WO2006021108A1 - Hochleistungsschalter - Google Patents

Hochleistungsschalter

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WO2006021108A1
WO2006021108A1 PCT/CH2005/000432 CH2005000432W WO2006021108A1 WO 2006021108 A1 WO2006021108 A1 WO 2006021108A1 CH 2005000432 W CH2005000432 W CH 2005000432W WO 2006021108 A1 WO2006021108 A1 WO 2006021108A1
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WO
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contact piece
area
extinguishing gas
arc
flow
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/CH2005/000432
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English (en)
French (fr)
Inventor
Olaf Hunger
Max Claessens
Martin Holstein
Johan Abrahamsson
Martin Kriegel
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ABB Technology AG
Original Assignee
ABB Technology AG
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Filing date
Publication date
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Ceased legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H33/00—High-tension or heavy-current switches with arc-extinguishing or arc-preventing means
    • H01H33/70—Switches with separate means for directing, obtaining, or increasing flow of arc-extinguishing fluid
    • H01H33/7015—Switches with separate means for directing, obtaining, or increasing flow of arc-extinguishing fluid characterised by flow directing elements associated with contacts
    • H01H33/7023—Switches with separate means for directing, obtaining, or increasing flow of arc-extinguishing fluid characterised by flow directing elements associated with contacts characterised by an insulating tubular gas flow enhancing nozzle
    • H01H33/703—Switches with separate means for directing, obtaining, or increasing flow of arc-extinguishing fluid characterised by flow directing elements associated with contacts characterised by an insulating tubular gas flow enhancing nozzle having special gas flow directing elements, e.g. grooves, extensions

Definitions

  • the invention relates to the field of high voltage switch technology. It relates to a high power switch and a method for turning off a high power switch according to the preamble of the independent claims.
  • Such high power switches have been known for decades from the prior art. They have two arcing contact pieces and are filled with a quenching gas. After contact separation, an arc may burn between the contacts. It is a boiler room for temporary storage of heated by the arc extinguishing gas provided. An insulating nozzle has a throat to guide a quenching gas flow, which is connected to the boiler room. By means of the quenching gas flow, the arc is to be extinguished.
  • Such switches may be advantageously designed as a buffer switch (blow piston switch) or as a self-blowing switch or as a buffer switch exhaustedblasschalter hybrid.
  • a threatened by the recurrent voltage flashback, especially at a terminal short circuit (Tl OOa) to be reliably prevented and yet a safe extinguishing of the arc can be ensured.
  • the high-performance switch according to the invention can be filled with an extinguishing gas (for example SFe, N2, air or a mixture of these) and has a first arcing contact piece and a second arcing contact piece. After a contact separation burns between the two arcing contact pieces, if necessary, an arc.
  • an extinguishing gas for example SFe, N2, air or a mixture of these
  • the high-performance switch has a boiler room.
  • An insulating nozzle has a throat for guiding a quenching gas flow along an axis, which is connected to the heating chamber.
  • the Engnung is followed by an extended area.
  • the high-performance circuit breaker according to the invention has the property that a distance d measured parallel to the axis between the throat and the second arcing contact piece lies within a distance interval at least during a time window critical for possible retro-ignition, at least in special switching cases.
  • TRV transient recovery voltage
  • a high-performance circuit-breaker must be designed to safely switch various types of switching, such as short-line fault (L 90) and terminal short-circuit (Tl OOa).
  • IEC 62271-100 specifies specifications For the short-distance short circuit, a high quenching gas pressure is generally required for thermal quenching, which usually results in sufficient extinguishing gas pressure in the event of a short circuit in the terminal (Tl 00a)
  • Supersonic flows generally cause shock waves (shock waves) and corresponding wave patterns that occur in the extended area.
  • there are areas in the extended area which have a relatively low density of quenching gas (and correspondingly a low extinguishing gas pressure). In this case, pressures (and corresponding densities) occur, which can be significantly lower than the quenching gas filling pressure (background pressure), which prevails in the normal state in the switch.
  • the second contact piece it is possible to place the second contact piece in such a way that the area or areas of lowest extinguishing gas density do not occur along the switching path, but laterally of the second contact piece.
  • the contact piece must be placed relatively close to the throat, for example, approximately where the first (and thus most pronounced) density minimum is when the second contact piece is (infinitely) far from the throat (or simply there is no second contact piece).
  • the flow conditions in the extended region are changed such that the minimum extinguishing gas density occurring in or next to the second contact piece is less than the minimum extinguishing gas density occurring in the throat or between the throat and the second contact piece.
  • a relatively high quenching gas density along the switching path and thus a relatively high dielectric strength is achieved. A flashback can thus be effectively prevented.
  • the distance d should not be too low, however, because then an excessive obstruction of the quenching gas flow occurs, so that the quenching gas pressure in the boiler room can not degrade fast enough and can not be done sufficient arc blowing.
  • the distance d must therefore be at least so great that in the extended region the minimum cross-sectional area to be flowed through by the quenching gas flow is at least one as large area as the cross-sectional area of the throat (near the extended area), better at least 1.5 times, at least 2 times or at least 2.5 times or even at least 3 times this area.
  • the distance d is chosen to be very large, whereby generally a large spacing of the two arcing contact pieces is achieved, which also leads to a lower breakdown probability, since the occurring electric field strengths are smaller. But such large distances d contradict the idea of the invention, since then exisiteren areas before the contact piece very low extinguishing gas density.
  • the densities and pressures of the quenching gas are directly linked to each other via the (local) temperature of the extinguishing gas, and they are caused by the local flow velocities of the extinguishing gas, wherein a high flow velocity is associated with a low density and a low pressure.
  • the invention can also be defined by the local pressures or by the local quenching gas flow rates.
  • An advantage of the definition of the local pressures is that pressures are relatively easy to measure in contrast to densities and flow velocities. In simulation calculations, all three variables (density, pressure, speed of flow) are generally easily determinable.
  • the condition for the distance d must be maintained at least during a time window which is critical for a possible reignition.
  • the time window is certainly during a switch-off after a contact separation, otherwise no arc to be deleted occurs.
  • the invention only comes into play when a quenching gas flow through the throat in the direction of the second Arc contact piece is possible.
  • the Engn at least partially dammed, so begins a designated as quenching period, in which an extinguishing gas flow through the throat in the direction the second arcing contact piece is possible, at the earliest when the throat is no longer dammed by the second contact piece.
  • the extinguishing gas then flows out of the boiler room, through the throat and into the extended area in the direction of the second contact piece.
  • the invention only comes into effect properly if the extinguishing gas flow can flow at least locally at sonic or supersonic speeds, in particular somewhere in the extended range. Since it is in principle possible to switch depending on the switching and according to the sequence of movements that perform the contact pieces and the nozzle during a Ausschlevorganges vouverieden to choose different for different switching cases, the inventive choice of the distance d can be limited to such cases in which the extinguishing gas flow at least can flow locally at sonic or supersonic speeds.
  • the time window within which the distance d is to be selected in the inventive manner is limited to the rear, that the distance d then no longer needs to be within the distance interval when the quenching gas flow can no longer flow at least locally at sonic or supersonic speed ,
  • the quenching gas pressure PH in the heating chamber relative to the filling pressure po (static pressure, pressure in a discharge volume) has dropped so far that no sound or supersonic flow can take place in the extended area, and the distance d no longer necessarily in the distance interval to lie.
  • the second contact piece can still remain within the distance interval until the switch-off process is completed.
  • the Laval pressure ratio depending on the extinguishing gas used, the pressure ratio PO / PH, below which a supersonic flow is possible.
  • the Laval pressure ratio is about 0.59; for N2 about 0.53; for air also about 0.53.
  • the Laval pressure ratio is
  • the distance interval in which d is intended to be in accordance with the invention can be specified in accordance with the above statements by, on the one hand, having at least as large an area as the cross-sectional area of the throat, corresponding to a lower interval interval boundary, of the extinguishing gas flow in the extended region for the passage of available cross-sectional area (near the extended area), and on the other hand, corresponding to an upper interval interval interval, the minimum of the extinguishing gas density occurring in the throat or between the throat and the second contact piece is greater than the minimum extinguishing gas density occurring in or adjacent to the second contact piece.
  • the minimum lies in the second contact piece can only occur if the second contact piece is a hollow contact, for example a contact tulip.
  • the distance d between the nozzle and the second contact piece is, in one aspect of the invention, at least after extinguishing the arc for the purpose of dielectric solidification of the switching path and the For the purpose of enabling a rapid escape of extinguishing gas through the extended range selected appropriately.
  • the high-performance circuit breaker according to the invention may have the property that during a turn-off operation after the contact separation during a quenching phase in which an extinguishing gas flow through the throat in the direction of the second arcing contact piece (in particular at least the speed of sound) is possible, one parallel to the axis measured distance d between the throat and the second arcing contact piece is selected such that the flow velocity of the extinguishing gas flow is maximum in a region which is arranged adjacent to the second arcing contact piece and / or within the second arcing contact piece.
  • the area can be contiguous or consist of several subareas.
  • the quenching phase which occurs after the contact separation, and during which an extinguishing gas flow through the throat can take place in the direction of the second arcing contact piece (and also takes place in the case of a switch).
  • the distance d satisfies the stated condition, at least insofar as an extinguishing gas flow with at least the speed of sound is possible.
  • This condition is that the region in which the flow velocity of said quenching gas flow directed through the throat toward the second contact piece is greatest is located within the second contact piece and / or laterally adjacent to the second contact piece.
  • That an extinguishing gas flow through the throat in the direction of the second arcing contact piece is possible is defined by the fact that the Engnis not (at least partially dammed by (for example, one of the two contact pieces). In particular, no part of one of the arcing contact pieces is then arranged inside the throat.
  • the presence of an extinguishing gas flow in the throat can be defined by the fact that the flow velocity of the respective extinguishing gas flow within the throat is so great that this flow velocity no longer increases with an increase in the distance d.
  • the latter is approximately the case when such, within an adjoining the Enrich, extended area, flowed through the extinguishing gas surface, which has a minimum surface area, at least one equal to (or a 1 .5 times or a 2 times as large)
  • the surface area like the cross-sectional area of the throat, which is perpendicular to the axis, is close to the end of the throat facing the second arcing contact during the extinguishing phase. This area comparison allows a further possible definition of the existence of an extinguishing gas flow passing through the throat.
  • the distance d is a spacing.
  • the distance d is of course measured between the facing ends of Engnis and second contact piece.
  • the Engnis can also be called a nozzle channel.
  • the throat is elongated, which means that it is longer than it is wide.
  • it is even at least 1 .5 times, at least 2 times or at least 2.5 times as long as it is wide.
  • a long nozzle draft has a large (inner) surface.
  • one of the two arcing contact pieces is a Verdämm contact piece
  • a particularly strong pressure build-up in the boiler room are generated because at the same speeds of movement of the contact pieces and nozzle of the nozzle channel is dammed for a long time.
  • the contact separation means a separation of a physical contact between the two arcing contact pieces.
  • the physical contact can be realized, for example, by contacting the contact pieces directly with one another or else by means of an intermediate contact piece (bridge contact piece) contacting the two arcing contact pieces.
  • the minimum arc time (shortest time during which an arc burns) is between about 5 ms or 7 ms and about 15 ms.
  • the maximum arc time (the longest time that an arc burns before it is extinguished) is typically between 1 5 ms or 1 7 ms and 30 ms.
  • the arc time window which indicates the difference between maximum and minimum arc time, is typically between 10 ms and 15 ms.
  • the above-mentioned condition for the distance d during at least a period of 10 ms, at least 1 5 ms or at least 20 ms is met to ensure good flow conditions during the largest and most important part of the pressure drop in the boiler room after the arc extinction.
  • the condition for d is additionally fulfilled for the duration of the arc time window, so that the condition is advantageously fulfilled for a period of at least 20 ms, at least 25 ms, at least 30 ms or at least 35 ms.
  • Particularly advantageous may already be the blowing of arcs short arc time at least partially, while the said condition for d is satisfied.
  • the condition is met during a period of at least 25 ms, at least 30 ms, at least 35 ms, at least 40 ms, at least 45 ms or at least 50 ms.
  • the condition can be met over an even longer period of time, such as 60 ms, 80 ms or 100 ms or longer, which is particularly well feasible if the insulating and the second arcing contact soon after release of the throat (so soon after enabling the quenching gas flow through the throat through) are moved in the same direction at substantially the same speed.
  • the second contact piece has no opening for the outflow of quenching gas in the opened switch state, for example, listed as a solid pin, the range of maximum flow velocity or minimum quenching gas density according to the invention is laterally adjacent to the second contact piece.
  • the second contact piece has an opening for the discharge of extinguishing gas in the opened switch state, for example as a hollow pin, in particular as a contact tulip, the area of maximum flow velocity with respect to the axis is arranged laterally next to the second contact piece and / or within the opening.
  • the range of maximum extinguishing gas flow velocity or minimum extinguishing gas density is in particular not arranged within the switching path, that is not in the region between the two contact pieces.
  • the range of maximum quench gas flow velocity is not located within the throat and also not between the throat and the second contact piece.
  • the distance d is only from the extinction of the Lichbtogens within the distance interval.
  • the dielectric strength is needed especially when the arc is extinguished and to prevent flashback.
  • the extended region is formed substantially funnel-shaped.
  • it is advantageously free of side channels.
  • Such side channels serve to relieve pressure on the nozzle, in particular in the region of the throat.
  • no blowing of the arc with gas heated by the arc should take place at all, and likewise no intermediate storage of gas heated by the arc. The blowing takes place by means of cool gases (compressed air).
  • the Engnis in the mentioned script is very short and forms no elongated channel.
  • an axial and a radial coordinate defined by the axis, and the Engnis is elongated.
  • the along the axial coordinate measured extent of the neck at least 1.5 times or advantageously even at least 2 times as large as the dimension measured along the radial coordinate of the throat
  • the distance d is at least as long in the distance interval as in the quenching gas flow supersonic shock waves may occur.
  • the throat and extended region near the transition from the throat to the enlarged region have a geometry other than the geometry of a Laval nozzle.
  • a supersonic flow can exist in a Laval nozzle without shock waves. But it is just shock waves that lead to the problem solved by the present invention.
  • US 3,842,226 discloses a switch having a bulbous nozzle with two necks. One of the necks is designed as a Laval nozzle and ensures that there is a strong pressure drop in the abdomen. This contradicts the idea of the present invention, since according to the invention a high quenching gas density and, correspondingly, a high dielectric strength should be produced.
  • the distance d after a switch-off in an end position within the distance interval can be achieved, for example, by moving the second contact piece and the nozzle in the same direction at substantially the same speed at the latest from the extinction of the arc.
  • the distance d is kept substantially constant within the distance interval. This makes it possible to have the optimized flow conditions for a long period of time, and the influence of the damping and / or return behavior on the distance d is minimized.
  • the method according to the invention for switching off a high-power switch filled with a quenching gas with a first arcing contact piece and with a second arcing contact piece and with an insulating nozzle having a throat comprises the following steps in one aspect of the invention:
  • the two arcing contact pieces are separated from each other, whereby an arc is ignited between the two arcing contact pieces, which is heated by quenching gas, which is temporarily stored in a heating chamber;
  • the Engnis near the extended area has a cross-sectional area perpendicular to the axis of a surface area F;
  • the distance interval is dependent on the surface area F, the geometric configuration of the second contact piece and the geometric configuration of the extended area, and
  • the extinguishing gas flow in the extended area for the passage available cross-sectional area at least the surface area F, in particular at least the surface area 1.5 x F, and
  • the minimum of extinguishing gas density occurring in the throat or between the throat and the second contact piece is greater than the minimum extinguishing gas density occurring in or adjacent to the second contact piece.
  • the method according to the invention can also be referred to as a method for switching an electric current by means of a high-power switch.
  • F is the surface area already mentioned above of the cross-sectional area of the throat which is perpendicular to the axis (ie radially arranged with respect to the axis) near the end of the throat which faces the second arcing contact piece during the extinguishing phase.
  • the cross-sectional area is the cylinder top surface.
  • F ' is the surface area of the cross-sectional area perpendicular to the axis (that is, radially arranged with respect to the axis) of an opening optionally provided in the second contact piece for the discharge of quenching gas.
  • the angle ⁇ is the opening angle ⁇ x of the extended area adjacent to the throat.
  • the surface F through which the quenching gas flow flows at the end facing the second contact piece is the same size as the minimum surface through which the quenching gas flow flows in the expanded region. In this case, this minimum surface is approximated by a truncated cone lateral surface, to which optionally the surface F 'is added.
  • the parameter b indicates the geometric (theoretical) ratio of the truncated cone lateral surface (optionally plus the surface F ' ) to the surface F.
  • the quenching gas flow through the throat is so low that no good and generally no sufficient arc blowing is achieved (poor thermal switching properties).
  • the area actually utilized by the quenching gas flow is less than the said truncated cone surface area (optionally plus the Abströmö Stamms character) due to the directional deflection of the quenching gas flow, for values of b is between one and about 1.4 in practice still no satisfactory extinguishing gas flow and arc blowing achieved. Only from b ⁇ 1 .4 and for larger b can this be practically achieved.
  • the range of maximum flow velocity is arranged next to the second contact piece and / or within the second contact piece. In practice, b may assume values of at least 2 or at least 2.5.
  • the parameter b is chosen to be greater than about 4.5 or 5
  • a relatively low extinguishing gas pressure and a relatively low extinguishing gas density will be generated near the axis between the throat and the second contact piece.
