DE2342520A1

DE2342520A1 - HV gas-blast cct. breaker - has pressure chamber connected to electrode forming nozzle and expansion chamber for arc quenching

Info

Publication number: DE2342520A1
Application number: DE19732342520
Authority: DE
Inventors: Paul Prof Dr Ing Dr Brueckner; Franzkarl Dipl Ing Grossmann
Original assignee: Calor Emag AG
Current assignee: Calor Emag AG
Priority date: 1973-08-23
Filing date: 1973-08-23
Publication date: 1975-03-06

Abstract

The nozzle is rated with respect to high light arc currents to be quenched in such manner that the light arc upsetting pressure causes its temporary clogging. During this clogging the light arc is stabilised in the direction of the nozzle axis. The current is caused to flow through the electrodes in opposite direction to the surrounding current leads, the latter being in the form of a hollow conductor surrounding the electrodes and the gap between the same in concentric manner. The metal hollow conductor may form a part of the quenching chamber wall which is directly exposed to the light arc radiation. The hollow conductor may form a part of the outer jacket of the switching pole and may have cooling ribs in the direction of current flow.

Description

CALOR- EMAGCALOR-EMAG

Elektrizitäts-Aktiengesellschaft Z 0 4 Z 0 2 QElektrizitäts-Aktiengesellschaft Z 0 4 Z 0 2 Q

4O3 Ratingen4O3 Ratingen

Bahnstraße 39-47Bahnstrasse 39-47

TP-Nr. 1093 Ratingen, den l6. 8. 1973 TP no. 1093 Ratingen, 16. 8th 1973

HochspannungsleistungssehalterHigh voltage circuit breaker

Die Erfindung betrifft einen Hochspannungsleistungsschalter, insbesondere Gasschalter, wobei die Löschmittelströmung von einer Druckkammer durch eine eine Elektrode bildende Düse in eine Expansionskammer hinein stattfindet.The invention relates to a high-voltage circuit breaker, in particular gas switch, the extinguishing agent flow from a pressure chamber through a nozzle forming an electrode in an expansion chamber takes place into it.

Versuche mit einem solchen bekannten Eindruckgasschalter, bei dem der Durchlaß zur Expansionskammer mit einer Berstscheibe verschlossen ist, die vom Lichtbogendruck zur Freigabe der Gasströmung durchstoßen werden soll, befriedigten nicht.Experiments with such a well-known indented gas switch, in which the passage to the expansion chamber is closed with a rupture disk, the arc pressure to the Release of the gas flow to be pierced were not satisfied.

Einmal kann eine solche jeweils erneuerungsbedürftige Scheibe nur auf einen bestimmten Druck eingestellt werden und zum anderen bricht der Lichtbogen - wohl auch infolge des von ihm erzeugten Staudruckes - seitlich aus und kann somit von der Löschströmung nicht wirkungsvoll bearbeitet werden.Once such a disk, which needs to be renewed, can only be set to a certain pressure and on the other hand, the arc breaks out laterally and can - probably also as a result of the dynamic pressure it generates thus cannot be effectively processed by the extinguishing flow.

Es wäre zwar denkbar diesen Nachteil dadurch zu beheben, daß man an die Stelle der Berstscheibe ein Ventil einsetzte. Ein solches Ventil müßte dann bei kleinen Strömen öffnen, von einer bestimmten Stromstärke ab geschlossenIt would be conceivable to remedy this disadvantage by inserting a valve in place of the rupture disc. Such a valve would then have to open at small currents, closed from a certain current strength

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sein, dann bei steigenden Abschaltströmen jeweils eine höhere Schließkraft aufbringen und schließlich jeweils kurz vor dem Stromnulldurchgang des Wechselstromes sehr schnell und gänzlich öffnen. Darüberhinaus müßte es unempfindlich gegen heiße Abschaltgase und festen Abbrandrückständen sein; Forderungen also, die sich kaum erfüllen lassen, zumindest nicht mit einem wirtschaftlichen Aufwand., then one for each rising cut-off currents Apply higher closing force and finally very shortly before the alternating current crosses zero open quickly and completely. In addition, it should be insensitive to hot shutdown gases and solid combustion residues be; Demands that can hardly be met, at least not with an economic one Expenditure.

