Elektrischer Leistungssehalter. Die Erfindung betrifft einen elektrischen Schalter nach dem Expansionsprinzip.
Das Expansionsprinzip für die Löschung von Wechselstromlichtbögen besteht darin, dass in einer den Lichtbogen umgebenden Dampfatmosphäre eine plötzliche starke Druckverminderung, also eine Expansion des Dampfes, erzeugt wird, welche über minde- siens einen Stromnulldurchgang andauert.
Die gute Löschwirkung dieser Druckvermin-, derung kann man sich etwa damit erklären, dass im Augenblick des Stro@mnull,durchgan- ges der Dampf in der Umgebung des Licht bogens durch die heftige Expansion so stark gekühlt wird, dass er sich an den im Licht bogenpfad befindlichen elektrischen La dungsträgern kondensiert, oder an sie . an lagert. Hierdurch wird die Masse dieser La dungsträger so stark vergrössert, dass diese sich unter dem Einfluss der wiederkehrenden Spannung nicht mehr bewegen können. Der Lichtbogen bleibt dann erloschen.
Es sind nun auf diesem Prinzip beru hende Schalter bekannt geworden, bei denen die Kontakttrennung in einer mit Schaltflüs sigkeit gefüllten Kammer erfolgt, welche zu nächst während des. Dampfbildungspro-zesses so lange geschlossen gehalten wird, bis sich Dampf von hoher Spannung gebildet hat und die dann plötzlich gegen den umgebenden Raum, in dem ein niedrigerer Druck herrscht, geöffnet wird, wobei der Lichtbogen durch die heftige Expansion gelöscht wird.
Es ist schon vorgeschlagen worden, in der Schalt kammer von der Schaltstiftöffnung unab hängige Ausströmstellen für den Dampf vor zusehen, um auf diese Weise die die Expan sion steuernden Ausströmorgane nur ihrer Funktion gemäss und ohne Rücksichtnahme auf andere Funktionen bemessen; zu können.
Die Erfindung bezieht sich auf einer Schalter mit einer derartigen mit von der Schaltstiftöffnung unabhängigen Ausströ- mungsstellen ausgerüsteten Dampfkammer. Sie besteht darin, dass die Dampfkammer aua gegeneinander beweglichen Teilen aufgebaut ist, die von einer Verschlusskraft, zum Bei spiel Federkraft, zusammengedrückt und durch den Überdruck des Dampfes gelüftet werden, wobei sie unmittelbar zwischen sich die Ausströmöffnungen freilegen.
Mit dieser Ausbildung der Dampfkam mer lässt sich eine besonders gute Steuerung der Expansion erreichen, und zwar derart, dass diese sowohl ihrem Grade nach, wie auch ihrem zeitlichen Verlauf nach einen für die Löschung des Lichtbogens günstigen Ver lauf nimmt.
Es ist zweckmässig, wenn der Mantel der Dampfkammer aus gegeneinander in der Achsrichtung verschiebbaren Teilen besteht, die durch Federkraft zusammengehalten wer den und durch den Dampfdruck gelüftet werden..
Da die Expansion während des Strom nulldureUganges für die Löschung wirksam wird, und das Ansprechen der Verschlussteile im allgemeinen nicht gerade mit einem Stromnulldurchgang zusammenfällt, werden zweckmässigerweise die gegeneinander be weglichen Teile der Dampfkammer so aus gebildet, @dass die Kammer nach ihrem An sprechen auf einen bestimmten Dampfüber druck geöffnet bleibt, bis der Dampfdruck auf einen Bruchteil des Ansprechbetrages gesunken ist. Man kann beispielsweise die die Öffnungen steuernden Teile derart aus bilden, dass die.
Angriffsflächen, welche diese Teile dem Innendruck darbieten, unmittelbar nach Erreichung des Ansprechdruckes durch die dann einsetzende Anfangsbewegung die ser Teile wesentlich vergrössert werden. Die den Expansionsvorgang steuernde Wirkung des Innendruckes wird auf diese Weise im Augenblick, wo die Expansion :einsetzt, ver vielfacht. Infolge der Geschwindigkeit, mit welcher sich der Druck in der Kammer fort pflanzt, ist diese Wirkung eine augenblick liche und der vergrösserte Expansionsquer schnitt kommt daher für die Löschung voll zur Geltung.
Es ist zweckmässig, die .die Expansionsöffnung steuernden Teile dem In nendruck zugängliche Spalten öffnen zu las sen, da zur Öffnung eines Spaltes eine sehr kleine Zeit erforderlich ist und trotzdem bei entsprechend grossen Grenzflächen grosse An griffsflächen für den Druck entstehen.