  • the range of maximum flow velocity is located there and not adjacent to the second contact piece and / or within the second contact piece, and the dielectric strength of the contact gap is affected accordingly.
  • cross-sectional area-dependent choice of the distance d is the above-mentioned for the common switch geometries Flow rate condition met. If the distance d within a narrower of the specified ranges for d and the parameter b, respectively, can be kept within a narrower of the specified ranges for b, maintaining the advantageous extinguishing gas flow can be better ensured.
  • the cross-sectional area (or diameter) of the second contact piece was also assumed to be approximately the same size as the corresponding dimension of the throat.
  • the second contact piece is no Verdämm- contact piece, other dimensions may be present, so that, if appropriate, amended formulas would apply.
  • the high-power switch may advantageously have a throat, which is designed substantially as a cylinder.
  • D is the diameter of the cylinder near the end of the cylinder facing the second arcing contact during the extinguishing phase.
  • F ' is the surface area of the cross-sectional area perpendicular to the axis (that is, radially arranged with respect to the axis) of an opening optionally provided in the second contact piece for the discharge of quenching gas.
  • the angle ⁇ is the opening angle ot of an adjoining the Engnis, extended area.
  • the distance d in the case of F ' ⁇ 0 can also be selected according to the following inequality:
  • the inventive density, pressure or flow rate condition is generally fulfilled for the common switch geometries. If the distance d is within a narrower of the specified ranges for d and the parameter b can be kept within a narrower of the specified ranges for b, a maintenance of the advantageous extinguishing gas flow can be better ensured.
  • the Engnis is at least partially dammed by one of the two arcing contact pieces.
  • This arcing contact is referred to as Verdämm- contact piece.
  • the throat is no longer at least partially blocked by the damper contact piece in this case.
  • the first and / or the second arcing contact piece may act as a damper contact piece.
  • the distance of the second contact piece to the throat can be constant. In this case, the first contact piece is moved relative thereto.
  • At least one of the two arcing contact pieces is drivable by means of a drive and movable along the axis.
  • both arcing contact pieces are movable, and a first drive for driving the first arcing contact piece and a second drive for driving the second arcing contact piece is provided.
  • a first drive for driving the first arcing contact piece and a second drive for driving the second arcing contact piece is provided.
  • this case can be realized as a drivable by the first drive gear with great advantage of the second drive.
  • the drive or the drives are designed such that a reversal of the direction of movement of at least one of the arcing contact pieces of an opposite to a rectified movement of this Arc contact piece and the insulating takes place.
  • this reversal of direction of movement takes place during the extinguishing gas flow through the throat, in particular if the throat is not at least partially blocked by one of the contact pieces.
  • a movable intermediate piece between the two arcing contact pieces is movably arranged, so that the two arcing contact pieces may be stationary.
  • the Engnis means of a channel, in particular by means of an annular channel, connected to the boiler room.
  • the second contact piece is formed pin-shaped. It can be designed as a solid pin or as a hollow pin. In particular, it can also be designed as a contact tulip.
  • the second contact piece may have an opening for the discharge of quenching gas in the open switch state.
  • the first and the second arcing contact piece can be realized as a contact piece pair of a contact tulip and a contact pin.
  • the insulating nozzle and the second contact piece are moved in the same direction.
  • the ratio vi / v2 of the speed vi of the Isolierdüse to the speed v2 of the second arcing contact 0.4 ⁇ vi / v2 ⁇ 1 .2, in particular 0.75 ⁇ vi / v2 ⁇ 1 .1 5.
  • Particularly advantageous applies during the quenching phase 0.9 ⁇ vi / v2 ⁇ 1.08 or vi / v2 ⁇ 1.
  • the insulating nozzle and the second arcing contact are during the Erase phase advantageously at substantially the same non-zero speed moves in the same direction.
  • the high-power switch can be designed in the manner of a self-blowing switch.
  • the volume of the boiler room is constant.
  • the high-power switch can be designed in the manner of a buffer switch.
  • the boiler room is also a compression space whose volume is reduced during a turn-off operation, in order to achieve a better arc blowing by the additional pressure.
  • the high-power switch may also have a heating chamber, preferably of constant volume, and additionally a compression space, wherein the volume of at least the compression space is reduced during a turn-off operation.
  • a valve between the compression chamber and the boiler room is then provided.
  • the two arcing contact pieces are arranged coaxially with each other.
  • the arcing contact pieces can also be nominal current contact pieces at the same time.
  • separate rated current contacts are provided in addition to the arcing contact pieces. Typically, in a turn-off operation, first the rated current contacts are separated from each other so that the electrical current to be interrupted commutes to the arcing contact pieces. Thereafter, the arc contact pieces are separated with ignition of the arc.
  • one of the two arcing contact pieces in particular the first arcing contact piece, have an opening for receiving the other, advantageously pin-shaped arcing contact piece in the closed switch state and for discharging extinguishing gas in the opened switch state.
  • this arc contact piece may be formed as a contact tulip with a plurality of contact fingers.
  • the second arcing contact piece is formed like a pin and is movable while the first contact piece has an opening for receiving the second contact piece, and is movable or not movable.
  • the insulating nozzle is then advantageously rigidly connected to the first contact piece.
  • High-performance switches in the sense of this application are, in particular, those switches which are designed for nominal voltages of at least approximately 72 kV.
  • the high power switch may include one or more switching chambers.
  • FIG. 1 shows a detail of an inventive high-power switch in the open state, cut
  • FIG. 2 shows a detail of a high-power switch according to the invention with two movable arcing contact pieces in the open and closed states, cut, and with the transmission in a top view;
  • Fig. 1 shows schematically in section a part of an inventive high-performance switch, which can be filled with an extinguishing gas such as SF ⁇ or a mixture of N2 and SFe.
  • the switch has a first arcing contact 1, which is designed as a contact tulip.
  • the first arcing contact piece 1 is surrounded by an auxiliary nozzle 13 which, together with an insulating nozzle 5, forms a channel 7 designed as an annular channel 7.
  • the insulating nozzle forms a substantially cylindrically formed Engnis 6 for guiding a quenching gas flow.
  • At the throat 6 is an enlarged diameter portion 21 with an opening angle oc «45 °.
  • the channel 7 connects the Engnis 6 with a boiler room 1 1 for caching of quenching gas.
  • a second, pin-shaped arcing contact piece 2 is arranged on the side facing away from the first contact piece 1 of the throat 6, .
  • the switch has exactly two arcing contact pieces.
  • the diameter of the throat cylinder is denoted by D.
  • the distance that the second contact piece 2 has to the throat 6 is denoted by d.
  • the end of the second contact piece 2 facing the throat 6 is arranged in the area 21 adjoining the throat 6 and enlarged in diameter with respect to the throat 6. The diameter of this region 21 initially increases significantly and then remains about constant for the time being, and then slightly increased again.
  • the throat 6 facing the end of the second contact piece 2 in a section more or less increasing Diameter or even approximately constant diameter of the portion 21 of the insulating 5 may be arranged when the condition is satisfied that the quenching gas density or the quenching gas pressure is minimal in a region 20 which is disposed adjacent to the second arcing contact piece 2 (or the flow rate of the quenching gas flow in a region 20 is located at the side adjacent to the second arcing contact piece 2).
  • Such regions 20 are generally adjacent to the second contact piece, unlike in FIG. 1 (see FIGS. 4 to 8 below).
  • the second contact piece 2 is also formed substantially cylindrical.
  • the diameter of the respective cylinder does not have to be completely constant and can vary slightly. Deviations from a circular cross section to, for example, elliptical cross sections are possible.
  • the throat 6 (or also the second contact piece 2) may have another, advantageously essentially prismatic, shape and is nevertheless referred to as "essentially cylindrical.” A corresponding radial dimension of the throat is then taken for the diameter D.
  • FIG good diameter accuracy of such a circle having the same area as the throat 6 near the second contact piece 2.
  • the diameter of the cylinder or the radial dimension of the prism need not be exactly constant, which is relevant for the determination of d the radial dimension at the end of the cylinder or prism facing the second contact piece 2.
  • Such throat shapes are also included in the term "substantially cylindrical".
  • the high-power switch is formed substantially rotationally symmetrical with an axis of symmetry A. As a result, parallel to the axis A extending axial directions zi and z2, along which the arcing contact pieces move, as well as defined perpendicular to radial directions.
  • Quenching gas flows are represented by dotted lines with flow direction indicating arrows.
  • sl denotes a partial flow from the boiler room in the switching path
  • sl divides into s2 and s3.
  • s2 runs in the direction of the first contact piece 1 and thus in the direction zl.
  • s3 runs inside the throat 6 in the direction of the second contact piece 2 and thus in the direction z2. Since the region 21 has a relative to the throat 6 larger diameter and the pin-shaped contact piece 2 is arranged along the axis A, the flow has s4 a significant radial "outwardly directed component.
  • the partial flow is the side of the second contact piece 2 are denoted by S5.
  • Fig. 1 Due The choice of the distance d illustrated in Fig. 1 is in the range of the partial flow s5 of the region of minimum extinguishing gas density, minimum extinguishing gas pressure or maximum flow velocity denoted 20.
  • the extinguishing gas densities are not smaller (and advantageously greater) and the flow velocities are not greater (and advantageously lower) than (radially) laterally from the second contact piece 2 (in the range of s5) the flow rate is lower than that in the Bere me 20.
  • the second contact piece 2 is designed as a hollow pin or a contact tulip, there is still another partial flow which runs along the second contact piece 2 along z2.
  • the high-performance switch is shown in the open state: there is no physical contact between the two contact pieces 1, 2. More specifically, the high power switch is shown during a period of time called the erase phase.
  • the extinguishing phase is defined as being after the contact separation, and an extinguishing gas flow s3 taking place through the throat in the direction of the second arcing contact piece 2. While the throat 6 is at least partially insulated with the second contact piece 2, which can be designated as a damming contact piece, no (notable) extinguishing gas flow through the throat 6 can take place.
  • the region 20 with the minimum extinguishing gas density, minimum extinguishing gas pressure or maximum flow velocity in the direction z2 is arranged laterally next to the second contact piece 2.
  • Fig. 2 shows schematically in section a detail of an inventive high-performance switch with two movable arcing contact pieces 1, 2 in the open (lower half) and in the closed state (upper half).
  • a gear 3 is shown schematically in plan.
  • the first arcing contact piece 1 can be driven by means of a non-illustrated drive.
  • a suitable drive can be, for example, an electrodynamic drive or a spring-loaded drive.
  • the second arcing contact piece 2 is driven by a second drive 3, which is realized by the drive 3 driven by the drive.
  • the two arcing contact pieces 1, 2 touch each other. It may additionally be provided not shown nominal current contact pieces.
  • the first contact piece 1 is rigidly connected to an insulating nozzle 5 and an auxiliary nozzle 13.
  • the insulating nozzle 5 has a throat 6, which is formed substantially cylindrical with a diameter D.
  • a valve 12 Connected to the heating chamber through a valve 12 is a compression chamber 10.
  • the volume of the heating chamber is by means of a piston 1 5, which is advantageously formed stationary, changeable.
  • the first arcing contact piece 1 and the insulating nozzle 5, the auxiliary nozzle 1 3 and the valve 12 move in the direction z 1.
  • the second contact piece 2 moves in the direction z2.
  • the mass to be moved directly by the drive is large in relation to the mass to be moved by the gear 3. Until just before reaching the maximum speed vi can therefore be waited with the acceleration of the second contact piece 2.
  • the first contact piece 1 remains after reaching its maximum speed to a deceleration process at the end of the turn-off substantially at this speed.
  • the contact separation takes place under ignition an arc 4 instead. It is possible that the contact separation takes place shortly (a few milliseconds) before or after reaching the maximum relative speeds.
  • the arc 4 leads to the heating of initially to room temperature (300 K) located extinguishing gas and dissolves in Engnis 6 burn-off material from the insulating 5 out.
  • room temperature 300 K
  • Immediately at the arc quenching gas temperatures up to the order of about 30,000 K are reached.
  • an overpressure in the heating chamber 1 1 is generated in this way, which is typically between 10 bar and 60 bar.
  • the quenching gas temperature in the boiler room 1 1 has initially typically the order of 2000 K (in Tl OOa FaIIe). From a predeterminable by the valve 12 pressure difference between the boiler room 1 1 and the compression chamber 10, for example, when in the boiler room 1 1 1 a greater pressure prevails than in the compression chamber 10, the valve closes 12.
  • the later from the boiler room 1 1 and optionally also from the Compression chamber 10 through the boiler room 1 1 then through the channel 7 in the arranged between the two contact pieces 1, 2 switching path extinguishing gas has a temperature of typically still 1000 K to 2000 K and then serves to extinguish the arc. 4
  • FIG. 1 can be understood as a representation of the flow conditions in a high-power switch according to FIG. 2 at this time.
  • the distance d between the second, pin-like contact piece 2 and the throat 6 can be kept substantially constant.
  • This distance d is selected such that, in the case of an extinguishing gas flow through the throat 6 to the damper contact piece 2 (in the direction z2), the maximum flow velocity lies laterally next to the damper contact piece 2, or at least not on the distance between the two arcing contact pieces 1 and 2 (or next to this route).
  • the distance d is chosen as d "(0.7 + 0.2) xD, where D is the diameter of the throat 6 (at its z2-sided end).
  • a speed ratio vi / v2 of 1: 1 is predetermined by the transmission 3, the distance d and thus also the corresponding flow conditions can be maintained even when the switch is in the damping, that is, the contact pieces 1, 2 braked by a damping mechanism become.
  • the distance d can not be changed when selecting a speed ratio vl / v2 of 1: 1.
  • optimum flow conditions can be maintained until the end of the switch-off movement, thereby ensuring safe arc extinguishment without backflushing. Due to the speed ratio vi / v2 of 1: 1, the distance between the two contact pieces 1 and 2 is constant, so that the electric field distribution is kept constant.
  • the load of the damping device can be reduced since a lower kinetic energy has to be absorbed.
  • the auxiliary nozzle 13 as an insulating nozzle with a throat (if the auxiliary nozzle 13 is designed accordingly), in which case the distance between the first contact piece 1 and this auxiliary nozzle throat can be selected such that the extinguishing gas density is in the direction z1 running in a region is minimal or the flow velocity of zl extending in the direction of extinguishing gas flow is in a range which is arranged with respect to the axis A adjacent to the first arcing contact piece 1 or within the first arcing contact piece 1.
  • a lever 8 is rotatably mounted at a first end by means of a bolt 16 on the second contact piece 2.
  • the lever 8 is rotatably supported by a bolt 17 on a leg of an angle lever 9.
  • the second leg of the angle lever 9 is guided by means of a bolt 18 in a link plate 14.
  • the angle lever 9 is rotatably supported by means of a stationary, for example, attached to the housing of the high-power switch pin 19.
  • the movement of the link plate 14 (preferably rigidly) is coupled to the movement of the first contact piece 1.
  • the transmission 3 can convert a linear movement (of the drive) with a constant speed into a movement with reversal of the direction of movement.
  • a desired velocity profile for the second contact piece 2 can be selected.
  • the transmission 3 can, as shown in Fig. 1, be constructed symmetrically, resulting in a more favorable distribution of forces and greater stability.
  • the velocity vi of the insulating nozzle 5 and the first contact piece 1 after initial acceleration may typically be between 3 m / s and 10 m / s, for example 5 m / s.
  • the speed v2 of the second contact piece 1 can typically be 12 m / s to 20 m / s at the maximum, for example 1 5 m / s.
  • the maximum speed ratio vi / v2 (with opposite motion) can be between 1: 2.4 and 1: 3.5, for example 1: 3.
  • a corresponding high-performance switch can be designed for rated cur- rent currents of more than 40 kA or more than 50 kA at rated voltages of more than 1 70 kV or more than 200 kV.
  • the maximum relative speed Vi2, max of the contact pieces 1, 2 can be selected in such a switch advantageously by at least 40%, in particular at least 60% and even at least 80% greater than would be necessary for capacitive switching.
  • the switching chamber is designed in such a way that, when it is installed in a single-chamber high-power switch, for the maximum relative speed Vi2, max of the two arcing contact pieces (1, 2) to each other during a turn-off operation: Vi2, max> k ' x UN - p * f / (Ekrir po), where UN is the rated voltage of the high-performance switch in kV, p is the pole factor of the high-performance switch (dimensionless), Ekrit is the field-of-application strength for discharges of the extinguishing gas in kV / (bar m), and po is the filling pressure of the extinguishing gas in bar ( typically 4 bar or 6 bar, generally always between 1 bar and 10 bar), and f the high voltage power frequency in Hz is, for which the high
  • the factor k ' is 23, advantageously 27 or preferably 31.
  • a further factor has to be added, which takes into account the control of the high-power switch.
  • FIGS. 4 to 8 show graphs of simulation calculations for quenching gas flows at different distances d.
  • the simulation calculations are subject to the theory of fully compressible gas flow. They are isobars, ie lines of equal pressure. Only a section through the upper half of the rotationally symmetric problem (rotation axis A) is shown.
  • Common parameters for all simulations are:
  • the parameter in which the simulations of Figs. 4 to 8, the distance d is.
  • the second contact piece 2 is shown in Figs. 4-8 arranged lower left; It is fully pen-like trained with rounded end.
  • the Engnis 6 is arranged in the lower right.
  • the symbolized by an open arrow extinguishing gas flow s3 flows through the elongated Engnis 6.