Es ist die Aufgabe der Erfindung ein solches Ventil zu umgehen, und den Schalter der eingangs genannten Art mit einfacheren Mittel funktionstüchtig herzurichten, ohne auf die aufwandsarme Mithilfe der Lichtbogenenergie, zumindest bei der Steuerung der Lichtbogenlöschung,verzichten zu müssen.It is the object of the invention to circumvent such a valve, and the switch of the type mentioned to make them functional with simpler means, without the low-cost use of the arc energy, at least to have to do without the control of the arc extinguishing.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Düse in Hinblick auf die zu bewältigenden hohen Lichtbogenströme so bemessen ist, daß sie von dem Lichtbogenetaudruck mindestens zeitweise verstopft wird und Maßnahmen vorgesehen sind, die mindestens während der Düsensperrung den Lichtbogen in Richtung der Düsenachse stabilisieren.According to the invention this object is achieved in that the nozzle is dimensioned in view of the high arc currents to be dealt with so that it is exposed to the arc pressure is clogged at least temporarily and measures are provided that at least during the nozzle blockage stabilize the arc in the direction of the nozzle axis.

Wählt man den Innendurchmesser der metallischen Düse entsprechend klein, so daß schon bei relativ geringen Abschaltströmen durch den sogenannten Lichtbogenstaudruck eine Düsenverstopfung entsteht, dann übernimmt gerade diese Verstopfung, die beim Stromnulldurchgang verschwindet, sämtliche Funktionen des vorgenannten Ventiles. Bei bekannten Schaltern werden diese Verstopfungen vermieden, auch um ein Ausbrechen oder Abwandern des Lichtbogens zu vermeiden.If the inner diameter of the metallic nozzle is chosen to be correspondingly small, so that even with relatively low cut-off currents the so-called arc back pressure causes a nozzle clogging, then just takes over this blockage, which disappears when the current passes through zero, all functions of the aforementioned valve. In known switches, these blockages are avoided, also to prevent the arc from breaking out or migrating to avoid.

Die Stabilisierung des Lichtbogens in der Düsenachse kann einfach durch eine räumlich parallel zu der Lichtbogenachse geführte Zuleitung herbeigeführt werden. Die Erfindung eignet sich hervorragend für Eindruckgasschalter, d. h. bei Schaltern, deren Druckkammer und Expansionskammer mit einem Isoliergas gleichen Druckes gefüllt ist. The arc can be stabilized in the nozzle axis simply by a spatially parallel to the arc axis guided supply line are brought about. The invention is ideally suited for indented gas switches, d. H. for switches whose pressure chamber and expansion chamber are filled with an insulating gas of the same pressure.

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Wird die Erfindung für Flüssigkeitsschalter verwandt, so sind in der Druckkammer zweckmäßig Gasdruckfedern untergebracht. If the invention is used for liquid switches, gas pressure springs are expediently accommodated in the pressure chamber.

Ein Beispiel der Erfindung soll nachfolgend anhand einer skizzenhaften Darstellung erläutert werden.An example of the invention will be explained below with the aid of a sketchy representation.

