Elektrischer Leistungsschalter nach dem Expausionsprinzip. Die Erfindung betrifft einen elektrischen Leistungsschalter nach dem Expansionsprinzip, dessen Dampfkammer mindestens eine von der Schaltstiftöff nung getrennte Ausströmstelle für den Dampf hat, die bei Erreichung eines bestimmten Expansionsdruckes für die Dampf- ausströmuDg freigegeben wird. Die Expan sionslöschung erfolgt also bei einer so aus gebildeten D.ampfkammer im allgemeinen, während sich das bewegliche Schaltstück noch in der Austrittsöffnung in der Kammer befindet.
Die Erfindung geht von der den Expan sionsvorgang beschreibenden Formel
EMI0001.0008
aus, worin K eine Konstante, v die mittlere Ausströmgeschwindigkeit des Dampfes, <I>F</I> den Austrittsquersehnitt des Dampfes aus der Kammer, den Expansionsdruck (vor Eintritt der Druckeritlastung), V. das Volumen, das der Dampf vor der Expansion einnimmt, bedeutet. Der Expansionsdruck p" sei dadurch fest gelegt, dass eine Expansionskammer verwen det wird, bei der die Expansion bei Erreichung eines bestimmten Innenüberdruekes einsetzt.
Aus der Formel geht dann hervor, dass die Geschwindigkeit der Druckänderung
EMI0001.0017
zur Zeit t =: o, das ist zu Beginn der Expansion um so grösser ist,<B>je</B> kleiner unter sonst gleichen Verhältnissen das Anlangsvolumen V" des Dampfes ist.
Dies bedeutet, dass man zur Erzielung einer möglichst starken Druck änderung, also einer möglichst günstigen Lösch- wirkung bei gegebenem Expansionsdruck<B>p.</B> die Dampfmenge möglichst klein halten muss. Um dies zu erreichen, ist nach der Er findung bei einem Expansionsschalter mit einer Dampfkammer, die mindestens eine von der Schaltstiftöffnung getrennte Aus- strönistelle für den Dampf hat, die Kammer in Richtung auf den beweglichen Schaltstift zu so ausgestaltet beziehungsweise mit solchen Einrichtungen ausgerüstet, dass der Schalt flüssigkeit in der Richtung.,
in der der Schalt stift aus<U>der</U> Kammer Austritt. ein starker Drosselwiderstand geboten wird. Infolge der starken Drosselung wird der für die Licht- bogenlöschung erforderliche Druck in der kürzesten Zeit erreicht, das heisst unter Bildung einer nur kleinen Dampfmenge in der Kammer. Die Folge davon ist eine starke Druckände rung bei Einsetzen der Expansion und daher eine besonders günstige Löschung. Ausserdem hat diese Ausbildung den Vorteil, dass der Rauminhalt der Expansionskammer ohne Ge fahr, den Dampf durch völliges Verdampfen der Flüssigkeit züi überhitzen, klein gemacht werden kann.
Bei kleiner Ausdehnung der Kammer werden ausserdem die Ausströmwege aus der Kammer kurz, ihr Strömungswider stand also gering, was den Vorteil hat, dass man hohe Ausströmungsgeschwindigkeit <B>V</B> 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.
Die Erklärung für den Einfluss der Drosse lung auf die zur Bildung des Expansions druckes erforderliche Zeit liegt in den mit der Verdrängung der Flüssigkeit aus der Expansionskammer bei der Dampfbildung zu sammenhängenden Verhältnissen. Durch die sich an der Kontaktstelle bildende Dampf blase von hoher Spannung wird ein Flüssig keitspfropfen in die Undichtigkeiten der Aus- trittsöffnung für das bewegliche Schaltstück getrieben. Die Drosselung ist für den Wider stand massgebend,<B>-</B> den die<B>*</B> aus der Kammer verdrängte, dem Dampf raumgebende Flüssig keit 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, beziehungsweise 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 ge macht wird. Der Schaltstift kann in seiner Austrittsöffnung durch bewegliche Teile, die an den Schaltstift angepresst werden, gedichtet sein. Die Durchtrittsöffnungen für den Schalt stift in den Isolierwänden der Kammer be grenzt man zweckmässig durch einen gegen den Lichtbogen beständigen Stoff, um zu erreichen, dass die Durchtrittsöffnungen. für den Schaltstift trotz der Einwirkung des Lichtbogens immer eng passend bleiben.
Ins besondere können bei Anwendung von senk' recht zur Lichtbogenbahn stehenden, in die Kammer eingebauten Isolierwänden diese Isolierwände zweckmässigerweise aus kera mischem Material hergestellt sein.
