Gasisolierter Schalter

Die Erfindung betrifft einen gasisolierten Schalter nach An spruch 1 und eine Hochspannungsschaltanordnung nach Anspruch

9.

Im Bereich von Hoch- und Mittelspannungsschaltanlagen wird derzeit als Isoliergas und als Löschgas das Schwefelhexafluo rid SF ₆ eingesetzt. Dieses Gas eignet sich für die genannten Anwendungen hervorragend, es weist jedoch den Nachteil auf, dass es ein sehr hohes Treibhauspotenzial aufweist. Als Al ternative werden hierzu derzeit verschiedene Verbindungen, insbesondere fluorierte Verbindungen als Isoliermedien disku tiert. Andererseits ist es auch zweckmäßig, Vakuumschaltröh ren in Leistungsschalter zu integrieren. Mit einer steigenden Bemessungsspannung wächst jedoch der technische Aufwand, der für die Bereitstellung von Vakuumschaltröhren notwendig ist, um eine ausreichende Spannungsfestigkeit der Schaltstrecke nach der Stromunterbrechung zu gewährleisten, überproportio nal an. Um diesen Aufwand zu reduzieren, wäre es zweckmäßig, einen Trennschalter, insbesondere ausgestaltet in Form eines gasisolierten Schalters bereitzustellen, der unter elektri scher Last, das heißt insbesondere im Kurzschlussfall geöff net werden kann und die Vakuumschaltröhre dielektrisch ent lastet .

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Trennschalter in Form eines gasisolierten Schalters bereitzustellen, der gegenüber herkömmlichen gasisolierten Schaltern eine höhere Öffnungsgeschwindigkeit der Kontakte im Kurzschlussfall auf weist. Ferner besteht die Aufgabe in der Bereitstellung einer Hochspannungsschaltanordnung mit einer Vakuumschaltröhre, die gegenüber dem Stand der Technik eine höhere Spannung pro Bau raum tragen kann. Die Lösung der Aufgabe besteht in einem gasisolierten Schal ter gemäß Patentanspruch 1 und in einer Hochspannungsschal teranordnung nach Patentanspruch 9.

Der gasisolierte Schalter gemäß Anspruch 1 weist einen ersten Kontakt und einen zweiten Kontakt auf, die jeweils Bestand teil einer Kontakteinheit sind. Dabei ist mindestens eine Kontakteinheit mit dem ersten Kontakt als Bewegkontakteinheit mit einer Antriebseinheit verbunden. Die Bewegkontakteinheit ist entlang einer Schaltachse bewegbar gelagert. Ferner um fasst der gasisolierte Schalter ein mehrteiliges Isolier stoffdüsensystem, das eine Hauptdüse und eine Hilfsdüse auf weist, wobei zwischen der Hauptdüse und der Hilfsdüse ein Heizkanal ausgebildet ist, der von einem Lichtbogenraum aus geht und der in einem Gasreservoir mündet. Dieses Gasreser voir ist an einer Seite durch einen Stempel begrenzt. Die Er findung zeichnet sich dadurch aus, dass das Gasreservoir be züglich der Schaltachse radial zumindest teilweise von einer Wand begrenzt ist, wobei die Bewegkontakteinheit bezüglich dieser Wand bewegbar entlang der Schaltachse gelagert ist und dass der Stempel Teil der Bewegkontakteinheit ist und dabei gemeinsam mit dieser in der Art bewegbar bezüglich des zwei ten Kontaktes gelagert ist, dass sich der Stempel bei einem Öffnungsvorgang der beiden Kontakteinheiten zur Vergrößerung des Gasreservoirs entlang der Schaltachse vom zweiten Kontakt entfernt .

Vom Aufbau ähnelt der gasisolierte Schalter der Erfindung ei nem sogenannten Selbstblasschalter, er unterscheidet sich je doch darin, dass der herkömmliche Selbstblasschalter ein Selbstblasvolumen aufweist, das beim Öffnen der beiden Kon taktsysteme durch einen Stempel in seinem Volumen so redu ziert wird, dass ein Löschgas durch den Heizkanal zurück in den Lichtbogenraum gepresst wird und dabei den Lichtbogen löscht. In diesem herkömmlichen Selbstblasschalter nach dem Stand der Technik ist die Wand, die das Selbstblasvolumen ra dial begrenzt allerdings Teil des Bewegkontaktsystems und bleibt beim Öffnen des Schalters bezüglich des Selbstblasvo- lumens bzw. des Gasreservoirs unbewegt. In der vorliegenden Erfindung ist die Wand bezüglich der ersten Kontakteinheit beweglich gelagert und somit kein Bestandteil dieser ersten Kontakteinheit. In der vorliegenden Erfindung bewegt sich das sich beim Öffnungsvorgang vergrößernde Gasreservoir entlang der beschriebenen Wand des Reservoirs.

