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Elektrischer Leistungsschalter nach dem Expansionsprinzip.
Gegenstand des Stammpatentes ist ein elektrischer Leistungsschalter nach dem Expansionsprinzip, dessen Dampfkammer besondere von der Sehaltstiftöffnung getrennte Ausströmstellen für den Dampf hat, die erst bei Erreichung eines bestimmten Expansionsdruckes für die Dampfausströmung freigegeben werden.
Die Erfindung geht von der den Expansionsvorgang beschreibenden Formel
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aus, worin
K eine Konstante, v die mittlere Ausströmgeschwindigkeit des Dampfes,
F den Austrittsquerschnitt des Dampfes aus der Kammer, po den Expansionsdruck (vor Eintritt der Druckentlastung), Vo das Volumen, das der Dampf vor der Expansion einnimmt, bedeutet.
Der Expansionsdruck po ist dadurch festgelegt, dass eine Expansionskammer verwendet wird,
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Dies bedeutet, dass man zur Erzielung einer möglichst starken Druckänderung, also einer möglichst günstigen Löschwirkung bei gegebenem Expansionsdruck po die Dampfmenge möglichst klein halten muss.
Um dies zu erreichen, wird nach der Erfindung die flüssigkeitsgefüllte Kammer in der Austritts-
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der Sehaltflüssigkeit in dieser Richtung ein starker Drosselwiderstand geboten wird. Das bewegliche Schaltstück befindet sich bei Freigabe der Dampf ausströmung noch in der Austrittsöffnung in der Kammer. Infolge der starken Drosselung wird der bestimmte eingestellte Expansionsdruck in der kürzesten Zeit erreicht, d. h. unter Bildung einer nur kleinen Dampfmenge in der Kammer. Die Folge davon ist eine starke Druckänderung bei Einsetzen der Expansion und daher eine besonders günstige Löschung. Ausserdem hat diese Ausbildung den Vorteil, dass der Rauminhalt der Expansionskammer ohne Gefahr, den Dampf durch völliges Verdampfen der Flüssigkeit zu überhitzen, klein gemacht werden kann.
Bei kleiner Ausdehnung der Kammer werden ausserdem die Ausströmwege aus der Kammer kurz, ihre Stromungswiderstand also gering, was den Vorteil hat, dass man hohe Ausströmgeschwindigkeit v erzielen kann. Wenn man ausserdem die Fläche, durch welche die Expansion der Dämpfe aus der Expansionskammer erfolgt, im Verhältnis zu dem Rauminhalt des Dampfes gross macht, erzielt man nach obiger Formel eine starke Druckänderung.
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Die Erklärung für den Einfluss der Drosselung auf die zur Bildung des Expansionsdruckes erforderliche Zeit liegt in den mit der Verdrängung der Flüssigkeit aus der Expansionskammer bei der Dampfbildung zusammenhängenden Verhältnissen. Durch die sich an der Kontaktstelle bildende Dampfblase von hoher Spannung wird ein Flüssigkeitstropfen in die Undichtigkeiten der Austrittsöffnung für das bewegliche Schaltstück getrieben. Die Drosselung ist für den Widerstand massgebend, den die aus der Kammer verdrängte, dem Dampf raumgebende Flüssigkeit findet. Damit ist die Drosselung auch massgebend für den Innendruck, der sich nach der dynamischen und Widerstandsdruckhöhe der ausströmenden Flüssigkeit richtet. Je grösser sie ist, ein desto höherer Maximaldruck entsteht bzw. in desto kürzerer Zeit wird ein bestimmter Innenüberdruck erreicht.
Eine starke Drosselung kann dadurch erreicht werden, dass die Schaltstiftöffnung sehr lang und von kleiner lichter Weite gemacht wird. Der Sehaltstift kann in seiner Austrittsöffnung durch bewegliche Teile, die an den Schaltstift angepresst werden, gedichtet sein. Die Durchtrittsöffnungen für den Schaltstift in den Isolierwänden der Kammer begrenzt man zweckmässig von einem gegen den Lichtbogen beständigen Stoff, um zu erreichen, dass die Durchtrittsöffnungen für den Schaltstift trotz der Einwirkung des Lichtbogens immer eng passend bleiben. Insbesondere können bei Anwendung von senkrecht zur Lichtbogenbahn stehenden in die Kammer eingebauten Isolierwänden diese Isolierwände zweckmässigerweise aus keramischem Material hergestellt sein.
