Es sind schon viele Vorschläge bekanntgeworden, den Druckstoss, der durch den bei dem Ausschalten des Schalters auftretenden Lichtbogen entsteht, auf das Gas in einem dem Schalter zugeordneten Speicher- oder Pumpraum einwirken zu lassen und dieses sodann zum Beblasen des Lichtbogens zu benützen. Schalter dieser Art, die allerdings eine unmittelbare Berührung der heissen Bogengase mit dem Löschgas im Speicher- oder Pumpraum vorsahen, sind beispielsweise in den Schweizer Patentschriften 143 494 und 173 516 sowie in der deutschen Patentschrift 732 879 beschrieben.
Die Erkenntnis, dass das im Speicherraum vorhandene Löschgas durch den unmittelbaren Kontakt mit den heissen Bogengasen rasch verseucht werden kann und somit das Risiko einer Rückzündung des Bogens entsteht, hat dazu geführt, dass Schalter vorgeschlagen wurden, bei denen die im Lichtbogenraum entstehenden, hochgespannten Gase einen Pumpkolben antreiben (oder zumindest den Antrieb des Pumpkolbens unterstützen), der seinerseits das im Pumpraum vorhandene Löschgas komprimiert, das sodann beispielsweise mittels einer Blasdüse den Lichtbogen bebläst. Schalter dieser, mit einem Pumpkolben ausgerüsteten Art sind in der Schweizer Patentschrift 186 647 (Fig. 4) sowie in der DT-OS 23 50 832 beschrieben. Allerdings sind bei diesen Schaltern zwei Unterbrechungsstellen vorgesehen, wobei dadurch im Zuge der Ausschaltbewegung an jeder dieser Unterbrechungsstellen ein Lichtbogen zum Zünden kommt.
Der von einem dieser Lichtbögen ausgehende Druckstoss wird zum Antrieb des Kolbens herangezogen und das von diesem aus dem Pumpraum verdrängte Gas bebläst sodann den anderen Lichtbogen.
Die Erfindung betrifft somit einen Druckgasschalter mit einem festen und mit einem beweglichen Kontaktstück, die in und ausser Eingriff miteinander bringbar sind, mit einer durch das bewegliche Kontaktstück im Zuge der Ausschaltbewegung freigebbaren Blasdüse, die einlasseitig mit einem einen Pumpkolben aufweisenden Pumpraum in Verbindung steht, sowie mit einem Lichtbogenraum, der mit der dem Pumpraum abgekehrten Seite des Pumpkolbens in Verbindung steht.
Die Erfindung bezweckt bei einem solchen Schalter mit einer einzigen Unterbrechungsstelle auszukommen, was den konstruktiven Aufwand vermindert und zugleich - bei vergleichbaren Aussenmassen - gestattet, die Distanz zwischen den beiden Kontaktstücken in Ausschaltstellung und damit die Länge des Lichtbogens zu vergrössern, ohne dass dadurch eine Mehrbelastung des Schalterantriebes entstünde.
Dies wird bei dem vorgeschlagenen Druckgasschalter erfindungsgemäss dadurch erreicht, dass der als Freikolben ausgebildete Pumpkolben auf der dem festen Kontaktstück zugekehrten Seite der von diesem in einem axialen Abstand befindlichen Blasdüse angeordnet ist und in Einschaltstellung gegen ein mit dem beweglichen Kontaktstück mit beweglichen Anschlag ansteht.
Dabei ist mit Vorteil der Pumpkolben gegen den Anschlag hin durch eine Feder belastet. Zweckmässig ist der Pumpkolben längs einem, das feste Kontaktstück umgebenden Scheidenstück, das wenigstens zum Teil aus Isolierstoff, z. B. aus einem bei Einwirkung eines Lichtbogens ein Gas abgebenden Isolierstoff, besteht, verschiebbar geführt, wobei das Scheidenstück auf der dem Pumpraum abgekehrten Seite des Pumpkolbens Durchlässe aufweisen kann.
Dieses Scheidenstück kann das feste Kontaktstück mit einem radialen Abstand umschliessen.
Der Anschlag, gegen den der Pumpkolben in Einschaltstellung ansteht, kann eine dem festen Kontaktstück zugekehrte Schulter am beweglichen Kontaktstück sein. Andererseits kann der Anschlag auch durch ein mit dem beweglichen Kontaktstück mitbewegliches Hubgestänge gebildet sein, das seinerseits verschiebbar durch den Körper der Blasdüse hindurchgreifen kann.
Weitere Merkmale bevorzugter Ausführungsformen des vorgeschlagenen Druckgasschalters sind in den Unteransprüchen angegeben.
Ausführungsbeispiele des vorgeschlagenen Druckgasschalters sind nachstehend anhand beiliegender Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 bis 3 je einen schematischen Axialschnitt einer ersten Ausführungsvariante in verschiedenen Stellungen,
Fig. 4 einen Axialschnitt durch eine zweite Ausführungsvariante während des Ausschalthubes,
Fig. 5 einen Axialschnitt durch eine dritte Ausführungsvariante, ebenfalls während des Ausschalthubes, und die
Fig. 6 bis 8 je einen schematischen Axialschnitt durch eine vierte Ausführungsvariante in drei verschiedenen Stellungen.
In den Zeichnungen sind funktionell sich entsprechende Bestandteile weitgehend mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet, auch wenn sie nicht exakt dieselbe Formgebung bzw.