In Fig. 1 weist das obere spannungsführende Teil eines Gasschalterpoles das Anschlußstück 1 und den Düsenkontakt auf. Die Bohrung der Düse 2 mündet oben in den Druckausgleichraum 3· Unterhalb der Düse 2 befindet sich die Druckkammer 4, die seitlich von dem Isolierrohr 5 begrenzt wird. Axial in einem bestimmten Abstand dazu befindet sich das Kontaktstück 6, das mit dem unteren spannungsführenden Teil verbunden ist, an dem das Anschlußstück 7 angebracht ist. Der untere Teil der Druckkammer 4 wird ausgefüllt durch zusätzliche Einrichtungen 8, mit denen die Druckkammer variabel in ihrem Volumen gestaltet werden kann. Der Strompfad verläuft vom Anschlußstück 1 in Richtung der angegebenen Pfeile von der unteren Düsenkante 2 in Form eines Lichtbogens an das obere Ende des KontaktStückes 6 und schließlich zum Anschlußstück 7· Das Kontaktstück 6 kann ein beweglicher Schaltstift sein, was jedoch nicht besonders dargestellt ist. Normalerweise wird in die Druckkammer 4 ein Gasdruck gebracht, der den Lichtbogen in die Bohrung der Düse treibt und beim Stromnulldurchgang dort die Restgassäule entionisiert. Ist der Strom zu groß, oder die Düse zu eng, dann entsteht im vorderen Düsenteil durch den Lichtbogenstaudruck eine Düsenverstopfung, eine Art Druckball aus ständig aufgeheiztem Lichtbogenplasma ( punktierter Ball ). Dieser Druckball gibt nach sämtlichen freien Richtungen ( Pfeile ) Energie ab. Ein Teil dieser abgegebenen Energie besteht aus pneumatischem Druck. Da letzterer auch im Lichtbogen wirkt und aus diesem heraus gerichtet ist, drückt er zumindest einen Anteil desselben zunächst in Form einer schwachen Schleife nach außen ( strichpunktiert ). Nunmehr wird in dieser Schleife deren elektrodynamische Kraft wirksam, und treibt diese weiter auseinander ( strich - strich punktiert ). Bei dem folgendenIn Fig. 1, the upper live part of a gas switch pole has the connector 1 and the nozzle contact on. The bore of the nozzle 2 opens into the pressure equalization space 3 below the nozzle 2 is the pressure chamber 4, which is laterally bounded by the insulating tube 5. The is located axially at a certain distance from it Contact piece 6 which is connected to the lower live part to which the connecting piece 7 is attached. The lower part of the pressure chamber 4 is filled by additional devices 8 with which the pressure chamber can be designed variably in their volume. The current path runs from the connector 1 in the direction of indicated arrows from the lower nozzle edge 2 in the form of an arc to the upper end of the contact piece 6 and finally to the connection piece 7 · the contact piece 6 can be a movable switch pin, but this is not particularly shown. Usually it is in the pressure chamber 4 brought a gas pressure that drives the arc into the bore of the nozzle and there when the current crosses zero the residual gas column is deionized. If the flow is too big or the nozzle is too narrow, then through is created in the front nozzle part the back pressure of the arc causes a blockage of the nozzle, a kind of pressure ball made of constantly heated arc plasma (punctured Ball). This pressure ball emits energy in all free directions (arrows). Part of this The energy given off consists of pneumatic pressure. Since the latter also acts in and out of the arc is directed, it initially pushes at least a portion of it outwards in the form of a weak loop (dash-dotted line ). Now its electrodynamic is in this loop Force effective, and drives them further apart (dash - dash-dotted). In the following