Der Schaltstiftdurchmesser wird zweckmässigerweise möglichst klein gemacht. Das Volumen des Schaltstiftes ist nämlich von besonderem Einfluss auf die Druekbildung in der Expansionskammer während der ersten Halbwelle des Wechselstromes, weil zu Beginn der Kontakttrennung der vom Sehaltstift freigegebene "tote" Raum relativ gross ist gegenüber der gebildeten Dampfmenge. Für die weitere Druckbildung bei fortschreitender Kontakttrennung kommt noch hinzu, dass der Drosselwiderstand in der Austrittsriehtung des beweglichen Schaltstiftes bei einem Sehaltstift von kleinem Durchmesser infolge der kleineren Ringfläche um einen solchen Schaltstift gross ist.
In den Figuren sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt.
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Anker 15, 16 und den Flansch 17 Druekfedern 19, 20 eingeschaltet sind. 22 ist das feststehende Tulpenschaltstück, 23 der bewegliche Schaltstift. 24 ist die Austrittsöffnung für den beweglichen Sehaltstift.
In einer ringförmigen Ausnehmung des Teils 12 der Expansionskammer sind segmentförmige bewegliche Teile 25, 26 rund um den Schaltstift 23 angeordnet. Sie werden durch Druekfedern 27, 28 gegen den Sehaltstift gepresst und dichten die Austrittsöffnung ab. Der Innenraum der Expansionskammer ist mit Schaltflüssigkeit gefüllt. Die Expansionskammer ist dabei in einem die Schaltflüssigkeit enthaltenen Behälter angeordnet, so dass sie sieh nach der Abschaltung wieder mit Flüssigkeit füllt. In ihrem Untfiteil können zu diesem Zweck kleine Öffnungen 29 vorgesehen sein.
In der gezeichneten Stellung des Schaltstiftes hat der Schaltlichtbogen bereits eine solche Dampfmenge pro Zeiteinheit verdampft, dass der Innenüberdruck in der Expansionskammer die Kraft der Druckfedern 19, 20 überwunden hat. Die sich an der Kontaktstelle bildende Dampf blase drängt nämlich bei geschlossener Kammer einen Flüssigkeitspfropfen in die enge und lange Austrittsöffnung 24, die ausserdem noch durch die an den Sehaltstift angepressten Teile 25, 26 gedichtet ist. Dieser Flüssigkeitpfropfen findet bei der sehr hohen Geschwindigkeit, die er annehmen muss, um der Dampfblase Raum zu machen, einen so hohen Widerstand, dass die Dampfspannung im Innern der Kammer rasch auf den der Federspannung entsprechenden Wert anwächst.
Nun geben die Federn nach, der Teil 12 hebt sich vom Teil 10 ab, es entsteht eine grosse ringförmige Expansionsöffnung 30, durch welche der Dampf aus der Umgebung des Lichtbogens plötzlich expandiert. Dabei findet er einen verhältnismässig kleinen Strömungswiderstand, weil die Flüssigkeit den grossen Expansionsspalt nicht verstopfen kann. Infolge der plötzlichen Expansion des Dampfes in der Umgebung des Lichtbogens erlischt der Lichtbogen in dem Augenblick, wo er durch den Stromnullwert geht.
Fig. 2 stellt ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung dar.
Die Expansionskammer besteht aus einem zylindrischen Teil 31 und aus den aufeinandergesehich-
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Schaltstift.
Die Platten 32 und 34, die eng an den Schaltstift herantreten, bilden eine starke Drosselung für die Schaltflüssigkeit längs des ganzen Sehaltstiftweges. Wird ein Lichtbogen von grosser Leistung unterbrochen, dann kommt nur der unterste Teil der Kammer zur Geltung, weil sich dann der Druck bereits bei einem kurzen Lichtbogen, d. h. kleinem Kontaktweg, gebildet hat. Es hebt sich dann der unterste Ring 32 ab und bildet die ringförmige Expansionsöffnung zwischen dem Mantel 34 und dem Ring. 32. Bei Unter-
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Abheben eines der oberen Ringe 32, weil sich die erforderliche Dampfspannung in einer der oberen Taschen ausbilden wird, die zwischen je zwei Ringen. 32 liegen.