Es ist zweckmässig, wenn mehrere in axialer Richtung verteilte Dampfausströ- mungsstellen im Mantel der Dampfkammer vorgesehen sind. Durch diese Ausbildung kann in kurzer Zeit ein grosser Expansions querschnitt gebildet werden und ausserdem kann die Expansion aus verschiedenen Tei len der Kammer gleichzeitig einsetzen, wo durch der Ausströmwiderstand verkleinert und der Grad der Druckverminderung be trächtlich gesteigert wird. Man kann ferner die Kammer durch parallele Isolierplatten unterteilen, welche enge Öffnungen für den Schaltstift haben und der Austrittsöffnung des Schaltstiftes aus der Kammer vorgelagert sind.
Zwischen die Isolierplatten können ringförmige Elemente eingeschaltet werden, so dass die Dampfkammer aus Einzelkam mern aufgebaut ist, deren jede ihre eigenen Ausströmstellen hat, welche sich durch Ab heben der Isolierplatten vom Ringelement bilden.
Die Zeichnung stellt Ausführungsbei- spiele d:es Erfindungsge:genstand:es dar.
In Abb. 1 besteht die Expansionskam mer, das heisst die Dampfkammer, aus dem Metallgefäss 10, das .einen dicken Flansch 11 hat und aus einem Isolierdeckel 14. Der Isolierdeckel wird durch die Spannbalzen 12. 13 mit dem Gefäss 10 verbunden. Die Spann bolzen stützen sich mittelst Teller 15, 16 gegen Federn 17, 18, die sich ihrerseits gegen den Flansch 11 abstützen und können in Bohrungen dieses Flansehies gleiten.
Der Deckel 14 ist mit einer Dichtungsleiste 19 ausgerüstet. 20 ist ein Stützisolator, auf dem die Expansionskammer befestigt ist. 21 ist das feststehende Schaltstück, 22 der Schaltstift, der durch eine entsprechende Öffnung im Deckel 14 hindurchgeht. 23 ist der Spiegel der Schaltflüssigkeit in der Ex pansionskammner.
Diese Expansionskammer wirkt folgen dermassen: Der nach der Kontaktöffnung unter der Schaltflüssigkeit gezogene Unterbrechungs lichtbogen. verdampft Flüssigkeit, welche je nach der Leistung des Unterbrechungslicht bogens in kürzerer oder längerer Zeit die Expansionsspannung erreicht, das. heisst einen solchen Überdruck, der hinreicht, um bei dem gegebenen Aussendruck die für die Löschung erforderliche plötzliche Druckabsenkung zu erzeugen. Der Raum, in den der Dampf ex- pandiert, kann etwa ein Kondensationsgefäss' sein, in welchem etwa normaler Atmosphä rendruck herrscht.
Die Federn 17, 18 sind nun so eingestellt, dass, sobald dieser Expan sionsdruck erreicht ist, der Deckel 14 vom Rand der Expansionskammer 10 abgehoben wird, so dass der in der Kammer befindliche Flüssigkeitsdampf durch den freigegebenen Ringquerschnitt unter dem herrschenden Druckgefälle mit grosser Geschwindigkeit ausströmt, so dass sich beim Stromnulldurch- gang der durch die Expansion gekühlte, da her übersättigte Dampf an den im Licht bogenpfad befindlichen elektrischen La dungsträgern kondensiert und dadurch die Löschung des Lichtbogens bewirkt.
Für die Geschwindigkeit der Druckverminderung bei der Expansion ist auch die Geschwindigkeit massgebend, mit welcher der Expansionsquer schnitt geöffnet wird. Um eine möglichst plötzliche Öffnung zu erreichen, sind die zu sätzlichen Druckflächen zwischen Flansch 11 und dem überstehenden Teil des Deckels 14, und um eine Vorausströmung vor der Errei chung des Expansionsdruckes zu vermeiden, ist die Dichtungsleiste 19 am Deckel vor- ,(-)"(,Sehen. Die Dichtungsleiste verhindert das Ausströmen des Dampfes durch die immer vorhandenen LTndichtigkeiten und damit ein vorzeitiges Abheben,
welches durch die Un- diehtigkeitsverluste bewirkt werden könnte. Die Expansion setzt daher in vollem Masse in dem Augenblick ein, wenn beim Abheben des Deckels die untere Kante der Dichtungs leiste die Oberkante des Flansches. 11 er reicht. In diesem Augenblick ist nun ein ringförmiger Spalt zwischen Flansch 11 und Deckel 14 geöffnet, der sofort von dem ge spannten Dampf gefüllt wird.