Der Schaltstiftdurchmesser wird zweck- mässig#rweise möglichst klein gemacht. Das Volumen des Schaltstiftes ist nämlich von besonderem Einfluss auf die Druckbildung in der Expansionskammer während der ersten Halbwelle des Wechselstromes, weil zu Beginn der Kontakttrennung der vom Schaltstift frei gegebene "tote" Raum relativ gross ist, gegen über der gebildeten Dampfmenge. Für die weitere Druckbildung bei fortschreitender Kontakttrennung kommt noch hinzu, dass die Verdämmung bei einem Schaltstift von kleinem Durchmesser infolge der kleineren Ringfläche um einen solchen Sebaltstift gross ist.
In den Figuren sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt.
Fig. <B>1</B> zeigt eine zweiteilige Expanslons- kammer, deren Teil<B>10</B> ail dem Stromzu- führungsbolzen <B>11</B> befestigt ist und deren Teil 12 federnd mit dem Teil<B>10</B> verbunden ist, so dass er sich von dem Teil<B>. 10</B> abheben kann. DiefederndeVerbindungwird gebildet durch Schraubenbolzen<B>13,</B> 14, zwischen deren Anker<B>15, 16</B> und den Flansch<B>17,</B> Druck- federn<B>19,</B> 20 eingeschaltet sind. 22 ist das feststehende Tulpensehaltstück, <B>23</B> der beweg liche Schaltstift.
24 ist die Austrittsöffnung für den beweglichen Schaltstift. In einer ringfürmigen Ausnehmung des Teils 12 der Expansionskammer sind segmentförmige be wegliche Teile<B>25, 26</B> rund um den Schalt stift<B>23</B> angeordnet. Sie werden durch Druck federn<B>27, 28</B> gegen den Schaltstift gepresst und dichten die Austrittsöffnung ab. Der Innenraum der Expansionskammer ist mit Schaltflüssigkeit gefüllt. Die Expansionskam mer ist dabei in einem die Schaltflüssigkeit enthaltenden Behälter angeordnet, so dass sie sich nach der Abschaltung wieder mit Flüs sigkeit füllt.
In ihrer Wandung können zu diesem Zweck kleine Offnungen <B>29</B> vorge sehen sein.
-In der gezeichneten Stellung des Schalt stiftes hat der Schaltlichtbogen bereits eine solche Dampfmenge pro Zeiteinheit verdampft, dass der Innenüberdruck in der Expansions kammer die Kraft der Druckfedern<B>19,</B> 20 überwunden hat. Die sich an der Kontakt stelle bildende Dampfblase drängt nämlich bei geschlossener Kammer einen Flüssigkeits pfropfen in die enge und lange Austritts öffnung 24, die ausserdem noch durch die an den Schaltstift angepressten Teile<B>25, 26</B> ge dichtet ist.
Dieser Flüssigkeitspfropfen 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 entsprechen den Wert anwächst. Nun geben die Federn nach, der Teil 12 hebt sich vom Teil<B>10</B> nach oben ab, es entsteht eine grosse ring förmige Expansionsöffnung<B>30,</B> durch welche der Dampf aus der Umgebung des Licht bogens plötzlich expandiert. Dabei findet er einen verhältnismässig kleinen Strörnungs- widerstand, 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. <B>2</B> stellt ein anderes Ausfübrungsbei- spiel der Erfindung dar.
Die Expansionskammer besteht aus einem zylindrischen Teil<B>31</B> und aus den aufein- andergeschichteten Ringen<B>32</B> und 33. Diese bestehen ebenso wie der Mantel<B>31</B> aus Iso liermaterial. Den Abschluss bildet eine stär kere Deckelplatte 34.<B>35</B> und<B>36</B> sind Spann bolzen, deren Muttern<B>37, 38</B> in der Platte 34 liegen und zwischen deren Anker<B>39,</B> 40 und die Expansionskammer Druckfedern 41, 42 eingeschaltet sind. 43 ist das feststehende Schaltstück, 44 der Stromzuführungsbolzen, 45 ist der bewegliche Schaltstift.
Die Platten 32 und 34, die eng an den Schaltstift herantreten, bilden eine starke Drosselung für die Schaltflüssigkeit längs des ganzen Schaltstiftweges. Wird ein Lichtbogen von grosser Leistung unterbrochen, dann kommt nur der unterste Teil der Kammer zur Gel tung, weil sich dann der Druck bereits bei einem kurzen Lichtbogen, das heisst kleinem Kontaktweg gebildet hat.