Es ist noch anzumerken, dass das Isolierstoffdüsensystem ein funktional zusammen wirkendes System darstellt, in dem die einzelnen Komponenten für sich genommen jeweils Teil der Kon takteinheiten sein können. Das bedeutet, dass die Komponenten wie die Hauptdüse und die Hilfsdüse nicht starr zueinander angeordnet sein müssen, sondern sich während der Öffnungs und Schließvorgänge aufeinander zu und voneinander weg bewe gen können.

Durch die bewegliche Lagerung des Kontaktes der Bewegkontakt einheit, üblicherweise ein Tulpenkontakt, und die darum ange ordnete Hilfsdüse in der Schaltkammer ermöglicht die Erfin dung im Gegensatz zur heute eingesetzten Selbstblasleistungs schaltern eine Vergrößerung des Gasreservoirs, das in der vorliegenden Erfindung nicht als Selbstblasvolumen dient. Vielmehr wird durch das durch den Heizkanal einströmende hei ße Gas auf den Stempel eine Kraft ausgeübt, die eine Be schleunigung des Bewegkontaktsystems in Zugrichtung des An triebs bewirkt und somit die Antriebsbewegung unterstützt bzw. die Antriebsgeschwindigkeit erhöht. Dadurch ist bei gleicher Antriebsenergie eine Erhöhung der Kontaktöffnungsge schwindigkeit oder bei konstanter Kontaktöffnungsgeschwindig keit eine Reduktion der Antriebsenergie möglich.

In einer weiteren Ausgestaltungsform der Erfindung ist die das Gasreservoir zumindest teilweise begrenzende Wand ein Be standteil der Kontakteinheit des zweiten Kontaktes. Das be deutet, Teile des zweiten Kontaktsystems also zumindest die beschriebene Wand umgeben bevorzugt radial Teile des ersten Kontaktsystems und tragen dabei zur Bildung eines Hohlraums, nämlich des Gasreservoirs bei, das bei der Öffnung des Schal- ters, hervorgerufen durch das einströmende Heißgas, eine Ver größerung erfährt. Die genannte Wand ist dabei zweckmäßiger weise konstruktiv mit wenig Aufwand umsetzbar am zweiten Kon taktsystem befestigt. Grundsätzlich kann auch eine Befesti gung der Wand am Gehäuse der Vakuumschaltröhre zweckmäßig sein .

In einer weiteren Ausgestaltungsform der Erfindung ist der Stempel im ersten Kontaktsystem so angeordnet, dass er bezüg lich einer Schaltachse im Wesentlichen senkrecht ausgestaltet ist. Dabei bedeutet im Wesentlichen, dass eine winklige An stellung gegenüber der Schaltachse nicht mehr als 15° be trägt .

Der Stempel ist dabei bezüglich der Schaltachse rotationssym metrisch ausgestaltet. Dies führt zu einem rotationssymmetri schen im Wesentlichen zylinderwandförmigen Gasreservoir um den Schaltkontakt herum. Der Stempel ist dabei in einer vor teilhaften Ausgestaltungsform an einer Halterung der Hilfsdü se angebracht, und somit fix mit dem Bewegkontaktsystem ver bunden .

Bei einem gasisolierten Schalter nach dem Aufbau des Selbst blasprinzips weisen die beiden Kontakte unterschiedliche For men auf, dabei handelt es sich einmal um einen Tulpenkontakt, der bevorzugt der erste Kontakt ist und um einen Stiftkon takt, der bevorzugt als zweiter Kontakt ausgestaltet ist. Da bei ist der Stiftkontakt bevorzugt Teil einer Festkontaktein- heit. Der Tulpenkontakt ist dabei bevorzugt Teil der Beweg kontakteinheit, wobei grundsätzlich über einen entsprechenden gekoppelten Antrieb auch beide Kontakteinheiten beweglich ge staltet sein können.