Die Dampf spannung wirkt von diesem Augenblick an auf eine um diese Ringfläche vergrösserte An griffsfläche, so dass der Deckel 14 mit ver vielfachter Kraft in die Höhe getrieben wird und rasch einen verhältnismässig grossen Ringquerschnitt für die Expansion freigibt. Gleichzeitig wird durch diese Vergrösserung der Angriffsfläche für den gespannten Dampf verhindert, dass sich der Deckel unter der Wirkung der Federn 17, 18 nach einer geringen Absenkung des Druckes wieder schliesst.
Erst wenn der Dampfdruck auf einen Bruchteil des Betrages gefallen, ist, den er bei der Öffnung des Expansionsquerschnit tes hatte, reicht die Federkraft aus, den Dek- kel wieder auf die Expansionskammer 10 aufzusetzen.
Gemäss Abb. 2 weist die aus Isoliermate rial bestehende Dampfkammer 2.6 (Expan- sionskammer) einen mittelst der Stifte 27, 28 an ihr befestigten Metallring 29 auf. Dieser Metallring ist am Boden des Kondensations gefässes 25, der auch den Boden der Dampf kammer bildet, durch die Schrauben 30, 31 befestigt. In dem Ringflansch sind für die Schraubenbolzen solche Öffnungen vorge sehen, dass der Ring 29 mitsamt der Lösch kammer auf den ,Schraubenbolzen nach oben gleiten kann.
Federn 32, 33 die sich gegen die Schraubenköpfe und dem Ringflansch abstützen, drücken die Löschkammer in der Ruhelage nach unten gegen die Sitzfläche am Boden. 34 ist das feststehende Schalt stück, 3'5 ist der bewegliche Schaltstift, 36 ist der Spiegel der Schaltflüssigkeit, welche innerhalb und ausserhalb der Expansions kammer im Kondensationsgefäss 25 gleich hoch steht, da die beiden Gefässe durch eine kleine (Öffnung 37 miteinander kommunizie ren.
Die Öffnung 37 ist so klein, dass der Druckverlust, der durch das Ausströmen aus ihr bei der Dampfbildung stattfindet, keine Rolle spielt. 38 ist eine Dichtungsleiste, die der Dichtungsleiste 19 im vorhergehenden Ausführungsbeispiel entspricht. Diese Ex pansionskammer wirkt ähnlich der im vori gen Ausführungsbeispiel geschilderten, mit dem Unterschied, dass' der Dampf aus der Kammer nicht unmittelbar in den Gasraum des umgebenden Kondensationsgefässes 25 expandiert, sondern durch die Schaltflüssig keit hindurch, die den untern Teil von 2,5 füllt.
Die Expansion wird durch die inten sive Kühlung, unter Kondensation des aus strömenden Dampfes in der umgebenden Flüssigkeit wirksam unterstützt.
Die Expansionskammer nach Abb. 3 be steht aus einem Isoliergefäss, dessen Zylin derwandung teilweise aus Ringen zusammen gesetzt ist, welche sich in Richtung der Zy linderachse gegeneinander bewegen können. Das Zylindergefäss ist mit dem an einem Iso lator 40 befestigten Isolierboden 41 verbun den und besteht aus dem kurzen Isolierzylin- der 42 der mit dem Boden 41 und dem Iso- lierring 43 fest verbunden ist und den lose aufeinandergeschichteten Isolierringen 44 bis 48 mit den dazwischenliegenden scheibenarti gen,
parallelen Isolierplatten 49, die die Dampfkammer in Einzelkammern untertei len. 50 ist der Deckel der Kammer, der eben falls aus Isoliermaterial besteht und die Öff nung 51 für den Schaltstift 52 hat. Der Deckel 50 ist durch die in ihm verankerten Spannbolzen 53, 54 mit dem Boden 41 ver bunden. Die Spannbolzen können im Boden 41 gleiten und sind mit Isolierhülsen 55, 56 umgeben und halten zwischen sich die Ringe 44 bis 48 und die Platten 49 fest.
Gegen die Teller 57, 58 der Bolzen 53, 54 stützen sich die Federn 59, 60, welche die Bolzen nach unten ziehen und dadurch die Expansions- kammerringe, die Platten und den Deckel zusammenpressen. 61 ist das feststehende Schaltstück. 62 ist der Boden des die Expan sionskammer umgebenden Flüssigkeitsbehäl ters (Kondensationsgefäss), der durch die Öffnung 51 für den Schaltstift mit der Schaltkammer kommuniziert, 68 ist der Spie gel der Schaltflüssigkeit.