Es hebt sich dann der unterste Ring<B>32</B> ab und bildet die ring förmige Expansionsöffnung zwischen dem Mantel<B>31</B> und dem Ring<B>32.</B> Bei 'Unter- breehung von Lichtbögen kleinerer Leistung dagegen entwickelt sich der Druck erst bei längerem Lichtbogen, also entsprechend grö sserem Schaltstiftweg. Dann bildet sich die Expansionsöffnung durch Abheben eines der obern Ringe<B>32,</B> weil sich die erforderliche Dampfspannung in einer der obern Taschen auswirken wird, die zwischen<B>je</B> zwei Ringen <B>32</B> liegen.
In jedem Fall ist die Drosselung gross, so dass der nötige Dampfdruck in der m6g- lichst kürzesten Zeit entsteht. Auch die Kammer nach Fig. 2 ist in einem mit der Schaltflüssigkeit gefüllten Behälter angeord net zu denken, so dass ihr Innenraum voll ständig mit Schaltflüssigkeit gefüllt ist.
Vorzugsweise werden die Expansionskam mern mit nach oben gekehrten Austrittsöff nungen des Schaltstiftes angeordnet. Auch wenn der Innenraum der Expansionskammer nicht vollständig mit Schaltflüssigkeit gefüllt ist, tritt die Drosselwirkung ein, da der unter der Flüssigkeit in der Schaltkammer gezogene Lichtbogen sofort eine Gasblase um sich entwickelt, welche einen Flüssigkeitspfropfen <B>in</B> die Austrittsöffnung treibt.
Als Schaltflüssigkeit kann man mit Vorteil Wasser oder eine andere nicht brennbare Flüssigkeit verwenden.
In den Fig. <B>3</B> und 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt.
Die Dampfkammer besteht aus dem obern Teil<B>110</B> und dem untern Teil<B>111,</B> welche beide aus einem Faserstoff-Isoliermaterial her gestellt sind. In dem untern Teil ist das feststehende Schaltstück 112 befestigt, in dein obern Teil befindet sich die Austrittsöffnung <B>113</B> für den Schaltstift 114.<B>115</B> ist eine Isolierwand aus kerarnischem Material, zum Beispiel Steingut. Sie hat eine enge Durch- trittsöffnung <B>116</B> für den Schaltstift. Die Teile der Dampfkammer werden durch die Bolzen <B>117</B> federnd zusammengehalten.
Die Bolzen sind zu diesem Zweck mit ihrem obern Ende bei<B>118</B> in dem obern Teil der Kammer ver schraubt und besitzen an ihrem untern Ende Anschläge<B>119.</B> Die starken Schraubenfedern 120 stützen sich gegen den Flansch des Teils <B>111</B> 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 be wegt und der Kontakt geöffnet wird, entsteht ein Lichtbogen zwischen dem Schaltstift 114 und dem festen Schaltstück 112, der die in der Dampfkammer befindliche Flüssigkeit ver dampft. Die Öffnung<B>116</B> passt eng um den S.chaltstift. Infolgedessen findet, solange sich der Schaltstift in der Öffnung befindet, eine starke Drosselung der Schaltflüssigkeit 8tatt, die aus dem untern Teil der Kammer durch den hier entwickelten Dampf in den obern Teil der Kammer gepresst wird.
Die starke Drosselung der Schaltflüssigkeit hat zur Folge, dass der Dampf im untern Teil der Kammer rasch eine hohe Spannung erlangt. Ist die unterbrochene Leistung genügend gross, um zu bewirken, dass die Dampfspannung in der Zeit, während welcher sich der Schaltstift noch in der Öffnung<B>116</B> der Zwischenwand <B>115</B> befindet, grösser wird als die Kraft der Federn 120, dann wird die Isolierwand<B>115</B> nach oben abgehoben, es bildet sich also ein ringförmiger Spalt, aus dem der gespannte Dampf mit grosser Geschwindigkeit expan di-ert. In dem Augenblick,
in welchem der Licht- bogenstrom während dieser Expansion durch seinen Nullwert hindurchgeht, wird der Licht- bogenraum entionisiert und dadurch der Licht bogen zum Erlöschen gebracht.
Ist die Lichtbogenleistung zu klein, um eine solche Dampfmenge zu entwickeln, dass die nötige Dampfspannung im untern Teil der Dampfkammer entsteht, während sich der Schaltstift 114 noch in der Zwischen wand<B>115</B> befindet, dann wird der Lichtbogen durch die Öffnung<B>116</B> hindurchgezogen. Die zur Öffnung der Dampfkammer erforderliche Dampfspannung entsteht also erst, während sich der Schaltstift 114 im obern Teil der Kammer befindet. Nunmehr hebt sich der obere Teil<B>110</B> der Kammer gegen die Kraft der Federn 120 ab und lässt Dampf nach aussen expandieren.
Auf jeden Fall erfolgt die Lichtbogenlöschung noch bevor der Schalt stift die Kammer durch die obere Austritts öffnung<B>113</B> verlässt.