Erfahren Sie, wie das Rückschlagventil und das Überdruckventil in der Lichtbogenlöschkammer des Selbstblas-SF6-Tankleistungsschalters funktionieren, um eine Stromunterbrechung im gesamten Bereich bei gleichzeitig reduziertem Betriebsenergiebedarf zu gewährleisten.
Anwendungsbereich: SF6-Freiluft-Leistungsschalter in Tankbauweise mit Selbstblas-Löschprinzip (thermische Expansion plus Hilfskompression), ausgestattet mit Federantrieben. Dieses Dokument entspricht der Bauart dieser Art von Löschkammer und erfüllt die technische Definition für das Selbstenergie-Löschprinzip für Hochspannungs-Wechselstromleistungsschalter.
SF6-Leistungsschalter in Tankbauweise in der Werkstatt
Bei diesem Leistungsschaltertyp dient SF6-Gas sowohl als Isolier- als auch als Lichtbogenlöschmedium. Die Löschkammer wendet das Selbstblas-Löschprinzip (thermische Expansion durch Selbstenergie + Hilfskompression) an. Sie ist in der Stützporzellan-Durchführung gekapselt und bildet die zentrale Schaltkammer des Leistungsschalters.
Zu den Hauptkomponenten gehören die Porzellan-Durchführung, der Festkontaktsockel, der feste Hauptkontakt, der feste Lichtbogenkontakt, die Düse, der Zylinder, der bewegliche Lichtbogenkontakt, der Zwischenkontakt, der untere Stützsockel und die isolierende Zugstange.
Innerhalb der Löschkammer befinden sich zwei Funktionskammern, die die Voraussetzung für das Verständnis der Ventilfunktion bilden:
Die beiden Kammern sind über Ventildurchlässe verbunden. Bei einem Öffnungsbefehl treibt die Öffnungsfeder die starren beweglichen Baugruppen, einschließlich Zylinder, beweglichem Lichtbogenkontakt und Zugstange, nach unten.
Zunächst trennt sich der feste Hauptkontakt vom beweglichen Hauptkontakt, und der Betriebsstrom wird auf die noch geschlossenen Lichtbogenkontakte umgeleitet. Danach trennen sich die Lichtbogenkontakte und erzeugen einen Lichtbogen. Ein durch die Druckdifferenz zwischen den beiden Kammern erzeugter gerichteter SF6-Gasstrom bläst den Lichtbogen und löscht ihn beim Nulldurchgang des Wechselstroms.
Rückschlagventil und elastisches Druckentlastungsventil steuern die Gasströmungsrichtung zwischen den Kammern sowie die obere Druckgrenze der Gaskompressionskammer. Sie ermöglichen eine zuverlässige Unterbrechung über den gesamten Strombereich und reduzieren den Betriebsenergiebedarf des Federantriebs.
Normenhinweis: Gemäß IEC 62271-100 müssen Leistungsschalter Vollbereichs-Unterbrechungsprüfungen bestehen, die den Nenn-Kurzschlussunterbrechungsstrom sowie kleine induktive und kleine kapazitive Schaltbedingungen abdecken. Die beiden Ventile sind kritische Komponenten zur Eliminierung der Unterbrechungstotzone.
Einbauort: Montiert am unteren Durchlass der thermischen Expansionskammer innerhalb des Zylinders. Es fungiert als Ein-Aus-Steuerelement zwischen der thermischen Expansionskammer und der Gaskompressionskammer. Es lässt nur eine Einweg-Gasströmung zu und öffnet und schließt automatisch, angetrieben durch die Druckdifferenz an seinen beiden Seiten, ohne dass eine externe Betätigung erforderlich ist.
Kernfunktion: Automatisches Umschalten der Blasgasquelle entsprechend der Höhe des Unterbrechungsstroms, Realisierung des Selbstblasens durch thermische Expansion für die Hochstromunterbrechung und des Blasens durch Hilfskompression für die Niedrigstromunterbrechung sowie Gewährleistung eines wirksamen Blasdrucks über den gesamten Strombereich.