  • the calculated nozzle geometry in the extended region 21 is not quite realistic, since it has an opening angle of 90 °. Typically, the opening angle oc would be between 30 ° and 60 °.
  • D is the throat diameter, which was chosen as 20 mm. The distance d between the second contact piece and the end of the passage 6 facing the second contact piece during the quenching phase.
  • the pi, pl, Ml designates the minimum extinguishing gas density, the minimum extinguishing gas pressure or the maximum flow velocity between the second contact piece and the throat or in the throat.
  • p2, p2, M2 the minimum extinguishing gas density, the minimum extinguishing gas pressure and the maximum flow velocity adjacent to the second contact piece are designated.
  • Figs. 4-8 dotted line drawn to indicate the distance d.
  • the maximum Strömungs ⁇ speed M2 next to the contact piece is thus significantly greater than the maximum flow rate Ml before the contact piece.
  • the temperature in the range 20, ie at p2 and M2 is greater than the temperature in the region with pl, Ml; and the local sound velocities given in the unit Mach are temperature dependent.
  • the maximum flow velocity M2 next to the contact piece is thus still somewhat greater than the maximum flow velocity Ml before the contact piece.
  • the maximum flow velocity M2 next to the contact piece is thus smaller than the maximum flow velocity Ml before the contact piece.
  • d 1.5 ⁇ D
  • the cross-sectional area available for the extinguishing gas flow in the extended area is significantly greater than the cross-sectional area present in the throat, so that intensive extinguishing-arc blowing is ensured. But the distance d is too large to achieve the good dielectric strength according to the invention.
  • the maximum flow velocity M2 next to the contact piece is thus smaller than the maximum flow velocity Ml before the contact piece.
  • the cross-sectional area available to the extinguishing gas flow in the extended area is significantly greater than the cross-sectional area present in the throat, so that intensive extinguishing-arc blowing is ensured. But the distance d is too large to achieve the good dielectric strength according to the invention.
  • the case d 0.2 ⁇ D (FIG. 4), on the other hand, does not permit sufficiently strong outflow of the extinguishing gas and thus shows a Position of the second contact piece, which is not taken during a critical time for the re-ignition time window according to the invention.
  • the density and the extinguishing gas pressure on the switching path are lower than adjacent to the contact piece, so that these positions are also critical during the re-ignition Time window according to the invention can not be taken, otherwise there is a risk of flashback.
  • Pi density minimum of extinguishing gas density occurring in the throat or between the throat and the second contact piece; minimum in the throat or between the throat and the second

Landscapes

  • Circuit Breakers (AREA)

Abstract

Der Hochleistungsschalter ist befüllbar mit einem Löschgas, weist ein erstes (1) und ein zweites Lichtbogenkontaktstück (2) und einen Heizraum (11) zur Zwischenspeicherung von durch einen Lichtbogen (4) aufgeheiztem Löschgas auf. Eine Isolierdüse (5) weist zur Führung einer Löschgasströmung (s3) entlang einer Achse (A) ein Engnis (6) auf, an welches sich ein erweiterter Bereich (21) anschliesst, wobei das Engnis nahe dem erweiterten Bereich (21) eine zu der Achse (A) senkrechte Querschnittsfläche eines Flächeninhalts F aufweist. Während eines Ausschaltvorgangs nach einer Kontakttrennung während einer Löschphase, in welcher eine Löschgasströmung (s3) durch das Engnis (6) in Richtung (z2) des zweiten Lichtbogenkontaktstücks (2) möglich ist, zumindest wenn die Löschgasströmung (s3,s4) zumindest lokal mit Schall- oder Überschallgeschwindigkeit strömen kann, liegt ein entlang der Achse (A) gemessener Abstand d zwischen dem Engnis (6) und dem zweiten Lichtbogenkontaktstück (2) mindestens solange innerhalb eines Abstands­intervalles, wie die Löschgasströmung (s3,s4) zumindest lokal mit Schall­ oder Überschallgeschwindigkeit strömen kann, wobei das Abstandsintervall dadurch gegeben ist, dass einerseits die der Löschgasströmung (s3) in dem erweiterten Bereich (21) zum Durchströmen zur Verfügung stehende Querschnittsfläche mindestens den Flächeninhalt F, insbesondere mindestens den Flächeninhalt 1.5 x F hat, und andererseits das Minimum der im Engnis (6) oder zwischen dem Engnis (6) und dem zweiten Kontaktstück (2) auftretenden Löschgasdichte grösser ist als das Minimum der im oder neben dem zweiten Kontaktstück (2) auftretenden Löschgasdichte.

Description

HOCHLEISTUNGSSCHAL TER
B E S C H R E I B U N G
Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Hochspannungsschalter¬ technik. Sie bezieht sich auf einen Hochleistungsschalter und auf ein Verfahren zum Ausschalten eines Hochleistungsschalters gemäss dem Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche.
Stand der Technik
Derartige Hochleistungsschalter sind seit Jahrzehnten aus dem Stand der Technik bekannt. Sie weisen zwei Lichtbogenkontaktstücke auf und sind mit einem Löschgas gefüllt. Nach einer Kontakttrennung brennt zwischen den Kontaktstücken gegebenenfalls ein Lichtbogen. Es ist ein Heizraum zur Zwischenspeicherung von durch den Lichtbogen aufgeheiztem Löschgas vorgesehen. Eine Isolierdüse weist zur Führung einer Löschgasströmung ein Engnis auf, welches mit dem Heizraum verbunden ist. Mittels der Löschgasströmung soll der Lichtbogen gelöscht werden. Derartige Schalter können vorteilhaft als Pufferschalter (Blaskolbenschalter) oder als Selbstblasschalter oder als ein Pufferschalter-Selbstblasschalter-Hybride ausgebildet sein. Um sicher schalten zu können, darf es beim Aufschwingen der sogenannten wiederkehrenden Spannung, welche unmittelbar nach einem Strom- Nulldurchgang bei einem Schaltvorgang hohe Spannungsspitzen erzeugt, keine Rückzündung geben. Es ist schwierig, insbesondere bei einem Klemmenkurzschluss (Tl OOa), vergleiche IEC-Norm 62271 -100, eine solche Rückzündung sicher zu verhindern und dennoch ein sicheres Löschen des Lichtbogens sicherzustellen. Ein entsprechend verbessertes Schaltverhalten ist wünschenswert.
Darstellung der Erfindung
Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, einen Hochleistungsschalter und ein Verfahren zum Ausschalten eines Hochleistungsschalters der eingangs genannten Art zu schaffen, welche ein verbessertes Schaltverhalten aufweisen. Insbesondere soll eine durch die wiederkehrende Spannung drohende Rückzündung, insbesondere bei einem Klemmenkurzschluss (Tl OOa), sicher verhindert werden und dennoch ein sicheres Löschen des Lichtbogens sichergestellt werden.
Diese Aufgabe löst eine Vorrichtung und ein Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche.
Der erfindungsgemässe Hochleistungsschalter ist befüllbar mit einem Löschgas (zum Beispiel SFe, N2, Luft oder ein Gemisch dieser) und weist ein erstes Lichtbogenkontaktstück und ein zweites Lichtbogenkontaktstück auf. Nach einer Kontakttrennung brennt zwischen den beiden Lichtbogenkontaktstücken gegebenenfalls ein Lichtbogen. Zur Zwischenspeicherung von durch den Lichtbogen aufgeheiztem Löschgas weist der Hochleistungsschalter einen Heizraum auf. Eine Isolierdüse weist zur Führung einer Löschgasströmung entlang einer Achse ein Engnis auf, welches mit dem Heizraum verbunden ist. An das Engnis schliesst sich ein erweiterter Bereich an.
Der erfindungsgemässe Hochleistungsschalter hat die Eigenschaft, dass ein parallel zu der Achse gemessener Abstand d zwischen dem Engnis und dem zweiten Lichtbogenkontaktstück zumindest während eines für ein mögliches Rückzünden kritischen Zeitfensters zumindest in speziellen Schaltfällen innerhalb eines Abstandsintervalles liegt. Der dadurch erreichte Vorteil liegt darin, dass auf diese Weise die Wahrscheinlichkeit für ein Rückzünden, sei es aufgrund der nur wenige hundert MikroSekunden anhaltenden Einschwingspannung (transiente wiederkehrende Spannung, transient recovery voltage, TRV) oder aufgrund der wiederkehrende Spannung, stark reduziert wird. Dies wird dadurch erreicht, dass durch die erfindungsgemässe Wahl des Abstandes d entlang der Schaltstrecke, also zwischen den beiden Kontaktstücken, im besonders feldbelasteten Bereich, aber zumindest im Engnis und zwischen dem Engnis und dem zweiten Kontaktstück, eine relativ hohe Löschgasdichte und somit eine relativ hohe Durchschlagsfestigkeit erreicht wird.
Ein Hochleistungsschalter muss so ausgelegt sein, dass er verschiedene Schaltfälle sicher schalten kann, zum Beispiel den Abstandskurzschluss („short-line fault", L 90) und auch den Klemmenkurzschluss (Tl OOa). In der IEC-Norm 62271 -100 sind genaue Angaben zu der Definition verschiedener Schaltfälle hinterlegt. Für den Abstandskurzschluss ist, zum thermischen Löschen, im allgemeinen ein hoher Löschgasdruck notwendig. Dies führt meist dazu, dass im Falle eines Klemmenkurzschlusses (Tl 00a) so viel Löschgasdruck vorhanden ist, dass es eine Überschallströmung gibt. Bei Überschallströmungen kommt es im allgemeinen zu Stosswellen (shock waves) und entsprechenden Wellenmustern, welche in dem erweiterten Bereich auftreten. Dies führt dazu, dass es in dem erweiterten Bereich Gebiete gibt, die eine relativ geringe Dichte an Löschgas aufweisen (und entsprechend einen geringen Löschgasdruck). Dabei treten Drücke (und entsprechende Dichten) auf, die deutlich geringer sein können als der Löschgas-Fülldruck (Hintergrundsdruck), der im Normalzustand im Schalter herrscht.
Erfindungsgemäss ist es möglich, das zweite Kontaktstück so zu plazieren, dass das Gebiet oder die Gebiete geringster Löschgasdichte nicht entlang der Schaltstrecke auftreten, sondern seitlich des zweiten Kontaktstücks. Dafür muss das Kontaktstück relativ nahe dem Engnis plaziert sein, beispielsweise ungefähr dort, wo das erste (und somit ausgeprägteste) Dichte-Minimum liegt, wenn das zweite Kontaktstück (unendlich) weit von dem Engnis entfernt ist (oder einfach kein zweites Kontakstück vorhanden ist). Durch die erfindungsgemässe geschickte Positionierung des zweiten Kontaktstückes werden die Strömungsverhältnisse in dem erweiterten Bereich derart verändert, dass das Minimum der im oder neben dem zweiten Kontaktstück auftretenden Löschgasdichte geringer ist als das Minimum der im Engnis oder zwischen dem Engnis und dem zweiten Kontaktstück auftretenden Löschgasdichte. Somit wird eine relativ hohe Löschgasdichte entlang der Schaltstrecke und somit eine relativ hohe Durchschlagsfestigkeit erreicht. Ein Rückzünden kann somit wirkungsvoll verhindert werden.
Der Abstand d sollte aber nicht zu gering gewählt sein, da dann eine zu starke Behinderung der Löschgasströmung auftritt, so dass sich der Löschgasdruck im Heizraum nicht schnell genug abbauen kann und keine ausreichende Lichtbogenbeblasung erfolgen kann. Der Abstand d muss also mindestens so gross sein, dass im erweiterten Bereich die minimale von der Löschgasströmung zu durchströmende Querschnittsfläche mindestens einen so grossen Flächeninhalt hat wie die Querschnittsfläche des Engnisses (nahe dem erweiterten Bereich), besser mindestens 1.5 mal, mindestens 2 mal oder mindestens 2.5 mal oder sogar mindestens 3 mal diesen Flächeninhalt.
Typischerweise wird im Stand der Technik der Abstand d sehr gross gewählt, wodurch im allgemeinen eine grosse Beabstandung der zwei Lichtbogenkontaktstücke erreicht wird, was auch zu einer geringeren Durchschlagswahrscheinlichkeit führt, da die vorkommenden elektrischen Feldstärken kleiner sind. Aber solch grosse Abstände d widersprechen der Idee der Erfindung, da dann vor dem Kontaktstück Gebiete sehr geringe Löschgasdichte exisiteren.
Die Dichten und Drücke des Löschgases sind über die (lokale) Temperatur des Löschgases direkt miteinander verknüpft, und sie sind hervorgerufen durch die lokalen Strömungsgeschwindigkeiten des Löschgases, wobei eine hohe Strömungsgeschwindigkeit mit einer geringen Dichte und einem geringen Druck einhergeht. Anstatt über die Löschgasdichten (neben und vor dem zweiten Kontaktstück) kann die Erfindung auch über die dortigen Drücke oder über die dortigen Löschgas-Strömungsgeschwindigkeiten definiert werden. Ein Vorteil der Definition über die lokalen Drücke ist, dass Drücke im gegensatz zu Dichten und Strömungsgeschwindigkeiten relativ gut messbar sind. In Simulationsrechnungen sind alle drei Grossen (Dichte, Druck, Scrömungsgeschwindigkeit) im allgemeinen gut bestimmbar.
Oben wurde erwähnt, dass die Bedingung für den Abstand d zumindest während eines für ein mögliches Rückzünden kritischen Zeitfensters einzuhalten ist. Das Zeitfenster liegt sicherlich während eines Ausschaltvorgangs nach einer Kontakttrennung, da sonst kein zu löschender Lichtbogen auftritt. Auch kommt die Erfindung nur dann zum tragen, wenn eine Löschgasströmung durch das Engnis in Richtung des zweiten Lichtbogenkontaktstücks möglich ist. Wenn zum Beispiel das zweite Kontaktstück ein Verdämm-Kontaktstück ist, also zeitweise, um den Aufbau eines hohen Löschgasdruckes in dem Heizraum zu ermöglichen, das Engnis zumindest teilweise verdämmt, so beginnt ein als Löschphase bezeichneter Zeitraum, in welchem eine Löschgasströmung durch das Engnis in Richtung des zweiten Lichtbogenkontaktstücks möglich ist, frühestens dann, wenn das Engnis durch das zweite Kontaktstück nicht mehr verdämmt ist. Das Löschgas strömt dann also aus dem Heizraum, durch das Engnis und in den erweiterten Bereich in Richtung des zweiten Kontaktstücks.
Ausserdem kommt die Erfindung nur dann richtig zum tragen, wenn die Löschgasströmung zumindest lokal mit Schall- oder Überschall¬ geschwindigkeit strömen kann, insbesondere irgendwo in dem erweiterten Bereich. Da es prinzipiell möglich ist, schaltfallabhängig zu schalten und entsprechend den Bewegungsablauf, den die Kontaktstücke und die Düse während eines Ausschaltvorganges durchführen, für verschiedene Schaltfälle veschieden zu wählen, kann die erfindungsgemässe Wahl des Abstandes d auf solche Schaltfälle beschränkt werden, in denen die Löschgasströmung zumindest lokal mit Schall- oder Überschallgeschwindigkeit strömen kann.
Das Zeitfenster, innerhalb dessen der Abstand d in der erfindungsgemässen Weise zu wählen ist, ist dadurch nach hinten begrenzt, dass der Abstand d dann nicht mehr innerhalb des Abstandsintervalles zu liegen braucht, wenn die Löschgasströmung nicht mehr zumindest lokal mit Schall- oder Überschallgeschwindigkeit strömen kann. Wenn also der Löschgasdruck PH im Heizraum relativ zum Fülldruck po (statischer Druck, Druck in einem Abströmvolumen) so weit abgesunken ist, dass in dem erweiterten Bereich keine Schall- oder Überschallströmung mehr stattfinden kann, braucht auch der Abstand d nicht mehr notwendigerweise in dem Abstandsintervall zu liegen. Das zweite Kontaktstück kann aber noch innerhalb des Abstandsintervalles verbleiben, bis der Ausschaltvorgang abgeschlossen ist.
Das Laval-Druckverhältnis gibt, in Abhängigkeit von dem verwendeten Löschgas, das Druckverhältnis PO/PH an, unterhalb dessen eine Überschallströmung möglich ist. Für SFβ ist das Laval-Druckverhältnis etwa 0.59; für N2 etwa 0.53; für Luft auch etwa 0.53. Für ein Gas mit dem Adiabatenkoeffizienten K beträgt das Laval-Druckverhältnis
[2 /(κ+ l)]κ/(κ-D
Das Abstandsintervall, in dem d erfindungsgemäss liegen soll, kann gemäss obigen Ausführungen dadurch angegeben werden, dass einerseits, entsprechend einer unteren Abstandsintervallgrenze, die der Löschgasströmung in dem erweiterten Bereich zum Durchströmen zur Verfügung stehende Querschnittsfläche einen mindestens so grossen Flächeninhalt hat wie die Querschnittsfläche des Engnisses (nahe dem erweiterten Bereich), und andererseits, entsprechend einer oberen Abstandsintervallgrenze, das Minimum der im Engnis oder zwischen dem Engnis und dem zweiten Kontaktstück auftretenden Löschgasdichte grösser ist als das Minimum der im oder neben dem zweiten Kontaktstück auftretenden Löschgasdichte. Der Fall, dass das Minimum in dem zweiten Kontaktstück liegt, kann selbstverständlich nur vorkommen, wenn das zweite Kontaktstück ein Hohlkontakt, beispielsweise eine Kontakttulpe ist.
