METHOD OF EXTINGUISHING THE ARC IN HIGH-VOLTAGE HIGH-POWER CIRCUIT BREAKERS

Abstract: 1. A method of extinguishing the arc in high voltage high power circuit breakers comprising the following steps : (A) momentarily generating an electrically highly conductive high pressure plasma by means of a free-floating piston (2) in a compression tube (3), (B) opening the switch contacts and taking up the current by the high pressure plasma, and (C) extinguishing the switching arc in relieving the high pressure plasma by reversal of the direction of movement of the freely floating piston (2) (Figs. 1, 3).

Description: Verfahren zllm Löschen des Lichtbogens in Hochspannungs Hochleistungsschaltern Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Löschen des Lichtbogens in Rochspannungs-Hochleistungsschaltern, bei dem zumindest zum Zeitpunkt der Trennung der Schaltkontakte in der Schaltkaiiinier' des Hochspannungs-Eoch- leistungsschalters mit höheren Drücken gearbeitet wird. Zum Löschen des beim Ausschalten hoher Ströme entstehenden Lichtbogens sind Verfahren bekannt, die simultan zum Trennvorgang der Schaltkontakte eine mit einer Strömung verbundene Druckerhöhung in der Schaltkammer des Hochspannungsleistungsschalters bewirken, die zu einer effektiven AbkEhlung des lichtbogenplasmas, zum Verlöschen des Nicht bogens beim Nulldurchgang des Stromes sowie zu einer dielektrischen Verfestigung der Schaltstrecke führen soll. Dabei wird der Lichtbogen durch ein Gas oder durch Gasgemische, wie z. B. Iuft oder Schwefelhexafluorid, beströmt bzw. geblasen. Unabhängig davon, ob nun bei den bekannten Hochspaplrungsleistungsschaltern die Beblasung der Schaltstrecke vor oder nach der Trennung der Schaltkontakte einsetzt, wird das dazu erforderliche unter Druck stehende Löschgas entweder einem mit Druckgas gefüllten Behälter entnommen oder die Löschgasströmung wird durch die mit einem beweglichen Schaltkontakt der Schaltstrecke verbundenen Kolben innerhalb des Hochspannungs le istungs- schalters selbst erzeugt. Dabei nimmt das strömende Löschgas Energie aus dem Lichtbogen auf und führt sie ab. Infolge der Strömung ist zum Zeitpunkt der Spannungswiederkehr nur noch ein Bruchteil der insgesamt abgeführten Energie in der Schaltkaiiimer vorhanden. Dennoch kommt es bei höheren Spannungen zum Wiederzünden der Schaltstrecke aufgrund einer ungenügenden Verfestigung des Mediums, wodurch die Schaltspannung begrenzt ist. Nun sind zwar auch Rochspannungsleistungs- schalter bekannt, bei denen die Löschmittelströmnng mittels des Energieinhaltes des Lichtbogens selbst erzeugt wird, indem die Zersetzung von flüssigen oder festen Stoffen vorgesehen ist, aber es hat sich gezeigt, dass auch bei diesen sowie bei allen anderen bekannten Hochspannungsleistungsschaltern es bisher nicht gelungen ist, den Strom innerhalb einer Halbwelle abzuschalten0 Weiterhin sind auch diese bekannten Rochspannungsleistungs- schalter mit dem Nachteil behaftet, dass die pro Schaltkammer abschaltbare Spannung zu gering ist. Obwohl es nach der DDaPS 79 061, H cn II, 33/6t#, auch schon bekannt ist, bei flochspannungslelstungsschaltern mit höheren statischen drücken in der Schaltkammer zu arbeiten, wobei Expansionseffekte ebenfalls berücksich- tigt werden, ist auch dieser Rochs#annungsleistungs- schalter nicht dazu geeignet, um den Strom innerhalb einer Halbwelle abzuschalten, da bei diesem Hochspan- nungsleistungsschalter nur mit hohen Drücken zur Erhöhung der Durchschlagfestigkeit in der Schaltkaamer gearbeitet wird und eine Expansion über eine verschliessbare Offnung lediglich zum schnellen Abtransport der ionisierten Teilchen genutzt werden soll. Auch hier ist die pro Schaltkammer abschaltbare Spannung zu gering. Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Die Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, löst die Aufgabe, ein Verfahren zum Löschen des Lichtbogens in Hochspannungs-Rochleistungsschaltern zu schaffen, bei dem unter Anwendung höherer Drücke in der Schaltkammer eine effektivere Abkühlung des Schaltlichtbogenplasmas und eine schnellere dielektrische Verfestigung der Schaltstrecke erreicht und der Strom innerhalb einer Halbwelle ohne Wiederzündung abgeschaltet wird, dadurch, dass ein zum Schaltzeitpunkt kurzzeitig erzeugtes, elektrisch gut leitendes Rochdruckplasma, das vorzugsweise ein Eom- pressionsplasma oder ein Stosswellenplasma ist, in der Schaltkaamer den Strom beim öffner der Schaltkontakte übernimmt, und dass danach durch Entspannung des elektrisch gut leitenden Hochdruckplasmas das Schaltlichtbogeziplasma wirksam gelöscht wird. Dabei wird zwecks Schonung der Schaltkontakte der Strom beim Öffnen der Schaltkontakte von einem eine geringere Stromdichte als im Falle der selbständigen Entladung besitzenden elektrisch gut leitenden Hochdruckplasma übernommen. In weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemassen Verfahrens wird das Kompressionsplasma als elektrisch gut leitendes Eochdruckplasma durch einen in einem Kompressionsrohr frei fliegenden Kolben erzeugt, wobei nach Erreichen der znazi- malen Kompression der frei fliegende Kolben umkehrt, wodurch das elektrisch gut leitende Hoehdruekplasma sich in der Schaltkammer entspannt und dabei abkühlt. Vorteilhaft lässt sich ein wirksames Löschen des Lichtbogens ohne Wiederzünden in einem Boehspannungs-Hoehleistungs- schalter mit einem beweglichen und einem feststehenden Schaltkontakt, und zwar beim synchronen Abschalten von Wechselströmen dadurch erreichen, dass der Kolben zum Zeitpunkt des Stromnulldurchganges axial oder radial durch Zünden einer Kartusche in das Kompressionsrohr eingeschossen, die Verbindung zwischen den Schaltkontakten zu diesem Zeitpunkt unterbrochen und anschliessend das Schalt lichtbogen- plasma aus dem Entladungsraui der Schaltkammer über ein steuerbares Ventil verdrängt wird. Das noch vorhandene Plasma wird dabei durch den Kolben stark komprimiert, so dass der Kolben nach Abgabe seiner Energie umkehrt. Beim Rücklauf des Kolbens wird über das steuerbare Ventil kaltes Isoliergas in die Schaltstrecke gesaugt und der Kolben in seine Ausgangsposition zurückgeschoben, wobei gleichzeitig Explosionsgase aus dem Kompressionsrohr abgeführt werden. Eine Steigerung der Abkühlrate des Rochdruckplasmas kann erreicht werden, wenn bei Überschreiten eines bestimmten Druckes oder in Abhängigkeit von einem Steuersignal in der Schaltkammer eine Membran oder ein Ventil geöffnet wird, durch die bzw. das eine Expansion in eine etwa auf Normaldruck befindliche Expansionskammer ermöglicht wird. Um die Durchschlagiestigkeit der SChaltstrecke zu erhöhen, wird vorteilhaft nach Unterschreiten eines vorgegebenen Druckes in der Expansionsphase ein kaltes Gas hoher dielektrischer Festigkeit in die Schaltkammer eingelassen. Somit ist das Wesen der Erfindung darin zu sehen, dass die Energieabfuhr aus dem Schaltlichtbogenplasma nicht durch ein mehr oder weniger gleichmass#ig strömendes Löschgas erfolgt, sondern durch die Entspannung eines zum Schaltbeginn elektrisch gut leitenden Rochdruckplasmas und dass die Verfestigung der Schaltstrecke durch ein sehr effekti- ves kaltes Treib- und Restgas bewirkt wird, das in die Schaltkwnmer einströmt, wenn der Druck in der Schaltkaamer infolge der Entspannung des elektrisch gut leitenden Hochdruckplasmas unter den Druck in einem Löschgasbehälter gesunken ist. Das Unterbrechen der