermäßig und
die Leistung verschlechterte sich nur leicht bei mehr als 250 Tests
bei Fehlerströmen
von maximal 20 KA.
-
4 zeigt
die Ergebnisse von Experimenten zur Untersuchung der Wirkung von
Spitzenwechselstrom auf die kritische Spaltlänge zur Stromunterbrechung
bei einem Druck von 3,7 psi. Diese zeigen eine Tendenz der Unterbrechungsleistung,
bei niedrigeren Strömen
etwa ebenso wirksam zu sein wie bei 20 KA, wenn nach dem Kriterium
der kritischen Spaltlänge
beurteilt wird.
-
Es
sind ebenfalls Tests an einer N2:SF6-Mischung von 80:20 ausgeführt worden,
die sich in ähnlicher Weise
verhält
wie reines SF6 und reiner N2.
Auf dem gegenwärtigen
Wissensstand scheint daher kein bedeutender Vorteil in der Bevorzugung
der Verwendung von N2:SF6-Mischungen gegenüber reinem
N2 zu liegen, es sei denn, dass die Rückgewinnung
der dielektrischen Stärke
verbessert werden könnte.
-
Die
Ergebnisse der kritischen Spaltlänge
aus
3 und
4 werden von Messungen der Größe der Spannungsbeseitigungsspitzen
in der Nähe
der kritischen Spaltlänge
für eine
Stromunterbrechung für
die verschiedenen Gase bei einem Spitzenstrom von 20 kA und einem
Druck von 25 kPa (3,7 psi),
5, unterstützt. In
diesem Diagramm lauten die Bezeichnungen auf der Z-Achse wie folgt:
| XP1 | =
Beseitigungsspitze des ersten Halbzyklus; |
| XP2 | =
Beseitigungsspitze des zweiten Halbzyklus; |
| RP | =
Spitzenwert der Neuzündung
des zweiten Halbzyklus; |
und die Bezeichnungen der Klammern:
- (1) bezeichnet die kritische Zündung von 1x Halbzyklus und
- (2) bezeichnet die kritische Zündung von 2x Halbzyklus.
-
Es
muss darauf hingewiesen werden, dass die Anforderung für Gas mit
einem Druck unterhalb des atmosphärischen Drucks in der Nähe der Elektrode
und der Abschirmung beim Überschlagen
des elektrischen Lichtbogens z.B. mit Hilfe der veranschaulichten
Anordnung des "umgekehrten
Windbeutels" erfüllt werden kann,
ohne dass der Umgebungsdruck des Hintergrundgases in dem Gehäuse 12 unterhalb
von atmosphärischem
Druck liegt. Daher kann der Hintergrundgasdruck atmosphärisch sein
(und es ist denkbar, dass er sogar höher ist), wobei der erforderliche
Druck unterhalb des atmosphärischen
Drucks um die Elektroden herum vorübergehend erzeugt wird, wenn
der Schalter aktiviert wird, um den Schaltkreis zu unterbrechen.
-
Des
Weiteren wird der Druck in dieser Umgebung, wie oben erwähnt wurde,
durch die Wirkung des elektrischen Lichtbogens vergrößert und
so auf das Überschlagen
des Lichtbogens folgend vorübergehend vergrößert.