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Stromnulldurchgang unterbleibt die Aufheizung des Düsenstopfens und jener wird von dem in der Druckkammer 4 anstehenden Druck durch die Bohrung der Düse 2 in den Druckausgleichraum 3 geschoben, mit der Folge eines lebhaften Druckausgleiches, wobei die Restgase des Lichtbogens entionisiert werden. Die aufgeweitete Gasschleife befindet sich aber nicht mehr im Bereich der intensiven Gasströmung; sie wird demnach nicht entionisiert und verbleibt als elektrisch leidender Gasfaden, durch den die Rückzündung des Lichtbogens eingeleitet wird. Folgt nun der volle wiedereinsetzende Strom dieser Schleife, dann wird durch die jetzt wesentlich erhöhte elektrodynamische Kraftwirkung der Lichtbogen bis in die äußerst ihm zugänglichen Seitenteile der Druckkammer getrieben, vorzugsweise an die Isolierwand, die dementsprechend angegriffen wird, so daß ihre Spannungsfestigkeit verlorengeht. Die weiteren Rückzündungen erfolgen nunmehr über die angegriffene Oberfläche der Isolierwand.
Eine Lichtbogenlöschung ist damit ausgeschlossen.The nozzle plug is not heated up and is pushed by the pressure in the pressure chamber 4 through the bore of the nozzle 2 into the pressure equalization chamber 3, with the result of a lively pressure equalization, with the residual gases of the arc being deionized. However, the widened gas loop is no longer in the area of the intense gas flow; it is therefore not deionized and remains as an electrically suffering gas thread through which the re-ignition of the arc is initiated. If the full re-starting current follows this loop, then the arc is driven by the now significantly increased electrodynamic force effect into the extremely accessible side parts of the pressure chamber, preferably to the insulating wall, which is attacked accordingly, so that its dielectric strength is lost. The further re-ignitions now take place over the attacked surface of the insulating wall.
Arc quenching is therefore ruled out.

Eine Anwendung der Erfindung ist in Fig. 2 dargestellt. Hier ist die gesamte Leiteranordnung so gewählt, daß die Stromfäden, einschließlich die des Lichtbogens, in ihr Schleifen beschreiben, deren elektrodynamische Kraftwirkung den Lichtbogen auf der Zentralachse straff bündeln. Umgibt man die Druckkammer 4 in Höhe der Trennstrecke mit einem Mantel 9 aus Leitermaterial und bringt das Anschlußstück 10 am unteren Rand desselben an, dann nimmt der Stromfluß den durch die Pfeile gekennzeichneten Weg, der deutlich aus nahezu axialsymmetrischen Schleifen besteht, in der Weise wirkend, daß der bewegliche Teil eines jeden Stromfadens im Lichtbogen eine Schleife bildet, die sich in Richtung auf die Zentralachse auszuweiten sucht. Da dieses aber infolge weiterer Stromfadenschleifen nur bis zu einer gewissen Grenze möglich ist, besteht die einzige Möglichkeit einer SchleifenaufWeitung darin, daß sie in die Bohrung der Düse hineinvandert, wobei sie jeweilsAn application of the invention is shown in FIG. Here the entire conductor arrangement is chosen so that the Electric filaments, including those of the electric arc, describe their electrodynamic force in their loops bundle the arc tightly on the central axis. If one surrounds the pressure chamber 4 at the level of the separating distance a jacket 9 made of conductor material and brings the connector 10 to the lower edge of the same, then takes the Current flow the path marked by the arrows, which clearly consists of almost axially symmetrical loops, acting in such a way that the moving part of each current filament forms a loop in the arc which is seeks to expand in the direction of the central axis. Since this, however, only up to is possible to a certain extent, the only way to widen the loop is to use it in the bore of the nozzle migrates into it, each

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ihren Fußpunkt auf der metallischen Innenwand der Düse mitnimmt} eine Ruckschleifung des Stromfadens in der Düse ist ausgeschlossen durch die abstoßende Kraftwirkung zweier Leiter mit Stromfluß in entgegengesetzter Richtung.its base point on the metallic inner wall of the nozzle takes with it} a looping of the current filament in the Nozzle is ruled out by the repulsive force of two conductors with current flowing in opposite directions.