In jedem Fall ist die Drosselung gross, so dass der nötige Dampfdruck in der möglichst kürzesten Zeit entsteht. Auch die Kammer nach Fig. 2 ist in einem mit der Sehaltflüssigkeit gefüllten Behälter angeordnet zu denken, so dass ihr Innenraum vollständig mit Schaltflüssigkeit gefüllt ist.
Als Schaltflüssigkeit kann man mit Vorteil Wasser oder eine andere nicht brennbare Flüssigkeit verwenden. Bei hohen Spannungen und bei Anordnung der Kammer mit der Öffnung nach unten ist es vorteilhaft, eine Isolierflüssigkeit anzuwenden.
In den Fig. 3 und 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt.
Die Dampfkammer besteht aus dem oberen Teil 110 und dem unteren Teil 111, welche beide aus einem Faserstoffisoliermaterial hergestellt sind. In dem unteren Teil ist das feststehende Schaltstück 112
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für den Schaltstift. Die Teile der Dampfkammer werden durch die Bolzen 117 federnd zusammengehalten.
Die Bolzen sind zu diesem Zweck mit ihrem oberen Ende bei 118 in dem oberen Teil der Kammer verschraubt und besitzen an ihrem unteren Ende Anschläge 119. Die starken Spiralfedern 120 stützen sich gegen den Flansch des Teiles 111 der Dampfkammer und drücken die Bolzen nach unten. Die Dampfkammer ist mit einer Flüssigkeit, beispielsweise Wasser, gefüllt.
Dieser Schalter wirkt auf folgende Art und Weise :
Wenn der Schaltstift 114 nach oben bewegt und der Kontakt geöffnet wird, entsteht ein Lichtbogen zwischen dem Schaltstift 114 und dem festen Schaltstück 112, der die in der Dampfkammer befindliche Flüssigkeit verdampft. Da die Öffnung 116 eng um den Schaltstift passt und daher, solange sich der Schaltstift in ihr befindet, eine starke Drosselung für den im unteren Teil der Kammer entwickelten Dampf bildet, erlangt dieser Dampf rasch eine hohe Spannung.
Ist die unterbrochene Leistung genügend gross, um zu bewirken, dass die Dampfspannung in der Zeit, während sich der Schaltstift noch in der Öffnung 116 der Zwischenwand 115 befindet, grösser wird als die Kraft der Feder 120, dann wird die Isolierwand 115 nach oben abgehoben, es bildet sich also ein ringförmiger Spalt, aus dem der gespannte Dampf mit grosser Geschwindigkeit expandiert. In dem Augenblick, in welchem der Lichtbogenstrom während dieser Expansion durch seinen Nullwert hindurchgeht, wird der Lichtbogenraum entionisiert und dadurch der Lichtbogen zum Erlöschen gebracht.
Ist die Lichtbogenleistung zu klein, um eine solche Dampfmenge zu entwickeln, dass die nötige Dampfspannung im unteren Teil der Dampfkammer entsteht, während sieh der Sehaltstift 114 noch in der Zwischenwand 115 befindet, dann wird der Lichtbogen durch die Öffnung 116 hindurchgezogen. Die zur Öffnung der Dampfkammer erforderliche Dampfspannung entsteht also erst, während sieh der Schaltstift 114 im oberen Teil der Kammer befindet. Nunmehr hebt sieh der obere Teil 110 der Kammer gegen die Kraft der Federn 120 ab und lässt Dampf nach aussen expandieren. Auf jeden Fall erfolgt die Lichtbogenlöschung noch bevor der Schaltstift die Kammer durch die obere Austrittsöffnung 113 verlässt.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Elektrischer Leistungsschalter nach dem Expansionsprinzip, dessen Dampfkammer besondere. von der Schaltstiftöffnung getrennte Ausströmstellen für den Dampf hat, die bei Erreichung eines bestimmten Expansionsdruckes für die Dampfausströmung freigegeben werden, nach Patent Nr. 130534,
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