Der Abstand d zwischen der Düse und dem zweiten Kontaktstück wird, in einer Sichtweise der Erfindung, zumindest nach Verlöschen des Lichtbogens zum Zwecke der dielektrischen Verfestigung der Schaltstrecke und zum Zwecke des Ermöglichens eines zügigen Abströmens von Löschgas durch den erweiterten Bereich in geeigneter weise gewählt.
In einer anderen Sichtweise kann der erfindungsgemässe Hochleistungsschalter die Eigenschaft haben, dass während eines Ausschaltvorgangs nach der Kontakttrennung während einer Löschphase, in der eine Löschgasströmung durch das Engnis in Richtung des zweiten Lichtbogenkontaktstücks (insbesondere mit mindestens der Schallgeschwindigkeit) möglich ist, ein parallel zu der Achse gemessener Abstand d zwischen dem Engnis und dem zweiten Lichtbogenkontaktstück derart gewählt ist, dass die Strömungsgeschwindigkeit der Löschgasströmung in einem Bereich maximal ist, der neben dem zweiten Lichtbogenkontaktstück und/oder innerhalb des zweiten Lichtbogenkontaktstücks angeordnet ist. Der Bereich kann zusammenhängend sein oder aus mehreren Teilbereichen bestehen.
Demgemäss gibt es also eine als Löschphase bezeichnete Zeitspanne, die nach der Kontakttrennung liegt, und während der eine Löschgasströmung durch das Engnis in Richtung des zweiten Lichtbogenkontaktstücks stattfinden kann (und im Schaltfalle auch stattfindet). Während einer solchen Zeitspanne erfüllt der Abstand d die genannte Bedingung, mindestens insoweit wie eine Löschgasströmung mit mindestens der Schallgeschwindigkeit möglich ist. Diese Bedingung lautet, dass der Bereich, in dem die Strömungsgeschwindigkeit der genannten, durch das Engnis in Richtung des zweiten Kontaktstücks gerichteten Löschgasströmung am grössten ist, innerhalb des zweiten Kontaktstücks und/oder seitlich neben dem zweiten Kontaktstück angeordnet ist.
Dass eine Löschgasströmung durch das Engnis in Richtung des zweiten Lichtbogenkontaktstücks möglich ist, sei dadurch definiert, dass das Engnis nicht (durch beispielsweise eines der beiden Kontaktstücke) zumindest teilweise verdämmt ist. Es ist dann also insbesondere kein Teil eines der Lichtbogenkontaktstücke innerhalb des Engnisses angeordnet. Insbesondere kann das Vorliegen einer Löschgasströmung in dem Engnis dadurch definiert werden, dass die Strömungsgeschwindigkeit der betreffenden Löschgasströmung innerhalb des Engnisses so gross ist, dass diese Strömungsgeschwindigkeit bei einer Vergrösserung des Abstandes d nicht mehr grösser wird. Letzteres ist ungefähr dann der Fall, wenn eine solche, innerhalb eines an das Engnis anschliessenden, erweiterten Bereiches angeordnete, vom Löschgas durchströmte Fläche, die einen minimalen Flächeninhalt hat, mindestens einen gleichgrossen (oder einen 1 .5 mal oder einen 2 mal so grossen) Flächeninhalt hat wie die zu der Achse senkrechete Querschnittsfläche des Engnisses nahe dem während der Löschphase dem zweiten Lichtbogenkontaktstück zugewandten Ende des Engnisses. Dieser Flächeninhaltsvergleich ermöglicht eine weitere mögliche Definition der Existenz einer durch das Engnis führenden Löschgasströmung.
Der Abstand d ist eine Beabstandung. Der Abstand d misst sich selbstverständlich zwischen den einander zugewandten Enden von Engnis und zweitem Kontaktstück.
Das Engnis kann auch als Düsenkanal bezeichnet werden. Mit grossem Vorteil ist das Engnis länglich ausgebildet, das heisst, dass es länger ist als es breit ist. Vorteilhaft ist es sogar mindestens 1 .5 mal, mindestens 2 mal oder mindestens 2.5 mal so lang wie es breit ist. Ein langes Düsenengnis hat eine grosse (innere) Oberfläche. Dadurch kann ein in dem Engnis brennender Lichtbogen aus einer grossen Fläche Düsenmaterial (zum Beispiel PTFE) herauslösen, mit dem Effekt, dass ein besonders sicheres Lichtbogenlöschen erreicht wird. Ausserdem kann, wenn eines der beiden Lichtbogenkontaktstücke ein Verdämm-Kontaktstück ist, im Falle eines besonders langen Düsenkanals ein besonders starker Druckaufbau in dem Heizraum erzeugt werden, da bei gleichen Bewegungsgeschwindigkeiten von Kontaktstücken und Düse der Düsenkanal für eine längere Zeit verdämmt ist.
Die Kontakttrennung bedeutet eine Trennung eines physischen Kontaktes zwischen den beiden Lichtbogenkontaktstücken. Der physische Kontakt kann beispielsweise durch ein direktes Einander-Kontaktieren der Kontaktstücke realisiert sein oder auch durch ein die beiden Lichtbogenkontaktstücke kontaktierendes Zwischen-Kontaktstück (Brücken-Kontaktstück).
Über die Länge des Zeitfensters, während dessen der Abstand d die Bedingung erfüllt, also innerhalb des Abstandsintervalles liegt, lässt sich folgendes sagen: Für typische Hochleistungsschalter der betrachteten Art liegt die minimale Lichtbogenzeit (kürzeste Zeitdauer, während der ein Lichtbogen brennt) zwischen etwa 5 ms oder 7 ms und etwa 15 ms. Die maximale Lichtbogenzeit (längste Zeitdauer, während der ein Lichtbogen brennt, bevor er gelöscht wird) liegt typischerweise zwischen 1 5 ms oder 1 7 ms und 30 ms. Das Lichtbogenzeitfenster, das die Differenz zwischen maximaler und minimaler Lichtbogenzeit angibt, liegt typischerweise zwischen 10 ms und 1 5 ms.
Vorteilhaft wird die oben genannte Bedingung für den Abstand d während mindestens einer Zeitspanne von 10 ms, mindestens 1 5 ms oder mindestens 20 ms erfüllt, um während des grössten und wichtigsten Teils des Druckabfalles im Heizraum nach der Lichtbogen-Löschung gute Strömungsverhältnisse sicherzustellen. Mit Vorteil wird die Bedingung für d auch noch zusätzlich für die Dauer des Lichtbogenzeitfensters erfüllt, so dass die Bedingung vorteilhaft während einer Zeitspanne von mindestens 20 ms, mindestens 25 ms, mindestens 30 ms oder mindestens 35 ms erfüllt ist. Besonders vorteilhaft kann auch schon die Beblasung von Lichtbögen mit kurzer Lichtbogenzeit zumindest teilweise erfolgen, während die genannte Bedingung für d erfüllt ist. Somit ist es besonders vorteilhaft, wenn die Bedingung während einer Zeitspanne von mindestens 25 ms, mindestens 30 ms, mindestens 35 ms, mindestens 40 ms, mindestens 45 ms oder mindestens 50 ms erfüllt ist. Um in praktisch allen Schaltfällen ein möglichst sicheres Schalten zu ermöglichen und Rückzünden zu verhindern, kann die Bedingung auch über eine noch längere Zeitspanne, wie 60 ms, 80 ms oder 100 ms oder länger erfüllt werden, was besonders gut realisierbar ist, wenn die Isolierdüse und das zweite Lichtbogenkontaktstück schon bald nach Freigabe des Engnisses (also bald nach Ermöglichung der Löschgasströmung durch das Engnis hindurch) mit im wesentlichen derselben Geschwindigkeit in dieselbe Richtung bewegt sind.
Wenn das zweite Kontaktstück keine Öffnung zum Abströmen von Löschgas im geöffneten Schalterzustand aufweist, beispielsweise als ein Vollstift aufgeführt ist, liegt der Bereich maximaler Strömungsgeschwindigkeit oder minimaler Löschgasdichte erfindungsgemäss seitlich neben dem zweiten Kontaktstück. Wenn das zweite Kontaktstück aber eine Öffnung zum Abströmen von Löschgas im geöffneten Schalterzustand aufweist, beispielsweise als ein Hohlstift insbesondere als eine Kontakttulpe ausgeführt ist, ist der Bereich maximaler Strömungsgeschwindigkeit bezüglich der Achse seitlich neben dem zweiten Kontaktstück und/oder innerhalb der Öffnung angeordnet.
Der Bereich maximaler Löschgasströmungsgeschwindigkeit oder minimaler Löschgasdichte ist insbesondere nicht innerhalb der Schaltstrecke, also nicht im Bereich zwischen den beiden Kontaktstücken angeordnet. Der Bereich maximaler Löschgasströmungsgeschwindigkeit ist nicht innerhalb des Engnisses und auch nicht zwischen dem Engnis und dem zweiten Kontaktstück angeordnet. Durch die erfindungsgemässe Wahl des Abstandes d wird eine Optimierung des Löschgasflusses, insbesondere im Bereich des Engnisses und des zweiten Kontaktstücks erreicht. Der Löschgasfluss ist dahingehend optimiert, dass eine besonders hohe Durchschlagsicherheit dort erzeugt wird, wo eine besonders hohe dielektrische Belastung vorliegt. Diese vorteilhafte Wirkung wird durch die Erfindung realisiert, weil durch die erfindungsgemässe Wahl des Abstandes d eine hohe Löschgasdichte entlang der Schaltstrecke erreicht werden kann, während Bereiche geringerer Löschgasdichte in dem dielektrisch weniger belasteten Bereich seitlich (oder innerhalb) des zweiten Kontaktstücks vorliegen.
In einer speziellen Ausführungsform der Erfindung liegt der Abstand d erst ab dem Verlöschen des Lichbtogens innerhalb des Abstandsintervalls. Die dielektrische Festigkeit wird vor allem dann benötigt, wenn der Lichtbogen verlöscht ist und ein Rückzünden zu verhindern ist.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der erweiterte Bereich im wesentlichen trichterförmig ausgebildet. Insbesondere ist er vorteilhaft frei von Seitenkanälen. Solche Seitenkanäle, wie sie beispielsweise aus DE 35 43 762 Al bekannt sind, dienen dazu, die Düse, insbesondere im Bereich des Engnisses, von Druck zu entlasten. In der genannten Schrift soll gar keine Beblasung des Lichtbogens mit durch den Lichtbogen erhitztem Gas stattfinden und ebensowenig eine Zwischenspeicherung von durch den Lichtbogen erhitztem Gas. Die Beblasung erfolgt mittels kühlen Gases (Druckluft). Auch ist das Engnis in der genannten Schrift sehr kurz und bildet keinen länglichen Kanal.
Vorteilhaft ist durch die Achse eine axiale und eine radiale Koordinate definiert, und das Engnis ist länglich ausgebildet. Insbesondere ist die entlang der axialen Koordinate gemessene Ausdehnung des Engnissse mindestens 1.5 mal oder vorteilhaft sogar mindestens 2 mal so gross wie die entlang der radialen Koordinate gemessene Ausdehnung des Engnisses
In einer weiteren Sichtweise der Erfindung liegt der Abstand d mindestens solange in dem Abstandsinterval, wie in der Löschgasströmung überschallbedingte Schockwellen auftreten können. Durch die Einhaltung des Abstandes d innerhalb des Abstandsintervalles können die durch die Schockwellen bedingten Durchschlagsfestigkeitsprobleme stark entschärft werden.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weisen das Engnis und der erweiterte Bereich nahe dem Übergang von dem Engnis zu dem erweiterten Bereich eine von der Geometrie einer Laval-Düse abweichende Geometrie auf. In einer Laval-Düse kann eine Überschallströmung vorliegen, ohne dass es Schockwellen gibt. Es sind aber gerade Schockwellen, die zu dem durch die vorliegende Erfindung gelösten Problem führen. In US 3 842 226 beispielsweise ist ein Schalter offenbart, welcher eine bauchige Düse mit zwei Hälsen aufweist. Einer der Hälse ist als eine Laval-Düse ausgebildet und sorgt dafür, dass es in dem Bauch zu einem starken Druckabfall kommt. Dies widerläuft der Idee der vorliegenden Erfindung, da erfindungsgemäss eine hohe Löschgasdichte und entsprechend eine hohe Durchschlagsfestigkeit erzeugt werden soll.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung gibt es während eines Ausschaltvorgangs eine Relativbewegung von zweitem Kontaktstück und Isolierdüse, insbesondere eine Relativbewegung von dem zweitem Kontaktstück und dem erweiterten Bereich der Isolierdüse, wobei die Geschwindigkeit dieser Relativbewegung zumindest zeitweise reduziert wird, während der Abstand d innerhalb des Abstandsintervalls liegt. Dies ist ein vorteilhafter Weg, wie realisiert werden kann, dass das zweite Kontaktstück, sofern der Abstand d während eines Ausschaltvorganges nicht konstant bleiben soll, dennoch eine relativ lange Zeit innerhalb des Abstandsintervalles verbleiben kann.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung liegt der Abstand d nach einem Ausschaltvorgang in einer Endposition innerhalb des Abstandsintervalls. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass sich spätestens ab dem Verlöschen des Lichtbogens das zweite Kontaktstück und die Düse mit im wesentlichen derselben Geschwindigkeit in dieselbe Richtung bewegen.
Vorteilhaft ist der Abstand d innerhalb des Abstandsintervalls im wesentlichen konstant gehalten. Dies erlaubt es, während einer langen Zeitdauer die optimierten Strömungsverhältnisse vorliegen zu haben, und der Einfluss des Dämpfungs- und/oder Rücklaufverhaltens auf den Abstand d ist minimiert.
Das erfindungsgemässe Verfahren zum Ausschalten eines mit einem Löschgas gefüllten Hochleistungsschalters mit einem ersten Lichtbogenkontaktstück und mit einem zweiten Lichtbogenkontaktstück und mit einer ein Engnis aufweisenden Isolierdüse, umfasst in einer Sichtweise der Erfindung die folgenden Schritte:
- die beiden Lichtbogenkontaktstücke werden voneinander getrennt, wodurch ein Lichtbogen zwischen den beiden Lichtbogenkontaktstücken gezündet wird, durch welchen Löschgas erhitzt wird, welches in einem Heizraum zwischengespeichtert wird;
- durch eine Löschgasströmung wird Löschgas aus dem Heizraum durch das Engnis entlang einer Achse und in einen an das Engnis anschliessenden erweiterten Bereich geführt, wobei das Engnis nahe dem erweiterten Bereich eine zu der Achse senkrechte Querschnittsfläche eines Flächeninhalts F aufweist;
- während dieser Löschgasströmung wird, zumindest in Schaltfällen, in denen die Löschgasströmung zumindest lokal mit Schall- oder Überschallgeschwindigkeit strömen kann, ein parallel zu der Achse gemessener Abstand d zwischen dem Engnis und dem zweiten Lichtbogenkontaktstück mindestens solange innerhalb eines Abstandsintervalles gehalten, wie die Löschgasströmung zumindest lokal mit Schall- oder Überschallgeschwindigkeit strömen kann;
- wobei das Abstandsintervall abhängig ist von dem Flächeninhalt F, der geometrischen Ausgestaltung des zweiten Kontaktstücks und der geometrischen Ausgestaltung des erweiterten Bereiches, und
- wobei das Abstandsintervall dadurch gegeben ist, dass
- einerseits, entsprechend einer unteren Abstandsintervallgrenze, die der Löschgasströmung in dem erweiterten Bereich zum Durchströmen zur Verfügung stehende Querschnittsfläche mindestens den Flächeninhalt F, insbesondere mindestens den Flächeninhalt 1.5 x F hat, und
- andererseits, entsprechend einer oberen Abstandsintervallgrenze, das Minimum der im Engnis oder zwischen dem Engnis und dem zweiten Kontaktstück auftretenden Löschgasdichte grösser ist als das Minimum der im oder neben dem zweiten Kontaktstück auftretenden Löschgasdichte.
Das erfindungsgemässe Verfahren kann auch als ein Verfahren zum Schalten eines elektrischen Stromes mittels eines Hochleistungsschalters bezeichnet werden.
In einer weiteren Sichtweise kann die Erfindung darin bestehen, dass der Abstand d während der Löschphase (und zumindest für das kritische Zeitfenster) derart gewählt wird, dass d = (F/π^ x ( (l +b' - cosα)5* - 1 ) / (sinα - cosα) gilt, wobei für den Parameter b' gilt: b' = b - F' /F, und wobei für den Parameter b gilt:
1 .4 < b < 4.5, insbesondere
1 .7 < b ≤ 4.0, insbesondere
2.1 < b < 3.5, und besonders vorteilhaft
2.2 < b < 3.2.
Dabei ist F der bereits oben benannte Flächeninhalt der zur Achse senkrechten (also bezüglich der Achse radial angeordneten) Querschnittsfläche des Engnisses nahe dem während der Löschphase dem zweiten Lichtbogenkontaktstück zugewandten Ende des Engnisses. Im Falle eines zylinderförmigen Engnisses ist die Querschnittsfläche die Zylinderdeckelfläche. F' ist der Flächeninhalt der zur Achse senkrechten (also bezüglich der Achse radial angeordneten) Querschnittsfläche einer gegebenenfalls in dem zweiten Kontaktstück vorgesehenen Öffnung zum Abströmen von Löschgas. Und der Winkel α ist der Öffnungswinkel <x des an das Engnis anschliessenden, erweiterten Bereiches. Für ein vollstift-artig ausgebildetes zweites Kontaktstück (ohne Abströmöffnung) ist b' = b.