Somit wird als besonderer Effekt der Lichtbogen als solcher auch ohne weitere äußere Einrichtung in die Düse 2 hineingedrückt und damit gelängt, ein Effekt, der u. U. allein schon eine Lichtbogenlöschung bewirken kann, zumindest jedoch die durch Gasströmung hervorgerufene Lichtbogenlöschung sehr wirkungsvoll unterstützt. Bei der durch den Lichtbogenstaudruck hervorgerufenen Düsenverstopfung kann zwar - wie oben angegeben - ein einzelner Stromfaden nach außen aufgeschleift werden, diese Schleife weitet sich jedoch niemals aus, sie kehrt vielmehr bei nachlassender Dichtwirkung des Druckballes wieder in die gewünschte Bahn zurück.Thus, as a special effect, the arc as such is pressed into the nozzle 2 even without any further external device and with that, an effect that can cause an arc extinction on its own, at least however, the arc quenching caused by gas flow is very effectively supported. In the case of the back pressure caused by the arc Blockage of nozzles can - as stated above - be looped open to the outside, this However, the loop never expands, rather it returns when the sealing effect of the pressure ball decreases the desired path back.

Ist der Lichtbogen auf solche Weise voll stabilisiert, dann kann man bedenkenlos die Düse 2 so ausbilden, daß zu einer Lichtbogenlöschung eine jetzt gewollte Düsenverstopfung die Aufgabe des eingangs beschriebenen Ventiles ausführt, eines Ventiles mit vielfältigen Aufgaben, das praktisch keine Bauelemente aufweist.If the arc is fully stabilized in such a way, then you can safely train the nozzle 2 so that to an arc extinguishing, a now wanted nozzle blockage performs the task of the valve described above, a valve with a variety of tasks that has practically no components.

Ein weiterer erheblicher Vorteil dieser Einrichtung besteht darin, daß nunmehr die Wandung der Druckkammer 4 aus Metall besteht, das ohnehin elektrisch leitend ist, und dem ein unter Umständen durch Lichtbogeneinwirkung entstehender isolationsmindemder Belag nichts ausmacht. Da diese Wandung ein Bestandteil des äußeren Kammerrohres ist, kann sie vorteilhaft die ihr aufgestrahlte Lichtbogenwärme direkt nach außen abgeben. In diesem Zusammenhang seien noch die aufwendigen Maßnahmen erwähnt, die bei Hochspannungs-Leistungsschaltern normalerweise getroffen werden, um isolierte Wandungen in Lichtbogenbereich zu schützen.Another significant advantage of this device is that the wall of the pressure chamber 4 consists of metal, which is electrically conductive anyway, and the one under certain circumstances by the action of an arc the resulting insulation-reducing coating does not matter. Since this wall is part of the outer chamber tube it can take advantage of the radiated arc heat deliver directly to the outside world. In this context, the complex measures should be mentioned that high-voltage circuit-breakers are normally taken to be insulated walls in the arc area to protect.

Schließlich wird noch auf die besonders günstige Auf-Finally, attention is drawn to the particularly favorable

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lockerung des elektrischen Feldes bei ausgeschaltetem Schalter hingewiesen, dessen Vorteil, insbesondere in Hinsicht auf Überspannungen nicht besonders erwähnt zu werden braucht.Loosening of the electrical field when the switch is switched off, its advantage, especially in There is no need to specifically mention overvoltages.

Eine gute Stabilisierung des Lichtbogens ist naturgemäß nur dann gegeben, wenn die Schleifen der einzelnen Stromfäden erstens auf Ebenen verlaufen, die sich in der Zentralachse schneiden, d.h. in dem äußeren Mantel müssen sie parallel zueinander und zur Zentralachse verlaufen, außerdem müssen sie in jedem Querschnitt senkrecht zur Zentralachse die gleiche Dichte aufweisen.A good stabilization of the arc is naturally only given when the loops of the individual current filaments firstly run on planes that intersect in the central axis, i.e. in the outer jacket they must run parallel to each other and to the central axis; in addition, they must be perpendicular to the central axis in each cross-section have the same density.

Wenn man berücksichtigt, das in der Praxis die Stromzufuhr einseitig durch das Anschlußstück 10 erfolgt, und den Einfluß der unterschiedlichen Richtung des Stromflusses in den Nachbarpolen in die Betrachtung einschließt, dann ist die o.a. ideale Stromführung kaum durchführbar, und es bedarf einer besonderen Formgebung der Leiterteile, um auf dem Kompromißwege ausreichend gute Ergebnisse zu erzielen.If one takes into account that in practice the power is supplied through the connector 10 on one side, and the influence includes the different directions of the current flow in the neighboring poles in the consideration, then is The above-mentioned ideal current conduction is hardly feasible, and the conductor parts need a special shape in order to to achieve sufficiently good results on the compromise path.