Verbindung bei Stromnulldurchgang durch den im Kompressionsrohr frei fliegenden Kolben, der aweckmassigerareise mit isolierendem Material gegen thermi sche und Strahlungsbelastung versehen sein sollte, setzt zum Löschen des Schaltlichtbogenplasmas nicht zwingend die Erzeugung eines elektrisch gut leitenden Rochdruckplasmas gemäss dem erfindungsgemässen Verfahren voraus¯ Damit entfällt auch ein grosser Energiespeicher, um den Kolben über ein hochgespanntes Treibgas zu beschleunigen. Ein weiteres Merkmal des erfindungsgemässen Verfahrens ist in diesem Zusammenhang darin zu sehen, dass die Spannungsfestigkeit sich mit einem im Kompressionsrohr frei beweglichen Schaltkontakt gegenüber einem im Kompressionsrohr beweglich angeordneten Schaltkontakt in herkömmlicher Ausf¯uhrung wesentlich günstiger gestalten lässt, da selbst bei kleinem Rohrdurchmesser der nunmehr frei bewegliche Schaltkontakt praktisch beliebig weit ausgefahren werden kann, was im anderen Falle nur durch grösseren Rohrdurchmesser zu erreichen wäre. Wird dagegen bei dem erfindungsgemässen Verfahren als elektrisch gut leitendes Rochdruckplasma das Stosswellen- plasma zur Anwendung gebracht, so wird dieses vorzugs- weise durch das Sprengen einer Membran vor dem Treib- gastank einer als Membranstossrohr ausgebildeten Schaltkammer verursacht, nach dessen Vorbeiführung an den Schaltkontakten mit dem Eintreffen der hinteren Kontakt- fläche des Stosswellenplasmas die Temperatur des Stoss wellenplasmas und damit auch seine Leitfähigkeit sprunghaft abnimmt. Dabei fällt die Temperatur unter Raumtemperatur. Das bedeutet fur die elektrische leitfähigkeit eine Abnahme um mindestens acht Grössenordnungen. Dar zwischen den sich öffnenden Schaltkontakten brennende Lichtbogen kann auf diese Weise sehr wirkungsvoll gelöscht werden. Im folgenden wird die Erfindung anhand von drei Busfüh- rungsbeispiele darstellenden Zeichnungen naher erläutert; Es zeigen Figur 1 in schematischer Darstellung einen Rochspannungs Hochleistungsschalter, bei dem das elektrisch gut leitende Rochdruckplasma durch einen frei fliegenden Kolben erzeugt wird, Figur 2 ebenfalls in schematischer Darstellung einen Hoch spannungs-Hochle istungs schalter, bei dem das Stosswellen-- plasma als elektrisch gut leitendes Hochdruckplasma durch das Sprengen einer Membran vor dem Treibgastank verursacht wird, wobei gleichzeitig die Temperaturverteilung zur Zeit tl dargestellt wird und Figur 3 eine weitere schematische Darstellung eines Hochspannungs-Hochleistungsschalters im Schnitt, bei dem die Verfahrens stufen a - e den Verfahrbnsablauf zur Löschung des lichtbogenplasmas durch einen frei fliegenden Kolben im Kompressionsrohr bei einer beweglichen Anordnung eines der Schaltkontakte charakterisieren. Bei dem in Fig. 1 dargestellten Zochspannungs-Hochleistungs- schalter wird in einer Schaltkammer 1 wenige -ms nach Erhalt eines Steuersignals durch schnelle Xompression des Schalt kaamergases mit Hilfe eines drackgetriebenen, frei fliegenden Kolbens 2 innerhalb eines Kompressionsrohres 3 ein elektrisch gut leitendes Rochdrackplasma erzeugt, das den Strom beim Öffnen der Schaltkontakte 4 übernimmt, und zwar mit einer geringeren Stromdichte als im Falle der selbstän- digen Entladung. Nach-Erreichen der nia:imalen Kompression kehrt der frei fliegende Kolben 2 um. Das elektrisch gut leitende Hochdruckplasma in der Schaltkammer 1 entspannt sich und kühlt dabei ab. Eine Steigerung der Abkühlrate wird erreicht, wenn beispielsweise bei Überschreiten eines bestimmten Druckes in der sschaltkammer 1eine Membran 5 geöffnet wird, die die Expansion in eine Expansionskammer 6 erlaubt, die sich auf Normaldruck befindet. Sofl die