In einer weiteren Ausgestaltungsform der Erfindung ist die beschriebene Wand des Gasreservoirs Teil der Hauptdüse. Dies würde eine kostengünstige konstruktionstechnische Umsetzung ermöglichen . Eine weitere Ausgestaltungsform der Erfindung ist eine Hoch- spannungsschaltanordnung gemäß des Patentanspruchs 9, die ei nen gasisolierten Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 8 sowie eine Vakuumschaltröhre umfasst. Dabei sind der gasiso lierte Schalter und die Vakuumschaltröhre, die wiederum Be standteil eines Leistungsschalters sein kann, in Reihe ge schaltet. Dadurch, dass der beschriebene gasisolierte Schal ter unter Last geschaltet werden kann, kommt die in Serie bzw. in Reihe geschaltete Vakuumschaltröhre mit einer gerin geren elektrischen Festigkeit bezüglich der Bemessungsspan nung aus. Dies erfordert einen geringeren technischen Aufwand bei der Konstruktion der Vakuumschaltröhre und es können grundsätzlich höhere Bemessungsspannungen durch eine vorgege bene Bauart erzielt werden.

Dabei kann es zweckmäßig sein, dass der gasisolierte Schalter und die Vakuumschaltröhre bzw. ein Leistungsschalter, in dem die Vakuumschaltröhre integriert ist, durch einen gemeinsamen Antrieb betrieben werden. Dies ermöglicht einen einfachen technischen Aufbau und andererseits eine sichere zeitliche Abfolge der Schaltvorgänge.

In einer weiteren Ausgestaltungsform der Erfindung ist die Hochspannungsschaltanordnung derart ausgestaltet, dass die Spannungsaufteilung über den gasisolierten Schalter und die Vakuumschaltröhre durch eine Steuereinrichtung gesteuert wird. Eine Steuereinrichtung kann beispielsweise ein Konden sator oder ein Widerstand oder eine Kopplung aus einem Kon densator und einem Widerstand sein.

Weitere Ausgestaltungsformen und weitere Merkmale der Erfin dung werden anhand der folgenden Zeichnungen näher erläutert. Merkmale in unterschiedlicher Ausgestaltungsform, aber mit derselben Benennung werden dabei mit denselben Bezugszeichen versehen. Es handelt sich grundsätzlich dabei um schematische Ausgestaltungsformen, die rein exemplarischer Natur sind und keine Einschränkung des Schutzbereichs darstellen. Dabei zeigen :

Figur 1 einen Querschnitt durch einen gasisolierten Schal ter mit einer Bewegkontakteinheit und einer Fest kontakteinheit sowie mit einem Gasreservoir,

Figur 2 einen gasisolierten Schalter analog zu Figur 1 mit einem zusätzlichen Lichtbogenlöschvolumen,

Figur 3 einen gasisolierten Schalter analog zu Figur 1, mit einem Lichtbogenlöschvolumen in der Hauptisolier- stoffdüse und

Figur 4 eine Reihenschaltung des beschriebenen gasisolier ten Schalters mit einer Vakuumschaltröhre und pa rallel dazu geschalteten Steuereinrichtungen.

In Figur 1 ist ein Querschnitt durch einen gasisolierten Schalter dargestellt, der einen ersten Kontakt 4 aufweist, der in Form eines Tulpenkontaktes 30 ausgestaltet ist und der einen zweiten Kontakt 6 aufweist, der in Form eines Stiftkon taktes 32 ausgestaltet ist. Beide Kontakte 30, 32 sind dabei jeweils in eine Kontakteinheit 8, 9 integriert, eine erste Kontakteinheit 8 und eine zweite Kontakteinheit 9. Die beiden Kontakte 30 und 32 sind dabei während eines Öffnungsvorgangs bzw. Schließvorgangs des gasisolierten Schalters 2 entlang einer Schaltachse 10 translatorisch beweglich zueinander ge lagert. Dabei ist der Stiftkontakt 32 in der Regel aber nicht zwingend als ein Festkontakt ausgestaltet, der Tulpenkontakt 30 hingegen ist als Bewegkontakt ausgestaltet. Somit ist die erste Kontakteinheit 8 mit dem Tulpenkontakt 30 auch als Be wegkontakteinheit zu bezeichnen.

Ferner weist der gasisolierte Schalter 2 ein Isolierstoffdü- sensystem 12 auf, das insbesondere eine Hauptdüse 14 und eine Hilfsdüse 16 sowie einen hierdurch gebildeten Heizkanal 18 umfasst. Der Heizkanal 18 führt von einem Lichtbogenraum 20 zu einem Gasreservoir 22. Der Lichtbogenraum 20 ist der Raum, der sich beim Öffnen der Kontakte 30, 32 bildet und in dem während des Öffnungsvorgangs ein Schaltlichtbogen 21 auf- tritt .