Während der Unterbrechung eines Kurzschlussfehlers ist die Lichtbogenenergie enorm. Der Hochtemperatur-SF6-Gasstrom aus der Lichtbogenzone strömt in die thermische Expansionskammer und wird nach dem Wärmeaustausch zu nieder temperiertem Hochdruck-SF6. Wenn der Druck in der thermischen Expansionskammer höher ist als in der Gaskompressionskammer, drückt die Druckdifferenz das Rückschlagventil fest zu. Es blockiert den Gasrückfluss in die Gaskompressionskammer und schließt das durch Lichtbogenenergie erzeugte Hochdruckgas in der thermischen Expansionskammer ein.
Beim Nulldurchgang des Wechselstroms bläst das in der thermischen Expansionskammer gespeicherte Hochdruck-SF6 mit hoher Geschwindigkeit in den Kontaktspalt. Es kühlt das Plasma ab und spült es weg, stellt die dielektrische Festigkeit über den offenen Kontaktspalt schnell wieder her und schließt die Lichtbogenlöschung ab. Dies ist der Unterbrechungsmodus des Selbstblasens durch thermische Expansion.
Bei Niedrigstrombedingungen ist die Lichtbogenenergie begrenzt und der Druckanstieg in der thermischen Expansionskammer unzureichend. Die kontinuierliche Kompression während der Öffnungsbewegung bewirkt, dass der Druck in der Gaskompressionskammer höher ist als in der thermischen Expansionskammer. Der Differenzdruck drückt das Rückschlagventil auf. Das komprimierte SF6 in der Gaskompressionskammer strömt durch das Rückschlagventil in Richtung Kontaktspalt.
Beim Stromnullpunkt löscht dieser unter Druck stehende SF6-Luftstrom den Lichtbogen, was als Hilfskompressions-Blaslöschmodus bezeichnet wird.
Kurz zusammengefasst: Das Rückschlagventil fungiert als differenzdruckgesteuerter Gasquellenwahlschalter zwischen zwei Kammern. Es verriegelt, um den Eigendruck der thermischen Expansionskammer bei hohem Kurzschlussstrom aufrechtzuerhalten; es öffnet sich, um bei Niedrigstrombedingungen komprimiertes Gas aus der Gaskompressionskammer zu übernehmen. Es eliminiert die Niedrigstrom-Totzone der Abschaltung bei der Eigenenergie-Löschkonstruktion und gewährleistet eine stabile Abschaltfähigkeit vom bemessenen Kurzschlussstrom bis hin zu kleinen Schaltströmen.
Konformitätshinweis: Der in IEC 62271-100 spezifizierte Typentest umfasst die Abschaltprüfung bei mehreren Stromamplituden. Die Öffnungs-Schließ-Druckcharakteristik dieses Ventils muss alle Prüfstromstufen abdecken, um unzureichenden Blasdruck und Abschaltversagen beim Schalten bei Niedrigströmen zu vermeiden.
Einbauort: Eingebaut am Boden der Gaskompressionskammer im Inneren des Zylinders, arbeitet zusammen mit dem Gasrückführungsventil am Kammerboden.
Wichtiger Hinweis: Dieses Ventil ist NICHT das Überdruckentlastungsgerät für die Lichtbogenlöschkammer. Es ist ein betriebsmäßiges Druckregelventil, das bei jedem normalen Öffnungsvorgang aktiviert wird. Es begrenzt lediglich den Druck in der Gaskompressionskammer und wird KEINEN Druck für die thermische Expansionskammer ablassen.
Kernfunktion: Begrenzung der maximalen Reaktionskraft der Gaskompressionskammer, wesentliche Reduzierung der erforderlichen Betriebsenergie des Federantriebs, Verringerung der mechanischen Belastung der Antriebskomponenten und Verbesserung der mechanischen Lebensdauer.
Arbeitsablauf: Während des Öffnungswegs komprimiert die Abwärtsbewegung des Zylinders das SF6 in der Gaskompressionskammer kontinuierlich und der Innendruck steigt allmählich an. Wenn der Druck den voreingestellten Schwellenwert erreicht, überwindet die Gaskraft die Federvorspannung und hebt das elastische Druckentlastungsventil an.
Dann arbeitet die Gaskompressionskammer in einem Mischzustand: Das Gas wird weiter komprimiert, während überschüssiges Gas nach außen abgeleitet wird. Der Kammerdruck wird in der Nähe des kalibrierten Wertes begrenzt, anstatt unbegrenzt anzusteigen.