Wenn der Parameter b gleich 1 ist, ist die an der dem zweiten Kontaktstück zugewandten Ende des Engnisses von der Löschgasströmung durchströmte Fläche F gleich gross ist wie diejenige minimale Fläche, die die Löschgasströmung in dem erweiterten Bereich durchströmt. Dabei ist diese minimale Fläche durch eine Kegelstumpfmantelfläche genähert, zu der gegebenenfalls noch die Fläche F' hinzukommt. Der Parameter b gibt das geometrische (theoretische) Verhältnis der Kegelstumpfmantelfläche (gegebenenfalls zuzüglich der Fläche F') zu der Fläche F an.
Für b < 1 ist die Löschgasströmung durch das Engnis so gering, das keine gute und im allgemeinen auch keine ausreichende Lichtbogenbeblasung erreicht wird (schlechte Eigenschaften beim thermischen Schalten). Aufgrund von Wandreibungsverlusten und Fertigungstoleranzen, und weil die von der Löschgasströmung tatsächlich ausgenutzte Fläche aufgrund der Richtungsumlenkung der Löschgasströmung nach Austritt aus dem Engnis geringer ist als die genannte Kegelstumpfmantelfläche (gegebenenfalls zuzüglich der Abströmöffnungsfläche), wird für Werte von b zwischen eins und etwa 1.4 in der Praxis noch keine befriedigende Löschgasströmung und Lichtbogenbeblasung erreicht. Erst ab b ~ 1 .4 und für grossere b kann dies praktisch erreicht werden. Auch schon für Werte von b kleiner als 1.4 und kleiner als eins ist der Bereich maximaler Strömungsgeschwindigkeit neben dem zweiten Kontaktstück und/oder innerhalb des zweiten Kontaktstücks angeordnet. In der Praxis kann b eher Werte von mindestens 2 oder mindestens 2.5 annehmen.
Wenn der Parameter b grösser als etwa 4.5 oder 5 gewählt wird, wird im allgemeinen ein relativ geringer Löschgasdruck und eine relativ geringe Löschgasdichte achsennah zwischen dem Engnis und dem zweiten Kontaktstück erzeugt. In diesem Fall ist der Bereich maximaler Strömungsgeschwindigkeit dort und nicht neben dem zweiten Kontaktstück und/oder innerhalb des zweiten Kontaktstücks angeordnet, und die dielektrische Festigkeit der Schaltstrecke ist entsprechend beeinträchtigt.
Näherungsweise kann der Abstand d im Falle F' ∞ 0 auch gemäss folgender
Ungleichung gewählt werden:
0.5x(F/ττ)>* / tan α' < d < 1.2x(F/ττ)1/2 / tan α' +0.55xD, insbesondere 0.8x(F/π)* / tan α' ≤ d < 1 .0x(F/π)'/2 / tan α' +0.45xD .
Dabei ist der Winkel «' ist gleich dem Öffnungswinkel oc, sofern α < 45° ist, und für ex > 45° ist oc' = 45°.
Durch die beschriebene, querschnittsflächenabhängige Wahl des Abstandes d wird für die gängigen Schaltergeometrien die oben genannte Strömungsgeschwindigkeitsbedingung erfüllt. Wenn der Abstand d innerhalb eines engeren der angegebenen Bereiche für d beziehungsweise der Parameter b innerhalb eines engeren der angegebenen Bereiche für b gehalten werden kann, kann ein Beibehalten der vorteilhaften Löschgasströmung besser sichergestellt werden.
Bei den Näherungsrechnungen für die Flächen wurde von einem zylindrischen zweiten Kontaktstück ausgegangen, welches am Ende keine Abrundungen oder dergleichen aufweist. Entsprechend sind bei anderen, zum Beispiel abgerundeten Kontaktstücken entweder leicht abgeänderte Formeln anzuwenden oder der Abstand d nicht ab dem Ende des Kontaktstückes, sondern ein etwas grosserer Abstand zu nehmen.
Bei den Näherungsrechnungen für die Flächen wurde ausserdem die Querschnittsfläche (oder der Durchmesser) des zweiten Kontaktstückes als etwa gleich gross wie die entsprechende Abmessung des Engnisses vorausgesetzt. Insbesondere wenn das zweite Kontaktstück kein Verdämm- Kontaktstück ist, können auch andere Abmessungen vorliegen, so dass gegebenenfalls entsprechend abgeänderte Formeln anzuwenden wären.
Sofern der an das Engnis anschliessende, erweiterte Bereich zunächst einen ersten Öffnungswinkel w und dann, daran anschliessend einen weiteren Öffnungswinkel ot aufweist, welcher grösser oder kleiner ist als der erste Öffnungswinkel <x (gestufter erweiterter Bereich), dann ist in der für den Abstand d angegebenen Formel ein entsprechend gemittelter Öffnungswinkel <x einzusetzen. Auch im Falle eines sich gekrümmt oder gewellt erweiternden erweiterten Bereichs ist ein entsprechend gemittelter Öffnungswinkel ex einzusetzen. Der Hochleistungsschalter kann vorteilhaft ein Engnis aufweisen, das im wesentlichen als ein Zylinder ausgebildet ist. In diesem Fall wird der Abstand d während der Löschphase vorteilhaft derart gewählt, dass d = D x ( (1 +b ' • cosoO^ - 1 ) / (2 • sinα • cosα) gilt, wobei für den Parameter b' gilt: b' = b - F' /F, und wobei für den Parameter b gilt:
1 .4 < b < 4.5, insbesondere
1 .7 < b < 4.0, insbesondere
2.1 < b < 3.5, und besonders vorteilhaft
2.2 < b < 3.2.
Dabei ist D der Durchmesser des Zylinders nahe dem während der Löschphase dem zweiten Lichtbogenkontaktstück zugewandten Ende des Zylinders. F' ist der Flächeninhalt der zur Achse senkrechten (also bezüglich der Achse radial angeordneten) Querschnittsfläche einer gegebenenfalls in dem zweiten Kontaktstück vorgesehenen Öffnung zum Abströmen von Löschgas. Und der Winkel α ist der Öffnungswinkel ot eines an das Engnis anschliessenden, erweiterten Bereiches. Für ein vollstift-artig ausgebildetes zweites Kontaktstück (ohne Abströmöffnung) ist b ' = b.
Näherungsweise kann der Abstand d im Falle F' ∞ 0 auch gemäss folgender Ungleichung gewählt werden:
O.25xD / tan oc ' ≤ d < 0.6xD / tan oc ' +O.55xD, insbesondere
0.4xD / tan oc ' ≤ d < 0.5xD / tan oc ' +O.45xD .
Dabei ist der Winkel oc' ist gleich dem Öffnungswinkel oc, sofern ex < 45° ist, und für oc > 45° ist oc ' = 45°.
Durch die beschriebene, zylinderdurchmesserabhängige Wahl des Abstandes d wird für die gängigen Schaltergeometrien die erfindungsgemässen Dichte-, Druck- beziehungsweise Strömungsgeschwindigkeitsbedingung im allgemeinen erfüllt. Wenn der Abstand d innerhalb eines engeren der angegebenen Bereiche für d beziehungsweise der Parameter b innerhalb eines engeren der angegebenen Bereiche für b gehalten werden kann, kann ein Beibehalten der vorteilhaften Löschgasströmung besser sichergestellt werden.
In einer vorteilhaften Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes ist das Engnis durch eines der beiden Lichtbogenkontaktstücke zumindest teilweise verdämmbar. Dieses Lichtbogenkontaktstück wird als Verdämm- Kontaktstück bezeichnet. Während der Löschphase ist in diesem Falle das Engnis nicht mehr durch das Verdämm-Kontaktstück zumindest teilweise verdämmt. Es können das erste und/oder das zweite Lichtbogenkontaktstück als Verdämm-Kontaktstück wirken.
In einer weiteren möglichen Ausführungsform kann der Abstand des zweiten Kontaktstückes zum Engnis konstant sein. In diesem Fall ist das erste Kontaktstück relativ dazu bewegt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes ist mindestens eines der beiden Lichtbogenkontaktstücke mittels eines Antriebs antreibbar und entlang der Achse bewegbar. Besonders vorteilhaft sind beide Lichtbogenkontaktstücke bewegbar, und ein erster Antrieb zum Antreiben des ersten Lichtbogenkontaktstücks und ein zweiter Antrieb zum Antreiben des zweiten Lichtbogenkontaktstücks ist vorgesehen. In diesem Fall kann mit grossem Vorteil der zweite Antrieb als ein durch den ersten Antrieb antreibbares Getriebe realisiert sein.
Vorteilhaft ist der Antrieb oder sind die Antriebe derart gestaltet, dass eine Bewegungsrichtungsumkehr mindestens eines der Lichtbogenkontaktstücke yon einer entgegengesetzten zu einer gleichgerichteten Bewegung der dieses Lichtbogenkontaktstücks und der Isolierdüse stattfindet. Mit grossem Vorteil findet diese Bewegungsrichtungsumkehr während der Löschgasströmung durch das Engnis statt, insbesondere wenn das Engnis nicht durch eines der Kontaktstücke zumindest teilweise verdämmt ist.
Es ist möglich, dass ein bewegliches Zwischenstück zwischen den beiden Lichtbogenkontaktstücken bewegbar angeordnet ist, so dass die beiden Lichtbogenkontaktstücke feststehend sein können.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes ist das Engnis mittels eines Kanals, insbesondere mittels eine Ringkanals, mit dem Heizraum verbunden.
Vorteilhaft ist das zweite Kontaktstück stiftförmig ausgebildet. Es kann als ein Vollstift oder auch als ein Hohlstift ausgebildet sein. Insbesondere kann es auch als eine Kontakttulpe ausgebildet sein. Das zweite Kontaktstück kann eine Öffnung zum Abströmen von Löschgas im geöffneten Schalterzustand aufweisen. Vorteilhaft können das erste und das zweite Lichtbogenkontaktstück als ein Kontaktstückpaar aus einer Kontakttulpe und einem Kontaktstift realisiert sein.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind während der Löschphase, oder zumindest solange wie der Abstand d innerhalb des Abstandsintervalles liegt, die Isolierdüse und das zweite Kontaktstück in dieselbe Richtung bewegt. Mit grossem Vorteil gilt während der Löschphase für das Verhältnis vi /v2 der Geschwindigkeit vi der Isolierdüse zu der Geschwindigkeit v2 des zweiten Lichtbogenkontaktstückes 0.4 < vi /v2 < 1 .2, insbesondere 0.75 < vi /v2 < 1 .1 5. Besonders vorteilhaft gilt während der Löschphase 0.9 < vi /v2 < 1.08 oder vi /v2 ~ 1. Die Isolierdüse und das zweite Lichtbogenkontaktstück sind während der Löschphase vorteilhaft mit im wesentlichen derselben von null verschiedenen Geschwindigkeit in dieselbe Richtung bewegt.
Durch ein Geschwindigkeitsverhältnis vi /v2 von etwa 1 :1 nach der Bewegungsrichtungsumkehr ist es möglich, die Belastung der Dämpfungseinrichtung zu verringern oder eine weniger aufwendige Dämpfungseinrichtung einzusetzen, da ein längerer Dämpfungshub (längere Strecke, während der die Bewegungen abgebremst werden) vorgesehen werden kann. Denn nach einem frühen Erreichen eines ausreichenden (typischerweise auch maximalen) Abstandes zwischen den Lichtbogenkontaktstücken kann das Abbremsen der Kontaktstücke bereits beginnen, da der Kontaktstück- Abstand durch die 1 :1 -Übersetzung konstantgehalten wird. Für ein Geschwindigkeitsverhältnis vi /v2, das nahe bei eins liegt, gilt im Prinzip das gleiche, wobei jedoch kleine Veränderungen des Kontaktstück-Abstandes vorkommen.
Der Hochleistungsschalter kann nach Art eines Selbstblasschalters ausgebildet sein. In diesem Fall ist das Volumen des Heizraums konstant. Der Hochleistungsschalter kann nach Art eines Pufferschalters ausgebildet sein. In diesem Fall ist der Heizraum auch ein Kompressionsraum, dessen Volumen während eines Ausschaltvorgangs verringert wird, um durch den zusätzlichen Druck eine bessere Lichtbogenbeblasung zu erreichen. Der Hochleistungsschalter kann auch einen Heizraum, vorzugsweise mit konstantem Volumen, und zusätzlich einen Kompressionsraum aufweisen, wobei das Volumen mindestens des Kompressionsraums während eines Ausschaltvorgangs verringert wird. Vorteilhaft ist dann ein Ventil zwischen dem Kompressionsraum und dem Heizraum vorgesehen.
Mit Vorteil sind die beiden Lichtbogenkontaktstücke koaxial zueinander angeordnet. Die Lichtbogenkontaktstücke können gleichzeitig auch Nennstrom- Kontaktstücke sein. Vorteilhaft sind aber zusätzlich zu den Lichtbogenkontaktstücken noch separate Nennstrom-Kontaktstücke vorgesehen. Typischerweise werden bei einem Ausschaltvorgang zunächst die Nennstrom-Kontaktstücke voneinander getrennt, so dass der zu unterbrechende elektrische Strom auf die Lichtbogenkontaktstücke kommutiert. Danach werden die Lichtbogenkontaktstücke unter Zündung des Lichtbogens getrennt.
Mit Vorteil kann eines der beiden Lichtbogenkontaktstücke, insbesondere das erste Lichtbogenkontaktstück, eine Öffnung zur Aufnahme des anderen, vorteilhaft stiftartig ausgebildeten Lichtbogenkontaktstücks im geschlossenem Schalterzustand und zum Abströmen von Löschgas im geöffneten Schalterzustand aufweisen. Insbesondere kann dieses Lichtbogenkontaktstück als eine Kontakttulpe mit einer Vielzahl von Kontaktfingem ausgebildet sein.
Vorteilhaft ist es, wenn das zweite Lichtbogenkontaktstück stiftartig ausgebildet und bewegbar ist, während das erste Kontaktstück eine Öffnung zur Aufnahme des zweiten Kontaktstücks aufweist, und bewegbar oder nicht bewegbar ist. Die Isolierdüse ist dann vorteilhaft starr mit dem ersten Kontaktstück verbunden.
Hochleistungsschalter im Sinne dieser Anmeldung sind insbesondere solche Schalter, die für Nennspannungen von mindestens ca. 72 kV ausgelegt sind. Der Hochleistungsschalter kann eine oder mehrere Schaltkammern aufweisen. Weitere bevorzugte Ausführungsformen und Vorteile gehen aus den abhängigen Patentansprüchen und den Figuren hervor.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im folgenden wird der Erfindungsgegenstand anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen, welche in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt sind, näher erläutert. Es zeigen schematisch:
Fig. 1 ein Detail eines erfindungsgemässen Hochleistungsschalters in geöffnetem Zustand, geschnitten;
Fig. 2 ein Detail eines erfindungsgemässen Hochleistungsschalters mit zwei bewegbaren Lichtbogenkontaktstücken in geöffnetem und im geschlossenen Zustand, geschnitten, und mit Getriebe in Aufsicht;
Fig. 3 eine graphische Veranschaulichung von Verhältnissen von
Abstand d zu Engnis-Durchmesser D gemäss einer Gleichung, als Funktion des Öffnungswinkels <x, für verschiedene Parameter b' ; Figs. 4-8 graphische Darstellung von Simulationsrechnungen für
Löschgasströmungen bei verschiedenen Abständen d, es sind Isobaren dargestellt.
Die in den Zeichnungen verwendeten Bezugszeichen und deren Bedeutung sind in der Bezugszeichenliste zusammengefasst aufgelistet. Grundsätzlich sind in den Figuren gleiche oder gleichwirkende Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen. Für das Verständnis der Erfindung nicht wesentliche Teile sind zum Teil nicht dargestellt. Die beschriebenen Ausführungsbeispiele stehen beispielhaft für den Erfindungsgegenstand und haben keine beschränkende Wirkung.
Wege zur Ausführung der Erfindung
Fig. 1 zeigt schematisch im Schnitt einen Teil eines erfindungsgemässen Hochleistungsschalters, der mit einem Löschgas wie beispielsweise SFβ oder einer Mischung aus N2 und SFe befüllbar ist. Der Schalter weist ein erstes Lichtbogenkontaktstück 1 auf, das als eine Kontakttulpe ausgebildet ist. Das erste Lichtbogenkontaktstück 1 ist von einer Hilfsdüse 13 umgeben, welche zusammen mit einer Isolierdüse 5 einen als Ringkanal 7 ausgebildeten Kanal 7 bildet. Die Isolierdüse bildet ein im wesentlichen zylindrisch ausgebildetes Engnis 6 zur Führung einer Löschgasströmung. An das Engnis 6 schliesst ein im Durchmesser erweiterter Bereich 21 mit einem Öffnungswinkel oc « 45° an. Der Kanal 7 verbindet das Engnis 6 mit einem Heizraum 1 1 zur Zwischenspeicherung von Löschgas. Auf der dem ersten Kontaktstück 1 abgewandten Seite des Engnisses 6 ist ein zweites, stiftförmiges Lichtbogenkontaktstück 2 angeordnet. Mit Vorteil hat der Schalter genau zwei Lichtbogenkontaktstücke.