Das Gasreservoir 22 wird dabei zum einen auf einer radialen Innenseite in dieser Ausgestaltungsform von der Hilfsdüse 16 begrenzt und radial von der Schaltachse 10 nach außen hin von einer Wand 26 begrenzt. Diese beiden Begrenzungen durch die Hilfsdüse 16 und die Wand 26 erstrecken sich radial umlau fend, aber parallel zur Schaltachse 10. Ferner ist ein Stem pel 24 vorgesehen, der das Gasreservoir 22 axial begrenzt.

Das bedeutet, der Stempel 24 steht im Wesentlichen senkrecht, aber rotationssymmetrisch zur Schaltachse 10 und der Stempel 24 ist dabei zumindest bezüglich der Wand 26 beweglich gela gert. Das bedeutet, der Stempel 24 ist ein fester Bestandteil der Bewegkontakteinheit 8, wogegen die Wand 26 kein Teil die ser Bewegkontakteinheit 8 ist. Die Wand 26 kann in einer be vorzugten Ausgestaltung, wie dies in Figur 1 dargestellt ist, Bestandteil der zweiten Kontakteinheit 9 sein, sie kann als Verlängerung der Hauptisolierstoffdüse 14 ausgestaltet sein. Die Wand 26 kann jedoch auch von der Festkontakteinheit 9 me chanisch entkoppelt sein und beispielsweise am (nicht darge stellten) Gehäuse des Schalters 2 angeordnet sein.

Bei einer Öffnungsbewegung des Schalters 2 bewegen sich der Tulpenkontakt 30 und der Stiftkontakt 32 angetrieben durch eine Antriebsvorrichtung, die hier nicht dargestellt ist, entlang der Schaltachse 10 auseinander. Beim Öffnen der Kon takte 30, 32 entsteht ein Schaltlichtbogen 21. Durch den Schaltlichtbogen 21 wird das im Lichtbogenraum vorliegende Isoliermedium, das im Wesentlichen gasförmig ausgestaltet ist, erhitzt und über den Heizkanal 18 in das Gasreservoir 22 gedrückt. Die Bewegung des Gases entlang des Heizkanales 18 erfolgt insbesondere durch die Temperaturerhöhung und die da raus erfolgende Volumenausdehnung. Diese Volumenausdehnung führt wiederum dazu, dass das Isoliermedium 23 mit einer so hohen Energie gegen den Stempel 24 gepresst wird, dass die translatorische Bewegung der ersten Kontakteinheit 8, die im Wesentlichen den Tulpenkontakt 30, die Hilfsdüse 16 und den Stempel 24 umfasst, so schnell erfolgt, dass die Geschwindig keit der Bewegung , die durch den Antrieb hervorgerufen wird, überschritten wird. Es handelt sich dabei somit um eine zu sätzliche Beschleunigung der Bewegkontakteinheit 8 von dem Festkontakt 32 weg. Dadurch wird das Gasreservoir 22 vergrö ßert und der Stempel 24 bewegt sich in Richtung des Pfeiles 25.

Bei dem beschriebenen Öffnungsmechanismus des Schalters 2 wird somit die Energie des Lichtbogens 21 ausgenutzt, um die Öffnung des Schalters 2 zu beschleunigen und somit auch die Trennentfernung zwischen den beiden Kontakten 30, 32 zu erhö hen. Auf diese Weise kommt es ebenfalls zu einer Löschung des Lichtbogens 21. Dies kann insbesondere dann relevant sein, wenn der Schalter 2 in Reihe mit einer Vakuumschaltröhre 48 geschaltet ist, wie dies in Figur 4 dargestellt ist. Auf die se Reihenschaltung wird noch im Weiteren eingegangen werden.

Bei der in Figur 1 beschriebenen Anordnung wird auf ein als einen Selbstblasschalter bekanntes Selbstblasvolumen zur Lö schung des Schaltlichtbogens 21 verzichtet. Die gesamte