Durchschlagfestigkeit der Schaltstrecke erhöht werden, so wird nach Unterschreiten eines ;vorgegebenen Druckes in der Expansionsphase ein kaltes Gas hoher dielektrischer Festigkeit über die Rohrleitung 7 in die Schaltkammer 1 eingelassen. Der Antrieb für den frei fliegenden Kolben 2 kann durch einen Rochdr':ickgasstoss aus einem Treibgastank 8 oder aber durch Zündung einer nicht weiter dargestellten, mit Pulver gefüllten Kartusche bewirkt werden. Gemäss dem Hochspannungs-Hochleistungsschalter nach Fig. 2 läuft wenige ms nach Erhalt eines Steuersignals ein StoB wellenplasma 9 durch die Schaltkammer 1, das durch das Sprengen der Membran 10 vor dem Treibgastank8 der Schaltkammer 1 verursacht wurde. Dabei ist die Schaltkammer 1 als Membranstossrohr ausgebildet, so dass das Stosswellenplasma 9 nicht zunichte gemacht wird. Dadurch wird für eine bestimmte Zeit, und zwar bis zum Eintreffen der hinteren Kontaktfläche 11 des Stosswellenplasmas 9, ein elektrisch gut leitendes Rochdruckplasma an den Schaltkontakten 4 vorbeigeführt; Mit dem Eintreffen der hinteren Kontaktfläche 11 nimmt die Temperatur des elektrisch gut leitenden Hochdruckplasmas, wie der Temperaturverteilung zu entnehmen ist, und damit auch seine Leitfähigkeit sprunghaft ab, und zwar derart, dass die Temperatur unter Raumtemperatur fällt. Indem das eine Ende 12 der als Membranstossrohr ausgebildeten Schaltkammer 1 mit einem i > ämpfungsgefäss 13 in Verbindung steht, wird verhindert, dass eine reflektierte Stosswelle zur Schaltkammer 1 zurück- kehrt. Die Dauer der Phase hoher Leit±higkeit kann durch die Wahl der Drucke und der Gasarten für das Treibgas und das Restgas sowie durch die Wahl der Entfernung der Schai#kammer 1 von der Membran 10 bestimmt werden. Der hohe Druck, der für den Treibgastank 8 benötigt wird, muss entweder ständig aufrecht erhalten werden, oder er kann durch starke, kurzzeitige elektrische Entladung er zeugt werden. Gemäss Eigo 3 wird nach Erhalt eines Steuersignals ein Kolben 2 aus isolierendem Material axial zur Anordnung der Schaltkontakte 4 durch Zündung einer Kartusche 14 eingeschossen - Verfahrensstufe a - derart, dass er zum Zeitpunkt des Stromnulldurchganges die Entladungsstrecke erreicht - Verfahrens stufe b - . Dadurch wird das Schaltlichtbogenplasma 15 aus dem Entladungsraum über ein steuerbares Ein- und Auslassventil 16 verdrängt - Verfahrensstufe c - . Dazu muss der Spalt zwischen dem Kolben 2 und der Rohrwand des Kompressionsrohres 3 hinreichend klein sein und die Länge des Kolbens 2 muB so bemessen sein, dass die dielektrische Belastung getragen werden kann0 Dazu ist es erforderlich, dass das Kompressionsrohr 3 aus elektrisch nicht leitendem Material besteht. Das in einem bestimmten Restvolumen verbleibende Plasma wird stark komprimiert - Verfahrens stufe d - , so dass der Kolben 2 nach vollständiger Abgabe seiner Energie umkehrt, Dabei saugt er kaltes Gas über das steuerbare Ein- und Auslass- ventil 16 an und hinterlässt so in der Schaltstrecke ein hinreichend gut isolierendes Medium. Durch das Kaltgas wird der Kolben 2 wieder in seine Ausgangslage gebracht und dort arretiert, gleichzeitig werden Explosionsgase aus dem Kompressionsrohr 3 über ein steuerbares Auslassventil 17 abgeführt - Verfahrensstufe e - . Es wird zugleich das Magazin weitergestellt, das die Kartuschen 14 zum Kolbenantrieb enthält. Die dem Schaltlichtbogenplasma 15 zugewandte Seite des Kolbens 2 m1B eine 8ch¯tz- schicht gegen thermische und Strahlungseinflüsse tragen. In der hier erläuterten Variante mit axialem Einschuss kann die Kolbenbewegung zur Verschiebung des beweglichen Schaltkontaktes der Schaltkontakte 4 ausgenutzt werden bzw. die Verschiebung unterstützen.