Der Durchmesser des Engnis-Zylinders ist mit D bezeichnet. Der Abstand, den das zweite Kontaktstück 2 zu dem Engnis 6 hat, ist mit d bezeichnet. Es gilt hier d « (0.7±0.1 )xD. Das dem Engnis 6 zugewandte Ende des zweiten Kontaktstücks 2 ist in dem an das Engnis 6 anschliessenden, im Durchmesser gegenüber dem Engnis 6 erweiterten Bereich 21 angeordnet. Der Durchmesser dieses Bereiches 21 nimmt zunächst deutlich zu und bleibt dann vorerst etwa konstant, um dann wieder leicht zuzunehmen. Je nach Form der Isolierdüse 5 kann das dem Engnis 6 zugewandte Ende des zweiten Kontaktstücks 2 in einem Abschnitt mehr oder weniger stark zunehmenden Durchmessers oder auch in etwa kontanten Durchmessers des Bereichs 21 der Isolierdüse 5 angeordnet sein, wenn die Bedingung erfüllt ist, dass die Löschgasdichte oder der Löschgasdruck in einem Bereich 20 minimal ist, der neben dem zweiten Lichtbogenkontaktstück 2 angeordnet ist (oder die Strömungsgeschwindigkeit der Löschgasströmung in einem Bereich 20 maximal ist, der neben dem zweiten Lichtbogenkontaktstück 2 angeordnet ist).
Solche Bereiche 20 sind im allgemeinen, anders als in Fig. 1 dargestellt, an das zweite Kontaktstück angrenzend (vergleiche weiter unten Figs. 4 bis 8).
Mit Vorteil ist das zweite Kontaktstück 2 ebenfalls im wesentlichen zylindrisch ausgebildet. Der Durchmesser des jeweiligen Zylinders (des Engnisses oder des zweiten Kontaktstücks) muss nicht völlig konstant sein und kann leicht variieren. Abweichungen von einem kreisförmigen Querschnitt zu beispielsweise elliptischen Querschnitten sind möglich.
Das Engnis 6 (oder auch das zweite Kontaktstück 2) kann eine andere, vorteilhaft im wesentlichen prismatische Form aufweisen und wird dennoch als „im wesentlichen zylindrisch" bezeichnet. Für den Durchmesser D ist dann eine entsprechende radiale Abmessung des Engnisses zu nehmen. Insbesondere kann mit guter Genauigkeit der Durchmesser eines solchen Kreises genommen werden, der denselben Flächeninhalt hat wie das Engnis 6 nahe dem zweiten Kontaktstück 2. Auch muss der Durchmesser des Zylinders beziehungsweise die radiale Abmessung des Prismas nicht genau konstant sein. Die für die Bestimmung von d relevante Grosse ist die radiale Abmessung an dem dem zweiten Kontaktstück 2 zugewandten Ende des Zylinders oder Prismas. Auch derartige Engnis-Formen sind in dem Begriff „im wesentlichen zylindrisch" umfasst. Der Hochleistungsschalter ist im wesentlichen rotationssymmetrisch ausgebildet mit einer Symmetrieachse A. Dadurch sind parallel zur Achse A verlaufende axiale Richtungen zi und z2, entlang der sich die Lichtbogenkontaktstücke bewegen, sowie dazu senkrechte radiale Richtungen definiert.
Löschgasströme sind durch gepunktete Linien mit strömungsrichtungsanzeigenden Pfeilen dargestellt. Mit sl bis s5 sind verschiedene Teilströmungen der Löschgasströmung bezeichnet, sl bezeichnet eine Teilströmung von dem Heizraum in die Schaltstrecke, sl teilt sich in s2 und s3. s2 verläuft in Richtung des ersten Kontaktstücks 1 und somit in Richtung zl . s3 verläuft innerhalb des Engnisses 6 in Richtung des zweiten Kontaktstücks 2 und somit in Richtung z2. Da der Bereich 21 einen gegenüber dem Engnis 6 grosseren Durchmesser aufweist und das stiftförmige Kontaktstück 2 entlang der Achse A angeordnet ist, hat die Strömung s4 eine deutliche radial "nach aussen gerichtete Komponente. Die Teilströmung seitlich des zweiten Kontaktstücks 2 ist mit s5 bezeichnet. Aufgrund der in Fig. 1 dargestellten Wahl des Abstandes d liegt im Bereich der Teilströmung s5 der mit 20 bezeichneten Bereich minimaler Löschgasdichte, minimalen Löschgasdrucks oder maximaler Strömungsgeschwindigkeit. In den Bereichen von s3 (innerhalb des Engnisses 6) und s4 (zwischen Engnis 6 und zweitem Kontaktstück 2) sind die Löschgasdichten nicht kleiner (und vorteilhaft grösser) und die Strömungsgeschwindigkeiten nicht grösser (und vorteilhaft geringer) als (radial) seitlich von dem zweiten Kontaktstück 2 (im Bereich von s5). Vorteilhaft ist im Bereich von s2 auch die Löschgasdichte grösser beziehungsweise die Strömungsgeschwindigkeit geringer als die im Bereich 20. FaIIs das zweite Kontaktstück 2 als ein Hohlstift oder eine Kontakttulpe ausgebildet ist, gibt es noch eine weitere Teilströmung, die innerhalb des zweiten Kontaktstücks 2 entlang z2 verläuft.
In Fig. 1 ist der Hochleistungsschalter in geöffnetem Zustand dargestellt: Es besteht kein physischer Kontakt zwischen den beiden Kontaktstücken 1 ,2. Genauer ist der Hochleistungsschalter während einer als Löschphase bezeichneten Zeitraumes dargestellt. Die Löschphase ist dadurch definiert, dass sie nach der Kontakttrennung liegt, und dass eine Löschgasströmung s3 durch das Engnis in Richtung des zweiten Lichtbogenkontaktstücks 2 stattfindet. Während das Engnis 6 mit dem als Verdämm-Kontaktstück bezeichnbaren zweiten Kontaktstücks 2 zumindest teilweise vedämmt ist, kann keine (nennenswerte) Löschgasströmung durch das Engnis 6 stattfinden. Erfindungsgemäss ist der Bereich 20 mit minimaler Löschgasdichte, minimalem Löschgasdruck oder maximaler Strömungsgeschwindigkeit in Richtung z2 seitlich neben dem zweiten Kontaktstück 2 angeordnet.
Ein nach der Kontakttrennung zwischen den beiden Kontaktstücken 1 ,2 brennender Lichtbogen ist in Fig. 1 nicht dargestellt.
Fig. 2 zeigt schematisch im Schnitt ein Detail eines erfindungsgemässen Hochleistungsschalters mit zwei bewegbaren Lichtbogenkontaktstücken 1 , 2 in geöffnetem (untere Bildhälfte) und im geschlossenen Zustand (obere Bildhälfte). Im rechten Bildteil ist schematisch ein Getriebe 3 in Aufsicht dargestellt. Das erste Lichtbogenkontaktstück 1 ist mittels eines nicht- dargestellen Antriebs antreibbar. Ein geeigneter Antrieb kann beispielsweise ein elektrodynamischer Antrieb oder ein Federspeicherantrieb sein. Das zweite Lichtbogenkontaktstück 2 wird durch einen zweiten Antrieb 3 angetrieben, welcher durch das durch den Antrieb angetriebene Getriebe 3 realisiert ist. Im geschlossenen Schalterzustand berühren die beiden Lichtbogenkontaktstücke 1 ,2 einander. Es können zusätzlich noch nicht- dargestellte Nennstrom-Kontaktstücke vorgesehen sein.
Das erste Kontaktstück 1 ist mit einer Isolierdüse 5 und einer Hilfsdüse 13 starr verbunden. Die Isolierdüse 5 weist ein Engnis 6 auf, das im wesentlichen zylindrisch ausgebildet ist mit einem Durchmesser D. Durch einen Ringkanal 7 ist das Engnis mit einem Heizraum 1 1 verbunden. Mit dem Heizraum durch ein Ventil 12 verbunden ist ein Kompressionsraum 10. Das Volumen des Heizraumes ist mittels eines Kolbens 1 5, der vorteilhaft feststehend ausgebildet ist, veränderbar."
Während eines Ausschaltvorganges zum Unterbrechen eines durch den Hochleistungsschalter fliessenden Stromes bewegt sich zunächst das erste Lichtbogenkontaktstück 1 sowie die Isolierdüse 5, die Hilfsdüse 1 3 und das Ventil 12 in Richtung zl . Mit einer optionalen Verzögerung bewegt sich das zweite Kontaktstück 2 in Richtung z2. Die durch den Antrieb direkt zu bewegende Masse ist gross gegenüber der durch das Getriebe 3 zu bewegenden Masse. Bis kurz vor Erreichen der maximalen Geschwindigkeit vi kann darum mit der Beschleunigung des zweiten Kontaktstücks 2 gewartet werden. Das erste Kontaktstück 1 verbleibt nach Erreichen seiner maximalen Geschwindigkeit bis zu einem Abbrems-Vorgang am Ende des Ausschaltvorganges im wesentlichen auf dieser Geschwindigkeit.
Durch den feststehenden Kolben 15 wird das Volumen des Kompressionsraum reduziert, und das Ventil 12 lässt Löschgas in den Heizraum 10 fliessen. Dann findet während einer Phase hoher oder maximaler Relativgeschwindigkeit vi 2 die Kontakttrennung unter Zündung eines Lichtbogens 4 statt. Es ist möglich, dass die Kontakttrennung kurz (einige Millisekunden) vor oder nach dem Erreichen der maximalen Relativgeschwindigkeiten stattfindet.
Der Lichtbogen 4 führt zur Erhitzung von zunächst auf Raumtemperatur (300 K) befindlichem Löschgas und löst im Engnis 6 Abbrandmaterial aus der Isolierdüse 5 heraus. Unmittelbar am Lichtbogen werden Löschgastemperaturen bis zu der Grössenordnung von etwa 30000 K erreicht. Vermittelst des Ringkanals 7 wird auf diese Weise ein Überdruck im Heizraum 1 1 erzeugt, welcher typischerweise zwischen 10 bar und 60 bar liegt. Die Löschgastemperatur im Heizraum 1 1 hat zunächst typischerweise die Grössenordnung von 2000 K (im Tl OOa-FaIIe). Ab einer durch das Ventil 12 vorgebbaren Druckdifferenz zwischen dem Heizraum 1 1 und dem Kompressionsraum 10, beispielsweise wenn im Heizraum 1 1 ein grosserer Druck herrscht als im Kompressionsraum 10, schliesst das Ventil 12. Das später aus dem Heizraum 1 1 und gegebenenfalls auch aus dem Kompressionsraum 10 durch den Heizraum 1 1 dann durch den Kanal 7 in die zwischen den beiden Kontaktstücken 1 ,2 angeordnete Schaltstrecke fliessende Löschgas hat eine Temperatur von typischerweise immer noch 1000 K bis 2000 K und dient dann der Löschung des Lichtbogens 4.
Nachdem das dem ersten Lichtbogenkontaktstück 1 zugewandte Ende des zweiten Lichtbogenkontaktstücks 2 den grössten Teil der Länge des Engnisses 6 mit maximaler Geschwindigkeit v2 durchfahren hat, verringert sich v2 wieder. Das zweite Kontaktstück 2 kommt zum Stillstand und bewegt sich, nachdem es das Engnis 6 freigegeben hat, in Richtung zl und somit parallel zu (gleichgerichtet mit) dem ersten Kontaktstück 1 . Nach dieser Bewegungsrichtungsumkehr erreicht das zweite Kontaktstück 2 bald die gleiche Geschwindigkeit wie das erste Kontaktstück 1 . Sobald das Engnis 6 vom zweiten Kontaktstück 2 nicht mehr zumindest teilweise verdämmt ist, kann Löschgas durch den Kanal 7 nicht nur durch das tulpenförmige erste Kontaktstück 1 (in Richtung zl ), sondern auch durch das Engnis 6 und am stiftförmigen zweiten Kontaktstück 2 vorbei (in Richtung z2) abströmen.
Fig. 1 kann aufgefasst werden als eine Darstellung der Strömungsverhältnisse in einem Hochleistungsschalter gemäss Fig. 2 zu diesem Zeitpunkt.
Durch das Ceschwindigkeitsverhältnis vi /v2 von im wesentlichen 1 :1 bei gleichsinniger Bewegungsrichtung von zweitem Kontaktstück und Isolierdüse kann der Abstand d zwischen dem zweiten, stiftartig ausgebildeten Kontaktstück 2 und dem Engnis 6 im wesentlichen konstant gehalten werden. Dieser Abstand d ist derart gewählt, dass bei einer Löschgasströmung durch das Engnis 6 zum Verdämm-Kontaktstück 2 (in Richtung z2) die maximale Strömungsgeschwindigkeit seitlich neben dem Verdämm-Kontaktstück 2 liegt, oder zumindest nicht auf der Strecke zwischen den beiden Lichtbogenkontaktstücken 1 und 2 (oder neben dieser Strecke). Dadurch wird eine besonders effiziente Lichtbogenbeblasung erreicht, und ein Rückzünden des Lichtbogens wird effektiv unterbunden. Der Abstand d wird als d « (0.7+0.2)xD gewählt, wobei D der Durchmesser des Engnisses 6 (an seinem z2-seitigen Ende) ist.
Wenn durch das Getriebe 3 ein Geschwindigkeitsverhältnis vi /v2 von 1 :1 vorgegeben ist, kann der Abstand d und damit auch die entsprechenden Strömungsverhältnisse auch dann eingehalten werden, wenn der Schalter in die Dämpfung geht, also die Kontaktstücke 1 ,2 durch einen Dämpfungsmechanismus abgebremst werden. Gegen Ende eines Ausschaltvorganges kommt es oft auch zu einem durch die Druckverhältnisse in dem Heizraum 1 1 und/oder dem Kompressionsraum 10 hervorgerufenen Rücklauf (Bewegungsrichtungsumkehr) des ersten Kontaktstücks 1 . Auch durch einen derartigen Rücklauf kann bei der Wahl eines Geschwindigkeitsverhältnisses vl /v2 von 1 :1 der Abstand d nicht verändert werden. Insofern können optimale Strömungsverhältnisse bis ans Ende der Ausschaltbewegung beibehalten und dadurch eine sichere Lichtbogenlöschung ohne Rückzünden sichergestellt werden. Durch das Geschwindigkeitsverhältnis vi /v2 von 1 :1 ist auch der Abstand zwischen den beiden Kontaktstücken 1 und 2 konstant, so dass die elektrische Feldverteilung konstanthaltbar ist.
Durch ein Geschwindigkeitsverhältnis vi /v2 nach der Bewegungsrichtungsumkehr ist es möglich, die Belastung einer die Bewegung der Kontaktstücke abbremsenden Dämpfungseinrichtung zu verringern oder eine weniger aufwendige Dämpfungseinrichtung einzusetzen, da ein längerer Dämpfungshub (längere Strecke, während der die Bewegungen abgebremst werden) vorgesehen werden kann. Denn nach einem frühen Erreichen eines ausreichenden (typischerweise nahezu maximalen) Abstandes zwischen den Lichtbogenkontaktstücken kann das Abbremsen der Kontaktstücke bereits beginnen, da der Kontaktstück- Abstand durch die 1 :1 -Übersetzung konstantgehalten wird. Für ein Geschwindigkeitsverhältnis vi /v2, das nahe bei eins liegt, gilt im Prinzip das gleiche, wobei jedoch kleine Veränderungen des Kontaktstück-Abstandes vorkommen.
Durch eine Reduktion der Geschwindigkeit v2 des zweiten Kontaktstücks 2 am Ende der Ausschaltbewegung kann die Belastung der Dämpfungseinrichtung verringert werden, da eine geringere Bewegungsenergie absorbiert werden muss. Man kann auch die Hilfsdüse 13 als eine Isolierdüse mit einem Engnis auffassen (wenn die Hilfsdüse 13 entsprechend ausgebildet ist), wobei dann der Abstand zwischen dem ersten Kontaktstück 1 und diesem Hilfsdüsen- Engnis erfindungsgemäss derart gewählt werden kann, dass die Löschgasdichte der in Richtung zl verlaufenden Löschgasströmung in einem Bereich minimal ist oder die Strömungsgeschwindigkeit der in Richtung zl verlaufenden Löschgasströmung in einem Bereich maximal ist, der bezüglich der Achse A neben dem ersten Lichtbogenkontaktstück 1 oder innerhalb des ersten Lichtbogenkontaktstücks 1 angeordnet ist.
Wie dem rechten Teil vom Fig. 2 zu entnehmen ist (in Aufsicht), ist ein Hebel 8 an einem ersten Ende mittels eines Bolzens 16 an dem zweiten Kontaktstück 2 drehbar gelagert. An dem zweiten Ende des Hebels 8 ist der Hebel 8 mittels eines Bolzens 17 an einem Schenkel eines Winkelhebels 9 drehbar gelagert. Der zweite Schenkel des Winkelhebels 9 ist mittels eines Bolzens 18 in einer Kulissenscheibe 14 geführt. Der Winkelhebel 9 ist mittels eines ortsfesten, beispielsweise am Gehäuse des Hochleistungsschalters befestigten Bolzens 19 drehbar gelagert. Wie mittels einer Wirklinie W symbolisiert, ist die Bewegung der Kulissenscheibe 14 (vorzugsweise starr) an die Bewegung des ersten Kontaktstücks 1 gekoppelt.