Lichtbogenenergie wird somit zur beschleunigten Öffnung der Kontakteinheiten 8, 9 verwandt. Es kann aber auch zweckmäßig sein, dass die durch den Lichtbogen vorhandene Energie aufge teilt wird und einerseits zur beschleunigten Öffnung des Schalters 2 bzw. der Kontakteinheiten 8 und 9 herangezogen wird und ein anderer Teil der Lichtbogenenergie analog des Selbstblasschalters in ein Lichtbogenlöschvolumen 34 gelenkt wird, wobei hier ebenfalls analog des bekannten Selbstblas schalters ferner ein Kompressionsvolumen 38 vorhanden ist, das sich bei einem bestimmten Gegendruck öffnet und den Druck im Lichtbogenlöschvolumen 34 erhöht, sodass eine Rückströmung des erhitzten Isoliermediums 23 durch einen abgezweigten Heizkanal 18' in den Lichtbogenraum 20 erfolgt und ein Lö schen des Schaltlichtbogens 21 auftritt. Dies ist in Figur 2 insofern dargestellt, dass die Vorrichtung gemäß Figur 1 noch eine zweite radial bezüglich der Schaltachse 10 ausgerichtete Wand 36 aufweist, die Bestandteil der zweiten Kontakteinheit 9 ist und die wiederum das Gasreservoir 22 und die erste Kon takteinheit 18 zumindest teilweise radial umgibt. In dieser Ausgestaltungsform ist es möglich, dass einerseits die Ge schwindigkeit der Öffnungsbewegung bei gleicher Antriebsener gie erhöht wird und parallel dazu ein weiterer Teil der Ener gie des Schaltlichtbogens 21 zur Lichtbogenlöschung genutzt wird .

In Figur 3 ist eine alternative Ausgestaltungsform der vor teilhaften Darstellung gemäß Figur 2 abgebildet, in der eben falls wieder auf den Schalter 2 gemäß Figur 1 zurückgegriffen wird, dieser jedoch in der Form ausgestaltet ist, dass das Lichtbogenlöschvolumen 34 in der Hauptdüse 14 angebracht ist, wobei hier die Strömungsführung gegebenenfalls durch einen Heißgaskanal 44 und einen Kaltgaskanal 42 sowie eine entspre chende Anordnung von Strömungssteuerelementen 40 konstruktiv gewährleistet ist. Ferner kann auch ein hier nicht darge stelltes Kompressionsvolumen 38 vorgesehen sein, über das durch einen Kompressionskanal 46 entsprechend Isoliermedium 23 in das Lichtbogenlöschvolumen 34 zusätzlich eingepresst werden kann.

In Figur 4 ist ein Leistungsschalter 52 dargestellt, der ei nen gasisolierten Schalter 2 und eine Vakuumschaltröhre 48 umfasst. Teile des Leistungsschalters 52 sind eine oder zwei Steuereinrichtungen 50, die zu den jeweiligen Schalteinhei ten, dem gasisolierten Schalter 2 und der Vakuumschaltröhre 48, parallel geschaltet sind. Dabei handelt es sich bei der Steuereinrichtung 50 beispielsweise um eine serielle oder pa rallele Schaltung eines Kondensators mit einem Widerstand oder lediglich um einen Widerstand. Diese Anordnung bewirkt, dass beispielsweise eine Vakuumschaltröhre 48, die für eine Bemessungsspannungsebene von 145 kV oder 245 kV ausgelegt ist, in Verbindung mit dem unter Last schaltbaren gasisolier ten Schalter 2, auch einem Trennschalter in mehreren hundert Kilovolt höheren Bemessungsebenen als die nominell vorgesehe nen Spannungsebenen eingesetzt werden kann. Auf diese Weise wird der technische Aufwand zur Herstellung der Vakuumschalt röhre 48 deutlich verringert, was zu geringeren Bauräumen und zu niedrigeren Herstellungskosten führt. Eine wichtige Vo raussetzung um dies zu erzielen ist der beschriebene gasiso- lierte Schalter 2, der auf der Technologie eines üblichen

Selbstblasschalters basiert, der aber gegenüber diesem derart abgewandelt ist, dass er unter Last, insbesondere auch im Kurzschlussfall geöffnet werden kann und eine zügige dielekt rische Wiederverfestigung erfolgt.

Bezugszeichenliste

2 gasisolierter Schalter

4 erster Kontakt

6 zweiter Kontakt

8 Kontakteinheit erster Kontakt

9 Kontakteinheit zweiter Kontakt

10 Schaltachse

12 Isolierstoffdüsensystem

14 Hauptdüse

16 Hilfsdüse

18 Heizkanal

20 Lichtbogenraum

21 Schaltlichtbogen

22 Gasreservoir

23 Isoliermedium

24 Stempel

25 Bewegungsrichtung Stempel

26 Wand

28 Halterung

30 Tulpenkontakt

32 Stiftkontakt

34 Lichtbogenlöschvolumen

36 zweite Wand

38 Kompressionsvolumen

40 Strömungssteuerelement

42 Kaltgaskanal

44 Heißgaskanal

46 Kompressionskanal

48 Vakuumschaltröhre

50 Steuereinrichtung

52 Leistungsschalter