Der Antrieb muss der steil ansteigenden Gasreaktionskraft nicht mehr entgegenwirken, was den Bedarf an Öffnungsbetriebsenergie erheblich reduziert und die mechanische Belastung von Federn, Pleuelstangen, Rotationswellen und anderen Teilen verringert.
Kurz zusammengefasst: Das elastische Druckentlastungsventil fungiert als Druckbegrenzer und Reaktionskraftbegrenzer für die Gaskompressionskammer. Ein moderater Verzicht auf den oberen Grenzdruck der Kompressionskammer bringt eine deutliche Reduzierung der Antriebsenergie. Es passt zur Ausgangskapazität des federbetriebenen Antriebs und realisiert Produktmerkmale wie niedrigen Betriebsenergiebedarf und hohe Zuverlässigkeit.
Wichtige Unterscheidung (leicht zu verwechselnde Elemente)
| Komponente | Installationsort | Status während der Unterbrechung hoher Kurzschlussströme | Status während der Kleinstromunterbrechung | Kernfunktion |
|---|---|---|---|---|
| Rückschlagventil | Verbindungskanal zwischen thermischer Expansionskammer und Gaskompressionskammer (unterer Zylinderabschnitt) | Geschlossen; Hochdruckgas in der thermischen Expansionskammer für die Selbstblasunterbrechung zurückgehalten | Offen; komprimiertes Gas aus der Gaskompressionskammer für das Zusatzblasen zugeführt | Umschaltung der Blasgasquelle durch Differenzdruck, zuverlässige Unterbrechung für den gesamten Strombereich erreichen |
| Elastisches Überdruckventil | Boden der Gaskompressionskammer | Öffnet bei eingestelltem Druck; überschüssiges Gas der Kompressionskammer ablassen, um die Reaktionskraft des Mechanismus zu reduzieren | Öffnet bei eingestelltem Druck; überschüssiges Gas der Kompressionskammer ablassen, um die Reaktionskraft des Mechanismus zu reduzieren | Maximaldruck der Gaskompressionskammer begrenzen, Öffnungsbetriebsenergie reduzieren und den Betriebsmechanismus schützen |
Das Rückschlagventil steuert die Blasleistung zur Lichtbogenlöschung. Für Hochstrom- und Niedrigstromszenarien wählt es jeweils die Blasgasquelle zwischen der durch den Lichtbogen erzeugten Selbstenergie (thermische Expansionskammer) und der mechanischen Kompressionsenergie (Gaskompressionskammer). Es vermeidet den Totbereich beim Abschalten bei niedrigen Strömen und garantiert die Abschaltleistung im gesamten Bereich, die den Typprüfanforderungen der IEC-Norm entspricht.
Das elastische Druckentlastungsventil steuert die Belastung des Antriebsmechanismus. Es begrenzt die Gasreaktionskraft aus der Gaskompressionskammer auf einen kontrollierbaren Bereich und verhindert einen übermäßigen Energiebedarf für den Antriebsmechanismus. Daher kann die Lichtbogenlöschkammer mit einem kompakten Federspeicherantrieb mit relativ niedriger Ausgangsenergie kombiniert werden, wodurch technische Merkmale einer kompakten Bauweise, eines niedrigen erforderlichen Antriebsleistungsbedarfs und einer hohen Zuverlässigkeit erreicht werden.
Das kombinierte Zusammenspiel dieser beiden Ventile ermöglicht es der SF6-Selbstblas-Lichtbogenlöschkammer, das Konstruktionsziel zu verwirklichen, eine hervorragende Abschaltfähigkeit und einen leichten Antriebsmechanismus in Einklang zu bringen.
Ergänzender Konformitätshinweis: Die IEC 62271-100 verlangt, dass Leistungsschalter die Überprüfung der elektrischen Lebensdauer C2 und der mechanischen Lebensdauer M2 bestehen. Die Ermüdungsbeständigkeit unter wiederholten Schaltspielen für das Rückschlagventil und das Druckentlastungsventil ist ein wichtiger Bewertungspunkt bei der Typprüfung.
Das Wartungspersonal vor Ort darf die voreingestellte Federvorspannung dieser Ventile niemals verändern. Eine unbefugte Einstellung wird den Blasdruck und die Antriebsenergie des Mechanismus verändern und kann zu einem Abschaltversagen oder einer Beschädigung des Mechanismus führen.
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