Durch die mit dem Antrieb verbundene Kulissenscheibe 14 wird also über einen Hebelmechanismus die Bewegung des zweiten Kontaktstücks 2 gesteuert. Das Getriebe 3 kann eine lineare Bewegung (des Antriebes) mit konstanter Geschwindigkeit umsetzen in eine Bewegung mit Bewegungsrichtungsumkehr. Durch geeignete Wahl der Hebellängen und -Winkel ist ein gewünschtes Geschwindigkeitsprofil für das zweite Kontaktstück 2 wählbar. Das Getriebe 3 kann, wie in Fig. 1 dargestellt, symmetrisch aufgebaut sein, was zu einer günstigeren Kräfteverteilung und grosserer Stabilität führt.
Die Geschwindigkeit vi der Isolierdüse 5 und des ersten Kontaktstücks 1 kann nach der anfänglichen Bescheunigung typischerweise zwischen 3 m/s und 10 m/s betragen, beispielsweise 5 m/s. Die Geschwindigkeit v2 des zweiten Kontaktstücks 1 kann im Maximum typischerweise 12 m/s bis 20 m/s betragen, beispielsweise 1 5 m/s. Das maximale Geschwindigkeitsverhältnis vi /v2 (bei entgegengesetzter Bewegung) kann zwischen 1 :2.4 und 1 : 3.5 betragen, beispielsweise 1 :3. Dadurch können entsprechend grosse Relativgeschwindigkeiten vi 2 von typischerweise 13 m/s, 1 5 m/s, 1 7 m/s, 19 m/s und mehr erreicht werden, die eine rasche Freigabe des Engnisses 6 und eine effiziente Lichtbogenbeblasung durch Bereitstellung eines grossen Löschgasdruckes innerhalb kurzer Zeit ermöglichen. Wenn das Engnis eine grosse Länge (axiale Erstreckung) aufweist, kann auf diese Weise eine sehr grosse Oberfläche der Isolierdüse dem Lichtbogen ausgesetzt werden, wodurch grosse Mengen Materials aus der Isolierdüse verdampft werden können, so dass eine effiziente Lichtbogenbeblasung erreicht wird. Insbesondere können Engnis-Längen von mehr als 40 mm, vorteilhaft mehr als 50 mm und mehr als 60 mm eingesetzt werden. Auch kann ein grosser Abstand zwischen den Kontaktstücken 1 und 2 (Isolierstrecke) innerhalb sehr kurzer Zeit erreicht werden.
Ein entsprechender Hochleistungsschalter kann für Nennkurschlussströme von über über 40 kA oder über 50 kA bei Nennspannungen von über 1 70 kV oder über 200 kV ausgelegt sein.
Fig. 3 zeigt eine graphische Veranschaulichung der Gleichung d = D x ( (1 +b ' - cosoO'/2 - 1 ) / (2 • sinot • cosα) , wobei d / D gegen den Öffnungswinkel α (alpha) aufgetragen ist. Für Parameter b ' = l , b ' = 2, b ' = 3, b ' = 4 und b ' = 5 sind die entsprechenden Kurven aufgetragen. Der Graphik können geeignete (strömungsoptimierende) Verhältnisse d / D für ungefähr zylindrische Engnisse mit Durchmesser D (vergleiche auch Fig. 1) entnommen werden. Diese liegen im Bereich von etwa b = 1 .4 bis b = 4.5, wobei b ' = b - F' /F gilt und F' der Flächeninhalt der zu der Achse senkrechten Querschnittsfläche einer gegebenenfalls in dem zweiten Kontaktstück 2 vorgesehenen Öffnung zum Abströmen von Löschgas ist. F ist der Flächeninhalt der zu der Achse senkrechten Querschnittsfläche des Engnisses 6 nahe dem während der Löschphase dem zweiten Lichtbogenkontaktstück 2 zugewandten Ende des Engnisses 6 (vergleiche Figs. 1 und 2). Für ein zweites Kontaktstück 2 ohne eine Abströmöffnung, wie in den Figs. 1 und 2 dargestellt, ist F ' = 0 und b' = b. Der Graphik ist auch der Wert von d/D « 0.7 für oc « 45° entnehmbar, der in der Fig. 1 dargestellt ist.
Die maximale Relativgeschwindigkeit Vi2,max der Kontaktstücke 1 ,2 kann bei einem solchen Schalter vorteilhaft um mindestens 40 %, insbesondere mindestens 60 % und sogar um mindestens 80 % grösser gewählt werden, als dies zum kapazitiven Schalten notwendig wäre. Vorteilhaft ist die Schaltkammer derart ausgelegt, dass, wenn sie in einem einkammerigen Hochleistungsschalter eingebaut ist, für die maximale Relativgeschwindigkeit Vi2,max der beiden Lichtbogenkontaktstücke (1 ,2) zueinander während eines Ausschaltvorgangs gilt: Vi2,max > k ' x UN - p * f / (Ekrir po) , wobei UN die Nennspannung des Hochleistungsschalters in kV, p der Polfaktor des Hochleistungsschalters (dimensionslos), Ekrit die Einsatzfeldstärke für Entladungen des Löschgases in kV/(bar m), und po der Fülldruck des Löschgases in bar ist (typischerweise 4 bar oder 6 bar, im allgemeinen stets zwischen 1 bar und 10 bar), und f die Hochspannungsnetzfrequenz in Hz ist, für die der Hochleistungsschalter ausgelegt ist. vu.max ergibt sich in m/s. Der Faktor k' beträgt 23, vorteilhaft 27 oder bevorzugt 31. Im Falle eines Hochleistungsschalters mit mehr als einer Schaltkammer muss noch ein weiterer Faktor hinzumultipliziert werden, der die Versteuerung des Hochleistungsschalters berücksichtigt.
Dadurch wird es möglich, innerhalb sehr kurzer Zeit eine sehr grosse Lichtbogenstrecke zu erzeugen. Eine grosse Oberfläche, insbesondere die gesamte Engnis-Innenfläche, kann während einer relativ langen Zeitdauer zur Erzeugung (Verdampfung) von lichtbogenlöschendem Material genutzt werden. Dadurch wird eine grosse Menge lichtbogenlöschenden Materials erzeugt, so dass eine effiziente Lichtbogenbeblasung erreicht wird. Aufgrund der sehr schnellen Relativbewegung kann diese grosse Menge lichtbogenlöschenden Materials bereits innerhalb einer sehr kurzen Zeit erzeugt werden, so dass ein sehr grosser Löschgasdruck erzeugbar ist, und die Druckerzeugung kann sehr rasch nach der Kontakttrennung stattfinden. Dadurch kann eine sehr starke Lichtbogenbeblasung und somit ein sehr sicheres Schalten, auch grosser Kurzschlussströme, erreicht werden.
Figs. 4 bis 8 zeigen graphische Darstellungen von Simulationsrechnungen für Löschgasströmungen bei verschiedenen Abständen d. Den Simulationsrechnungen unterliegt die Theorie der vollkompressiblen Gasströmung. Es sind Isobaren, also Linien gleichen Drucks, dargestellt. Es ist nur ein Schnitt durch die obere Hälfte des rotationssymmetrischen Problems (Rotationsachse A) dargestellt. Gemeinsame Parameter für alle Simulationen sind: Das Löschgas ist SFδ, bei Raumtemperatur (300 K); der Fülldruck (statischer Druck) beträgt po = 6 bar; der Druck am Anfang des Engnisses (etwa dem Druck PH im Heizraum entsprechend) beträgt 20 bar. Somit beträgt das Druckverhältnis PO/PH = 6/20 = 0.3. Dies ist deutlich weniger als das Laval-Druckverhältnis für SFε, welches etwa 0.59 beträgt. Somit liegt, zumindest lokal, eine Überschallströmung vor. Der Parameter, in dem sich die Simulationen von Figs. 4 bis 8 unterscheiden, ist der Abstand d.
In allen Figs. 4-8 sind die Stosswellen („shock bottles") zu sehen, besonders deutlich sind sie in Figs. 6-8.
Das zweite Kontaktstück 2 ist in den Figs. 4-8 unten links angeordnet; es ist vollstift-artig ausgebildet mit abgerundetem Ende. Das Engnis 6 ist unten rechts angeordnet. Die durch einen offenen Pfeil symbolisierte Löschgasströmung s3 strömt durch das längliche Engnis 6. Die gerechnete Düsengeometrie in dem erweiterten Bereich 21 ist nicht ganz realistisch, da sie einen Öffnungswinkel von 90° auf weist. Typischerweise würde der Öffnungswinkel oc zwischen 30° und 60° liegen. D ist der Engnis- Durchmesser, welcher als 20 mm gewählt wurde. Der Abstand d zwischen dem zweiten Kontaktstück und dem während der Löschphase dem zweiten Kontaktstück zugewandten Ende des Engnisses 6.
Mit pi, pl , Ml sind die minimale Löschgasdichte, der minimale Löschgasdruck beziehungsweise die maximale Strömungsgeschwindigkeit zwischen dem zweiten Kontaktstück und dem Engnis oder in dem Engnis bezeichnet. Mit p2, p2, M2 sind die minimale Löschgasdichte, der minimale Löschgasdruck beziehungsweise die maximale Strömungsgeschwindigkeit neben dem zweiten Kontaktstück bezeichnet. Als Abgrenzung zwischen dem Bereich „neben dem zweiten Kontaktstück" und dem Bereich „zwischen dem zweiten Kontaktstück und dem Engnis oder in dem Engnis" kann die in den Figs. 4-8 zur Anzeige des Abstandes d eingezeichnete gestrichelte Linie angesehen werden.
Fig. 4 zeigt den Fall d = 0.2xD. In diesem Fall gibt es einen Bereich 20 seitlich des zweiten Kontaktstückes, in welchem der Druck p2 (p2 = 1 bar) deutlich kleiner ist als der minimale Druck pl in der Schaltstrecke (pl = 19 bar). Die entsprechenden lokalen Strömungsgeschwindigkeiten betragen M2 = 2.3 Mach und Ml = 0.9 Mach. Die maximale Strömungs¬ geschwindigkeit M2 neben dem Kontaktstück ist somit deutlich grösser als die maximale Strömungsgeschwindigkeit Ml vor dem Kontaktstück.
Also ist d ausreichend klein, um eine erfindungsgemäss gute Durchschlagsfestigkeit zu erzielen. Aber da d nur 0.2xD beträgt, ist die der Löschgasströmung zur Verfügung stehende Querschnittsfläche im erweiterten Bereich nur ähnlich gross wie die im Engnis vorliegende Querschnittsfläche (F = πD2/4). Vergleiche dazu Fig. 3, Kurve für b' = 1 bei α K 90°: Demgemäss würden gleichgrosse Flächeninhalte bei d « 0.25 vorliegen, dies aber nur für ein nicht-abgerundetes zylinderförmiges Kontakstück.
Zum Erreichen einer stärkeren Beblasung wäre somit ein grosserer Abstand d wünschenswert.
Fig. 5 zeigt den Fall d = 0.6xD. Auch in diesem Fall gibt es einen Bereich 20 seitlich des zweiten Kontaktstückes, in welchem der Druck p2 (p2 = 1 .3 bar) deutlich kleiner ist als der minimale Druck pl in der Schaltstrecke (pl « 4.2 bar; auf der Achse A ist pl = 8.8 bar). Die entsprechenden lokalen Strömungsgeschwindigkeiten betragen M2 = 2.2 Mach und Ml = 1.5 Mach (auf der Achse A). Die maximale Strömungsgeschwindigkeit M2 neben dem Kontaktstück ist somit deutlich grosser als die maximale Strömungs¬ geschwindigkeit Ml vor dem Kontaktstück.
Also ist d ausreichend klein, um eine erfindungsgemäss gute Durchschlagsfestigkeit zu erzielen. Da ausserdem d = 0.6xD beträgt, ist bei der vorhandenen Düsengeometrie die der Löschgasströmung zur Verfügung stehende Querschnittsfläche im erweiterten Bereich deutlich grösser als die im Engnis vorliegende Querschnittsfläche, so dass eine intensive Löschbogenbeblasung sichergestellt ist.
Fig. 6 zeigt den Fall d = 0.9xD. Auch in diesem Fall gibt es einen Bereich 20 seitlich des zweiten Kontaktstückes, in welchem der Druck p2 (p2 = 2.1 bar) deutlich kleiner ist als der minimale Druck pi in der Schaltstrecke (pl w 3.3 bar; auf der Achse A ist pl = 4.3 bar). Die entsprechenden lokalen Strömungsgeschwindigkeiten betragen M2 = 1 .9 Mach « 245 m/s und Ml = 1 .9 Mach « 240 m/s (auf der Achse A). Die Temperatur im Bereich 20, also bei p2 und M2, ist grösser als die Temperatur in der Region mit pl , Ml ; und die lokalen Schallgeschwindigkeiten, angegeben in der Einheit Mach sind temperaturabhängig. Die maximale Strömungsgeschwindigkeit M2 neben dem Kontaktstück ist somit noch etwas grösser als die maximale Strömungsgeschwindigkeit Ml vor dem Kontaktstück.
Also ist d ausreichend klein, um eine erfindungsgemäss gute Durchschlagsfestigkeit zu erzielen. Da ausserdem d = 0.9xD beträgt, ist die der Löschgasströmung zur Verfügung stehende Querschnittsfläche im erweiterten Bereich deutlich grösser als die im Engnis vorliegende Querschnittsfläche, so dass eine intensive Löschbogenbeblasung sichergestellt ist.
Fig. 7 zeigt den Fall d = 1.5xD. In diesem Fall gibt es keinen Bereich seitlich des zweiten Kontaktstückes mehr, in welchem der Druck p2 (p2 = 2.0 bar) kleiner wäre als der minimale Druck pl in der Schaltstrecke (pl = 1.9 bar). Die entsprechenden lokalen Strömungsgeschwindigkeiten betragen M2 = 1 .9 Mach und Ml = 2.2 Mach. Die maximale Strömungsgeschwindigkeit M2 neben dem Kontaktstück ist somit kleiner als die maximale Strömungs¬ geschwindigkeit Ml vor dem Kontaktstück. Zwar ist mit d = 1.5xD die der Löschgasströmung zur Verfügung stehende Querschnittsfläche im erweiterten Bereich deutlich grösser als die im Engnis vorliegende Querschnittsfläche, so dass eine intensive Löschbogenbeblasung sichergestellt ist. Aber der Abstand d ist zu gross, um die erfindungsgemässe gute Durchschlagsfestigkeit zu erzielen.
Fig. 8 zeigt den Fall d = 2.OxD. In diesem Fall gibt es auch keinen Bereich seitlich des zweiten Kontaktstückes mehr, in welchem der Druck p2 (p2 = 2.1 bar) kleiner wäre als der minimale Druck pl in der Schaltstrecke (pl = 1.6 bar). Die entsprechenden lokalen Strömungsgeschwindigkeiten betragen M2 = 1 .8 Mach und Ml = 2.4 Mach. Die maximale Strömungs¬ geschwindigkeit M2 neben dem Kontaktstück ist somit kleiner als die maximale Strömungsgeschwindigkeit Ml vor dem Kontaktstück.
Zwar ist mit d = 2.OxD die der Löschgasströmung zur Verfügung stehende Querschnittsfläche im erweiterten Bereich deutlich grösser als die im Engnis vorliegende Querschnittsfläche, so dass eine intensive Löschbogenbeblasung sichergestellt ist. Aber der Abstand d ist zu gross, um die erfindungsgemässe gute Durchschlagsfestigkeit zu erzielen.
Zusammengefasst zeigen also die Figs. 4-6 (d = 0.2xD, d = 0.6xD, d = 0.9xD) Fälle, in denen der Abstand d kleiner ist als die obere Grenze eines Abstandsintervalls, wobei diese obere Grenze dadurch gegeben ist, dass das Minimum pl des im Engnis 6 oder zwischen dem Engnis 6 und dem zweiten Kontaktstück 2 auftretenden Löschgasdrucks grösser ist als das
Minimum p2 des im oder neben dem zweiten Kontaktstück 2 auftretenden
Löschgasdrucks.
In einer Formulierung mit den entsprechenden Löschgasdichten: Die Figs. 4-6 (d = 0.2xD, d = 0.6xD, d = 0.9xD) zeigen Fälle, in denen der Abstand d kleiner ist als die obere Grenze eines Abstandsintervalls, wobei diese obere Grenze dadurch gegeben ist, dass das Minimum pi der im Engnis 6 oder zwischen dem Engnis 6 und dem zweiten Kontaktstück 2 auftretenden Löschgasdichte grösser ist als das Minimum p2 der im oder neben dem zweiten Kontaktstück 2 auftretenden Löschgasdichte.
In einer Formulierung mit den entsprechenden Löschgasströmungsgeschwindigkeiten:
Die Figs. 4-6 (d = 0.2xD, d = 0.6xD, d = 0.9xD) zeigen Fälle, in denen der Abstand d kleiner ist als die obere Grenze eines Abstandsintervalls, wobei diese obere Grenze dadurch gegeben ist, dass das Maximum MI der im Engnis 6 oder zwischen dem Engnis 6 und dem zweiten Kontaktstück 2 auftretenden Strömungsgeschwindigkeit des Löschgases kleiner ist als das Maximum M2 der im oder neben dem zweiten Kontaktstück 2 auftretenden Strömungsgeschwindigkeit des Löschgases.