Claims: Patentanspruches 1. Verfahren zum Löschen des Lichtbogens in Hochspan nungs-Hochleistungsschaltern, bei dem zumindest zum Zeitpunkt der Trennung der Schaltkontakte in der Schaltkammer des Hochspannungs-Rochleistungsschalters mit höheren Drücken gearbeitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein zum Schaltzeitpunkt kurzzeitig erzeugtes, elektrisch gut leitendes Hochdruckplasma, das vorzugs- weise ein Kompressionsplasma oder ein StoBuellen- plasma (9) ist, in der Schaltkammer (1) den Strom beim Öffnen der Schaltkontakte (4) übernimmt und dass danach durch Ent#anxwng des elektrisch gut leitenden Hoch druckplasmas das Schalt lichtboge nplaszna wirksam ge löscht wird. 2. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Strom beim Öffnen der Schaltkontakte (4) von einem eine geringere Stromdichte als im Falle der selbständigen Satladung besitzenden elektrisch gut leitenden Bochdruckplasma übernommen wird. 3. Verfahren nach Patentanspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kompressionsplasma als elektrisch gut leitendes Hochdruckplasma durch einen in einem Kompressions- rohr (3) frei fliegenden Kolben erzeugt wird und dass nach Erreichen der maximalen Kompression der frei flie gende Kolben #(2) umkehrt. 4. Verfahren nach Fatentanspruch 1 bis 3, dadurch dass der Kolben (2) unmittelbar beim Stromnulldurch- gang axial oder radial durch Zünden einer Kartusche (14) in die Schaltstrecke des Kompressionsrohres (3) einge schossen wird und zu diesem Zeitpunkt die Verbindung zwischen den Schaltkontakten (4) unterbricht und an schliessend das Schaltlichtbogenplasma (15) aus dem Entladungsraum der Schaltknmmer (1) verdrängt wird. 5. Verfahren nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die durch die Umkehr des frei fliegenden Kol- bens (2) erreichte Abku¯h1ung des elektrisch gut lei tenden Hochdructplasmas erhöht wird, indem bei Über- schreiten eines bestimmten druckes oder in Abhijügig- keit von einem Steuersignal#in der Schaltkammer (1) eine Membran (5) oder ein Ventil geöffnet wird, durch die bzw. das eine Expansion in eine etwa auf Normal druck befindliche Sxpansionsknmmer (6) ermöglicht wird. 6. Verfahren nach Batentanspruch 3 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass nach Unterschreiten eines vorgegebenen Druckes in der Expansionsphase ein kaltes Gas hoher dielektrischer Festigkeit in die Schaltkammer (1) eingelassen wird. 7. Verfahren nach Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet dass kaltes Isoliergas beim Rücklauf des.Kolbens (2) in die Schaltstrecke der Schaltkammer (1) gesaugt und der Kolben (2) vom Kalt gas in seine Ausgangs- position geschoben und arretiert wird und gleichzeitig Explosionsgase aus dem Kompressionsrohr (3) abgeführt werden. 8. Verfahren nach Patentanspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass dass Stosswellenplasma (9) als elektrisch gut leiten des Eochdruckplasma vorzugsweise durch das Sprengen einer Membran (10) vor dem Treibgastank (8) einer als Membranstossrohr ausgebildeten Schaltkammer (1) verur sacht wird, nach dessen Vorbeiführuag an den Schalt kontakten (4) mit dem Eintreffen der hinteren Kontakt- fläche (11) des Stosswellenplasmas (9) die Temperatur des Stosswellenplasmas (9) und damit auch seine Leit fähigkeit sprunghaft abnimmt.

Inventors: ANKE, EKKEHARD, DR.-ING., DIENEMANN, HOLD, DR. RER. NAT., HANISCH, HEINZ, DR.-ING., HESS, HELMUT, DR. SC. NAT., Hänisch, Heinz, Dr.-Ing.
Applicants: VEB ELEKTROPROJEKT UND ANLAGENBAU BERLIN
Application year: 1982
Main classification: H01H33
IPC codes: H01H33, H01H39