Eine zweckmäßige Ausbildung der Erfindung ist es, den Mantel $, der zugleich einen Teil der Außenwandung des Schalterpoles darstellt, mit Kühlrippen zu versehen, die parallel in Richtung des gewünschten Stromflusses verlaufen. Auf diese Weise übernehmen sie, bedingt durch den Stromverdrängungseffekt, den Großteil des gerichteten Stromzuflusses. An expedient embodiment of the invention is to provide the jacket $, which at the same time represents part of the outer wall of the switch pole, with cooling ribs which run parallel in the direction of the desired current flow. In this way, due to the current displacement effect, they take over the majority of the directed current flow.

Sollte bei kleinen Strömen die eingangs beschriebene Lichtbogenlöschung durch elektrodynamische Lichtbogenlängung nicht ausreichen, dann können zusätzliche Löscheinrichtungen wie sie für Lastschalter bekannt sind, verwendet werden.In the case of small currents, the arc quenching described above should be achieved by electrodynamic arc elongation are not sufficient, then additional extinguishing equipment as they are known for load switches, can be used.

Wählt man zur Herstellung des Löschgasüberdruckes keine besonderen Mittel, sondern di*e Thermik des Lichtbogens selbst, dann ergibt sich als Endresultat ein äußerst einfaches, robustes Schaltgerät mit geringem Herstellungs- und Wartungsaufwand, jedoch großer Betriebssicherheit.If none is selected to produce the extinguishing gas overpressure special means, but the thermal of the arc itself, then the end result is an extremely simple, Robust switching device with low manufacturing and maintenance costs, but high operational reliability.

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Claims

TP no. 1093 Ratingen, 16. 8th 1973

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Expectations

High-voltage circuit breakers, especially gas switches, wherein the extinguishing agent flow from a pressure chamber through a nozzle forming an electrode takes place in an expansion chamber, characterized in that the nozzle with respect to on the high arcing currents to be dealt with is dimensioned so that they are affected by the arcing pressure is clogged at least temporarily and measures are provided that at least during the nozzle blockage stabilize the arc in the direction of the nozzle axis.

2.) Switch according to claim 1, characterized in that that the current through the electrodes at all times is opposite to the current supply line surrounding them is led.

3) Switch according to claim 1 and 2, characterized in that that the power supply line is designed as a waveguide and the electrodes and between concentrically surrounds separating lines formed when they are switched off.

k.) Switch according to claim 1 to 3i, characterized in that the metallic waveguide forms that part of the quenching chamber wall which is directly exposed to the arc radiation.

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5.) Schalter nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß der metallische Hohlleiter einen Teil des Außenmantels des Schalterpoles darstellt und mit Kühlrippen ausgestattet ist, die in Richtung des Stromflusses verlaufen«5.) Switch according to claim 3 and 4, characterized in that the metallic waveguide one Represents part of the outer jacket of the switch pole and is equipped with cooling fins that point in the direction of of the current flow "

6.) Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsenwandungen selbst die eine Abbrandelektrode bilden.6.) Switch according to claim 1, characterized in that the nozzle walls themselves form a consumable electrode.

7.) Schalter nach Anspruch 1 bis 6, gekennzeichnet durch die Verwendung eines Eindruckgasschalters, bei dem in Ruhe sowohl in der Druckkammer als auch in Xxpaneionsrauin der gleiche Druck eines Xsoliergases, z. b. SFg, herrscht.7.) Switch according to claim 1 to 6, characterized by the use of an indented gas switch where the same pressure of an insulating gas in rest both in the pressure chamber and in the expansion area, z. b. SFg, prevails.

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