Andererseits zeigen die Figs. 5-8 (d = 0.6xD, d = 0.9xD, d = 1 .5xD, d = 2.OxD) Fälle, in denen der Abstand d grösser ist als die untere Grenze eines Abstandsintervalls, wobei diese untere Grenze dadurch gegeben ist, dass die der Löschgasströmung in dem erweiterten Bereich 21 zum Durchströmen zur Verfügung stehende Querschnittsfläche mindestens einen so grossen Flächeninhalt hat wie die Querschnittsfläche des Engnisses (nahe dem erweiterten Bereich).
Somit ist der Abstand d in den Fällen d - 0.6xD (Fig. 5) und d = 0.9xD (Fig. 6) erfindungsgemäss gewählt und hat die erfindungsgemässen Vorteile, sofern der Abstand d während eines geeigneten Zeitfensters innerhalb des Abstandsintervalles verbleibt. Der Fall d = 0.2xD (Fig. 4) hingegen erlaubt kein ausreichend starkes Abströmen des Löschgases und zeigt somit eine Position des zweiten Kontaktstückes, die während eines für das Rückzünden kritischen Zeitfensters gemäss der Erfindung nicht eingenommen wird. In den Fällen d = 1.5xD (Fig. 7) und d = 2.OxD (Fig. 8) wiederum ist die Dichte und der Löschgasdruck auf der Schaltstrecke geringer als neben dem Kontaktstück, so dass auch diese Positionen während eines für das Rückzünden kritischen Zeitfensters gemäss der Erfindung nicht eingenommen werden, da sonst die Gefahr einer Rückzündung besteht.
Im Falle von für die Erfindung geeigneten Abständen d ist der Bereich 20, in welchem die minimale lokale Löschgasdichte (oder der minimale lokale Löschgasdruck, oder die maximale Strömungsgeschwindigkeit des Löschgases), die (oder der) im Engnis 6 oder im erweiterten Bereich 21 vorkommt, neben dem zweiten Kontaktstück angeordnet.
Bezugszeichenliste
1 Kontaktstück, erstes Lichtbogenkontaktstück
2 Kontaktstück, zweites Lichtbogenkontaktstück, Verdämm- Kontaktstück
3 zweiter Antrieb, Getriebe
4 Lichtbogen
5 Düse, Isolierdüse
6 Engnis
7 Kanal, Ringkanal
8 Hebel
9 Winkelhebel
1 0 Kompressionsraum
1 1 Heizraum
1 2 Ventil
1 3 Hilfsdüse
14 Kulisse, Kulissenscheibe
1 5 Kolben
16,1 7,18 Bolzen, drehbare Lagerung
1 9 fixierter Bolzen, drehbare Lagerung
20 Bereich, Bereich minimalen Löschgasdruckes, Bereich minimaler Löschgasdichte, Bereich maximaler Strömungsgeschwindigkeit
21 Bereich , erweiterter Bereich, im Radius erweiterter Bereich
A Achse, Symmetrieachse b,b ' Parameter d Abstand
D Durchmesser, radiale Abmessung
F Fläche, Flächeninhalt Ml Strömungsgeschwindigkeit
M2 Strömungsgeschwindigkeit p Druck
Po Fülldruck, statischer Druck, Hintergrundsdruck pl Druck, Minimum des im Engnis oder zwischen dem Engnis und dem zweiten Kontaktstück auftretenden Löschgasdruckes; minimaler im Engnis oder zwischen dem Engnis und dem zweiten
Kontaktstück vorliegender Löschgasdruck p2 Druck, Minimum des im oder neben dem zweiten Kontaktstück auftretenden Löschgasdruckes; minimaler in oder neben dem zweiten Kontaktstück vorliegender Löschgasdruck PH Füllgasdruck im Heizraum sl ,s2,s3,s4,s5 Löschgas-Teilströmung vi Geschwindigkeit der Isolierdüse v2 Geschwindigkeit des zweiten Kontaktstücks vi 2 Relativgeschwindigkeit
W Wirklinie zl Richtung z2 Richtung
a Öffnungswinkel
(x ' Winkel
Pi Dichte, Minimum der im Engnis oder zwischen dem Engnis und dem zweiten Kontaktstück auftretenden Löschgasdichte; minimale im Engnis oder zwischen dem Engnis und dem zweiten
Kontaktstück vorliegende Löschgasdichte P2 Dichte, Minimum der im oder neben dem zweiten Kontaktstück auftretenden Löschgasdichte; minimale in oder neben dem zweiten
Kontaktstück vorliegende Löschgasdichte

Claims

PATENTAN SPRÜCHE
Hochleistungsschalter, befüllbar mit einem Löschgas,
- mit einem ersten Lichtbogenkontaktstück (1 ) und einem zweiten Lichtbogenkontaktstück (2),
- mit einem gegebenenfalls zwischen den Lichtbogenkontaktstücken (1 ,2) brennenden Lichtbogen (4),
- mit einem Heizraum (1 1 ) zur Zwischenspeicherung von durch den Lichtbogen (4) aufgeheiztem Löschgas, und
- mit einer Isolierdüse (5), welche zur Führung einer Löschgasströmung (s3) entlang einer Achse (A) ein mit dem Heizraum (1 1 ) verbundenes Engnis (6) aufweist, an welches sich ein erweiterter Bereich (21 ) anschliesst,
- wobei das Engnis (6) nahe dem erweiterten Bereich (21) eine zu der Achse (A) senkrechte Querschnittsfläche eines Flächeninhalts F aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass
- während eines Ausschaltvorgangs nach einer Kontakttrennung während einer Löschphase, in welcher eine Löschgasströmung (s3) durch das Engnis (6) in Richtung (z2) des zweiten Lichtbogenkontaktstücks (2) möglich ist, zumindest in Schaltfällen, in denen die Löschgasströmung (s3,s4) zumindest lokal mit Schall¬ oder Überschallgeschwindigkeit strömen kann,
- ein parallel zu der Achse (A) gemessener Abstand d zwischen dem Engnis (6) und dem zweiten Lichtbogenkontaktstück (2) mindestens solange innerhalb eines von dem Flächeninhalt F, der geometrischen Ausgestaltung des zweiten Kontaktstücks (2) und der geometrischen Ausgestaltung des erweiterten Bereiches (21 ) abhängigen Abstandsintervalles liegt, wie die Löschgasströmung (s3,s4) zumindest lokal mit Schall- oder Überschallgeschwindigkeit strömen kann,
- wobei das Abstandsintervall dadurch gegeben ist, dass
- einerseits, entsprechend einer unteren Abstandsintervallgrenze, die der Löschgasströmung (s3) in dem erweiterten Bereich (21 ) zum Durchströmen zur Verfügung stehende Querschnittsfläche mindestens den Flächeninhalt F, insbesondere mindestens den Flächeninhalt 1 .5 x F hat, und
- andererseits, entsprechend einer oberen Abstandsintervallgrenze, das Minimum der im Engnis (6) oder zwischen dem Engnis (6) und dem zweiten Kontaktstück (2) auftretenden Löschgasdichte (pi) grösser ist als das Minimum der im oder neben dem zweiten Kontaktstück (2) auftretenden Löschgasdichte (pz).
2. Hochleistungsschalter gemäss Anspruch 1 , wobei der Abstand d erst ab dem Verlöschen des Lichtbogens (4) innerhalb des Abstandsintervalls liegt.
3. Hochleistungsschalter gemäss einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der erweiterte Bereich (21 ) im wesentlichen trichterförmig ausgebildet ist, und insbesondere frei ist von Seitenkanälen.
4. Hochleistungsschalter gemäss einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei durch die Achse (A) eine axiale und eine radiale Koordinate definiert ist, und wobei das Engnis (6) länglich ausgebildet ist, und insbesondere wobei die entlang der axialen Koordinate gemessene Ausdehnung des Engnissse (6) mindestens 1.5 mal so gross ist wie die entlang der radialen Koordinate gemessene Ausdehnung des Engnisses (6).
5. Hochleistungsschalter gemäss einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der Abstand d mindestens solange in dem Abstandsintervall liegt, wie in der Löschgasströmung (s3,s4) überschallbedingte Schockwellen auftreten können.
6. Hochleistungsschalter gemäss einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das Engnis (6) und der erweiterte Bereich (21 ) nahe dem Übergang von dem Engnis (6) zu dem erweiterten Bereich (21 ) eine von der Geometrie einer Laval-Düse abweichende Geometrie aufweisen.
7. Hochleistungsschalter gemäss einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei es während eines Ausschaltvorgangs eine Relativbewegung von zweitem Kontaktstück (2) und Isolierdüse (5), insbesondere eine Relativbewegung von dem zweitem Kontaktstück (2) und dem erweiterten Bereich (21 ) der Isolierdüse (5), gibt, und wobei die Geschwindigkeit
(vi 2) dieser Relativbewegung zumindest zeitweise reduziert wird, während der Abstand d innerhalb des Abstandsintervalls liegt.
8. Hochleistungsschalter gemäss einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der Abstand d nach einem Ausschaltvorgang in einer Endposition innerhalb des Abstandsintervalls liegt.
9. Hochleistungsschalter gemäss einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Engnis (6) durch eines der beiden Lichtbogenkontaktstücke (1 ;2), das als Verdämm-Kontaktstück (2) bezeichnet wird, zumindest teilweise verdämmbar ist, und dass während der Löschphase das Engnis (6) nicht mehr durch das Verdämm- Kontaktstück (2) zumindest teilweise verdämmt ist.
1 0. Hochleistungsschalter gemäss einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand d innerhalb des Abstandsintervalls im wesentlichen konstant gehalten ist.
1.Verfahren zum Ausschalten eines mit einem Löschgas gefüllten
Hochleistungsschalters mit einem ersten Lichtbogenkontaktstück (1 ) und mit einem zweiten Lichtbogenkontaktstück (2) und mit einer ein Engnis (6) aufweisenden Isolierdüse (5), umfassend die folgenden Schritte:
- die beiden Lichtbogenkontaktstücke (1 ,2) werden voneinander getrennt, wodurch ein Lichtbogen (4) zwischen den beiden Lichtbogenkontaktstücken (1 ,2) gezündet wird, durch welchen Löschgas erhitzt wird, welches in einem Heizraum (1 1) zwischengespeichtert wird;
- durch eine Löschgasströmung (s3) wird Löschgas aus dem Heizraum
(1 1 ) durch das Engnis (6) entlang einer Achse (A) und in einen an das Engnis (6) anschliessenden erweiterten Bereich (21 ) geführt, wobei das Engnis (6) nahe dem erweiterten Bereich (21 ) eine zu der Achse (A) senkrechte Querschnittsfläche eines Flächeninhalts F aufweist;
- während dieser Löschgasströmung (s3) wird, zumindest in Schaltfällen, in denen die Löschgasströmung (s3,s4) zumindest lokal mit Schall- oder Überschallgeschwindigkeit strömen kann, ein parallel zu der Achse (A) gemessener Abstand d zwischen dem Engnis (6) und dem zweiten Lichtbogenkontaktstück (2) mindestens solange innerhalb eines Abstandsintervalles gehalten, wie die Löschgasströmung (s3,s4) zumindest lokal mit Schall- oder Überschallgeschwindigkeit strömen kann;
- wobei das Abstandsintervall abhängig ist von dem Flächeninhalt F, der geometrischen Ausgestaltung des zweiten Kontaktstücks (2) und der geometrischen Ausgestaltung des erweiterten Bereiches (21 ), und - wobei das Abstandsintervall dadurch gegeben ist, dass
- einerseits, entsprechend einer unteren Abstandsintervallgrenze, die der Löschgasströmung (s3) in dem erweiterten Bereich (21 ) zum Durchströmen zur Verfügung stehende Querschnittsfläche mindestens den Flächeninhalt F, insbesondere mindestens den Flächeninhalt 1 .5 x F hat, und
- andererseits, entsprechend einer oberen Abstandsintervallgrenze, das Minimum der im Engnis (6) oder zwischen dem Engnis (6) und dem zweiten Kontaktstück (2) auftretenden Löschgasdichte (pO grösser ist als das Minimum der im oder neben dem zweiten Kontaktstück (2) auftretenden Löschgasdichte (pi).
12. Hochleistungsschalter, befüllbar mit einem Löschgas unter einem Fülldruck po,
- mit einem ersten Lichtbogenkontaktstück (1 ) und einem zweiten Lichtbogenkontaktstück (2),
- mit einem gegebenenfalls zwischen den Lichtbogenkontaktstücken (1 ,2) brennenden Lichtbogen (4),
- mit einem Heizraum (1 1 ) zur Zwischenspeicherung von durch den Lichtbogen (4) aufgeheiztem Löschgas, und
- mit einer Isolierdüse (5), welche zur Führung einer Löschgasströmung (s3) entlang einer Achse (A) ein mit dem Heizraum (1 1 ) verbundenes Engnis (6) aufweist, an welches sich ein erweiterter Bereich (21 ) anschliesst,
- wobei das Engnis (6) nahe dem erweiterten Bereich (21) eine zu der Achse (A) senkrechte Querschnittsfläche eines Flächeninhalts F aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass
- während eines Ausschaltvorgangs nach einer Kontakttrennung während einer Löschphase, in welcher eine Löschgasströmung (s3) durch das Engnis (6) in Richtung (z2) des zweiten Lichtbogenkontaktstücks (2) möglich ist, zumindest in Schaltfällen, in denen ein in dem Heizraum (1 1 ) herrschender Druck PH mindestens so gross sein kann, dass das Verhältnis PO/PH kleiner oder gleich dem Laval-Druckverhältnis für das Füllgas ist,
- ein parallel zu der Achse (A) gemessener Abstand d zwischen dem Engnis (6) und dem zweiten Lichtbogenkontaktstück (2) mindestens solange innerhalb eines von dem Flächeninhalt F, der geometrischen Ausgestaltung des zweiten Kontaktstücks (2) und der geometrischen Ausgestaltung des erweiterten Bereiches (21 ) abhängigen Abstandsintervalles liegt, wie der in dem Heizraum
(1 1) herrschende Druck PH mindestens so gross ist, dass das Verhältnis PO/PH kleiner oder gleich einem Viertel des Laval- Druckverhältnisses für das Füllgas ist,
- wobei das Abstandsintervall dadurch gegeben ist, dass
- einerseits, entsprechend einer unteren Abstandsintervallgrenze, die der Löschgasströmung (s3) in dem erweiterten Bereich (21 ) zum Durchströmen zur Verfügung stehende Querschnittsfläche mindestens den Flächeninhalt F, insbesondere mindestens den Flächeninhalt 1.5 x F hat, und
- andererseits, entsprechend einer oberen Abstandsintervallgrenze, das Minimum der im Engnis (6) oder zwischen dem Engnis (6) und dem zweiten Kontaktstück (2) auftretenden Löschgasdichte (pi) grösser ist als das Minimum der im oder neben dem zweiten Kontaktstück (2) auftretenden Löschgasdichte (p2).
3. Hochleistungsschalter, befüllbar mit einem Löschgas,
- mit einem ersten Lichtbogenkontaktstück (1 ) und einem zweiten Lichtbogenkontaktstück (2),
- mit einem gegebenenfalls zwischen den Lichtbogenkontaktstücken (1 ,2) brennenden Lichtbogen (4),
- mit einem Heizraum (1 1 ) zur Zwischenspeicherung von durch den Lichtbogen (4) aufgeheiztem Löschgas, und
- mit einer Isolierdüse (5), welche zur Führung einer Löschgasströmung (s3) entlang einer Achse (A) ein mit dem Heizraum (1 1 ) verbundenes Engnis (6) aufweist, an welches sich ein erweiterter Bereich (21) anschliesst,
- wobei das Engnis (6) nahe dem erweiterten Bereich (21 ) eine zu der Achse (A) senkrechte Querschnittsfläche eines Flächeninhalts F aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass
- während eines Ausschaltvorgangs nach einer Kontakttrennung während einer Löschphase, in welcher eine Löschgasströmung (s3) durch das Engnis (6) in Richtung (z2) des zweiten Lichtbogenkontaktstücks (2) möglich ist, zumindest in Schaltfällen, in denen die Löschgasströmung (s3,s4) zumindest lokal mit Schall¬ oder Überschallgeschwindigkeit strömen kann,
- ein parallel zu der Achse (A) gemessener Abstand d zwischen dem Engnis (6) und dem zweiten Lichtbogenkontaktstück (2) mindestens solange innerhalb eines von dem Flächeninhalt F, der geometrischen Ausgestaltung des zweiten Kontaktstücks (2) und der geometrischen Ausgestaltung des erweiterten Bereiches (21) abhängigen Abstandsintervalles liegt, wie die Löschgasströmung (s3,s4) zumindest lokal mit Schall- oder Überschallgeschwindigkeit strömen kann,
- wobei das Abstandsintervall dadurch gegeben ist, dass
- einerseits, entsprechend einer unteren Abstandsintervallgrenze, die der Löschgasströmung (s3) in dem erweiterten Bereich (21 ) zum Durchströmen zur Verfügung stehende Querschnittsfläche mindestens den Flächeninhalt F, insbesondere mindestens den Flächeninhalt 1 .5 x F hat, und andererseits, entsprechend einer oberen Abstandsintervallgrenze, das Minimum des im Engnis (6) oder zwischen dem Engnis (6) und dem zweiten Kontaktstück (2) auftretenden Löschgasddruckes (pl) grösser ist als das Minimum des im oder neben dem zweiten Kontaktstück (2) auftretenden Löschgasdruckes (p2).
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