Diese Expansionskammer wirkt. folgen dermassen: Nach der Kontaktöffnung kann sich in der vollständig gefüllten Expansionskammer unterhalb des kritischen Druckes nur dann Dampf entwickeln, wenn Flüssigkeit durch die Undichtigkeiten der Kammer nach aussen gedrängt wird. Der Dampfdruck richtet sich daher einerseits nach dem Strömungswider stand der Undichtigkeiten (hauptsächlich der Schaltstiftöffnung) und er wird anderseits den Expansionsdruck je nach der Leistung des Lichtbogens, wodurch die sekundlich er zeugte Dampfmenge bedingt ist, früher oder später erreichen. Der nach der Kontaktöff nung entstehende Dampfdruck wirkt zu nächst nur auf den kleinen Innendurchmes ser "d" der Kammer.
Bei grosser Schalt leistung wird die Dampfspannung schon nach einem kurzen Weg des Schaltstiftes die Ex pansionsspannung erreichen, beispielsweise dann, wenn die Schaltstiftspitze die unterste Platte 49 erreicht hat. Der Schaltdampf füllt also nur den untersten Teil der Kammer. Die Federn 59, 60 sind so bemessen, dass die vom Expansionsdruck auf die Kreisfläche vom Durchmesser "d" ausgeübte Kraft ihre Ge genkraft überwindet; mithin wird die un terste Platte 49 nach oben bewegt. Der Ring 44 lockert sich, indem die Bolzen im Boden 41 gleiten und die Federn 59, 60 zusammen drücken. Da der im untern Teil der Kam mer befindliche Dampf zunächst die Ring spalten, die sich zu beiden Seiten des.
Ringes 44 bilden, füllen wird und die entstehenden Ringspalten durch die dem grösseren Durch messer "D" entsprechend vergrösserte Kraft erweitert werden, bleiben die obern Ringe 45 bis 48 aufeinandergepresst und der Expan- sionsiquerschnitt öffnet sich also im wesent lichen nur im untern Teil der Kammer in Form von zwei Ringspalten. Aus diesen ex pandiert der Dampf sehr rasch durch die vorgelagerte Plüssigkeit hindurch in den um gebenden Raum.
Auch hier wird also durch die zusätzliche Spaltfläche die auf die Ver grösserung des Expansionsquerschnittes hin wirkende Kraft, welche die nebeneinander liegenden ringförmigen .Scheiben voneinander zu entfernen sucht, im Sinne .einer raschen Expansion vergrössert.
Bei Unterbrechung kleiner Leistungen wird der Schaltstiftweg länger sein müssen, um die sekundlich erzeugte Dampfmenge durch die grössere Lichtbogenlänge in dem Masse zu steigern, wie es für die Erreichung des Expansionsdruckes erforderlich ist. In folge des grösseren Schaltstiftweges werden :ich auch die mittleren und obern Teile der Kammer mit Dampf füllen.
In diesem Falle wird bei Erreichung des Expansionsdruckes der Dampf aus allen Teilen der Kammer in die Spalten, die sich zwischen den Ringen 44 bis 48 und den Platten 49 bilden, eindrin gen, die Spalten werden mehr oder weniger gleichmässig geöffnet und die Expansion er folgt somit durch viele Ringquerschnitte aus allen Teilen der Kammer. Da hierdurch ein besonders grosser Gesamtquerschnitt für die Expansion freigegeben und ausserdem der Dampf unter Überwindung kleinster Wider stände ausströmen kann, ist die Druckabsen kung besonders kräftig. Die Platten 49 kön nen auch so ausgeführt werden, dass ihr In nendurchmesser gleich demjenigen der Ringe 44 bis 48 ist.
Sie sind in dem gezeichneten Ausführungsbeispiel jedoch bis unmittelbar an den Schaltstift herangeführt, das heisst die Öffnungen für den Schaltstift sind so eng, dass der Aus:strömungswiderstand für die dem .Schaltstift nachfolgende Flüssigkeit sehr stark vergrössert wird, und dass, wenn sich der Schaltstift in den Öffnungen befin det, eine gute Dichtung der einzelnen Abtei lungen der Kammer erzielt wird.
Bei allen. Beispielen ist vorausgesetzt, dass der Expansionsvorgang bei jeder abzuschal tenden Leistung bereits vollendet ist, bevor der Schaltstift die Öffnung in der Expan sionskammer verlässt. Als Schaltflüssigkeit kommen alle Flüs sigkeiten in Frage, die unter der Einwirkung des Lichtbogens kondensationsfähigen Dampf bilden, also Wasser, Öl oder dergleichen..