Ausgestaltung aufweisen sollten.
Der in den Fig. 1 bis 3 dargestellte, gekapselte Druckgasschalter 10 weist ein rohrförmiges Gehäuse 11 aus Metall oder einem Isoliermaterial auf. In diesem ist in einer Trenn- und Haltewand 12 mittels eines zu einem nicht dargestellten Anschlusskontakt führenden Leiterstückes 13 ein festes, tulpenförmiges Kontaktstück 14 gehaltert, an dessen freiem Ende ein Satz federnder Kontaktfinger 15 ausgebildet sind. Diesen Kontaktfingern 15 ist ein bewegliches, stiftförmiges Kontaktstück 16 zugeordnet, das koaxial im Gehäuse 11 angeordnet und an einen nicht dargestellten Antrieb gekoppelt ist, mit welchem es in der Achse des Gehäuses 11 von einer Einschaltstellung (Fig. 1) in eine Ausschaltstellung (Fig. 3) und zurück verschiebbar ist.
Dieses bewegliche Schaltstück 16 verschliesst in Einschaltstellung und auch während eines erheblichen Teiles des Auschalthubes die engste Stelle einer Blasdüse 17, die in axialem Abstand vom festen Kontaktstück 14 zentral in einem im Gehäuse 11 fest eingespannten Düsenkörper 18 aus elektrisch isolierendem Material ausgebildet ist.
Einlasseitig steht die Blasdüse 17 unmittelbar in Verbindung mit einem auf der dem festen Kontaktstück 14 zugekehrten Seite des Düsenkörpers vorhandenen Pumpraum 19, in dem ein als Freikolben ausgebildeter Pumpkolben 29 axial verschiebbar angeordnet ist. Der im wesentlichen ringförmige Pumpkolben 29 liegt dicht, jedoch verschiebbar an der Aussenseite eines zylindrischen, das feste Kontaktstück 14 umgebenden Scheidenstückes 20 an, das einerends an der Trennund Haltewand 12 befestigt ist und andernends einen nach innen ragenden Ringwulst 21 aufweist, der eine Durchlassöffnung 22 (Fig. 2, 3) freilässt, deren Innendurchmesser etwa jenem der engsten Stelle der Blasdüse 17 entspricht und die somit ebenfalls durch das bewegliche Kontaktstück erst im Zuge des Ausschalthubes freigegeben wird.
Das mit dem Ringwulst 21 versehene Ende des Scheidenstückes 20 ragt in eine auf der dem Kolben 29 zugekehrten Seite des Düsenkörpers 18 ausgebildete, napfförmige Vertiefung 24, deren peripherer Rand 23 zugleich einen Anschlag bildet, der den Arbeitshub des Pumpkolbens 29 (Fig. 3) begrenzt.
Der vom Scheidenstück 20 umschlossene Raum kann als Lichtbogenraum 25 angesehen werden, in den das feste Kontaktstück 14 hineinragt und über im Scheidenstück 20 in der Nähe dessen Befestigungsstelle an der Trenn- und Haltewand 12 vorhandene Durchlässe 26 mit einem Expansionsraum 27 in Verbindung steht, der die dem Pumpraum 19 abgekehrte Seite des Pumpkolbens 29 beaufschlagt. Im Expansionsraum 27 ist auch eine Druckfeder 28 angeordnet, die an der Trennund Haltewand 12 sowie am Pumpkolben 29 abgestützt ist und diesen somit in Richtung auf den Düsenkörper 18 hin belastet.
Bei der Ausführungsvariante der Fig. 1 bis 3 ist ein Teil des Lichtbogenraumes 25 durch den mantelförmigen Zwischenraum zwischen der Aussenseite des festen Kontaktstückes 14 und der Innenseite des Scheidenstückes 20 gebildet. Um einen direkten Zufluss der sich im Inneren des festen Kontaktstükkes 14 entwickelnden, hochgespannten Bogengase in den Expansionsraum 27 zu ermöglichen, sind im festen Kontaktstück 14 in der Nähe dessen Befestigungsstelle Durchlässe 30 ausgebildet.
Am beweglichen Kontaktstück sind mehrere Ausleger 31 (gezeigt sind deren zwei) befestigt, an deren freien Enden je eine Schubstange 32 verankert ist, die durch Öffnungen 33' im Düsenkörper 18, die sie stets verschlossen halten, im Zuge der Einschaltbewegung in den Pumpraum 19 vorschiebbar sind und deren obere Enden 33 Anschläge bilden, die den Pumpkolben 29 bei der Einschaltbewegung gegen die Wirkung der Feder 28 in seine Ausgangsstellung schieben.
Bei dieser Verschiebung des Pumpkolbens 29 in seine Ausgangsstellung vergrössert sich einerseits das Volumen des Pumpraumes und verkleinert sich andererseits jenes des Expansionsraumes und, infolge des Eindringens des Kontakt- stückes 16 in den Lichtbogenraum, auch jenes des letzteren.
Um dabei eine Füllung des Pumpraumes 19 mit Löschgas, z. B. mit SF6, zu ermöglichen, ist in diesen Körper 18 ein nur schematisch angedeutetes, selbsttätiges Ansaugventil 34 vorhanden, das mit einer schwachen Feder belastet ist, so dass es auch als zum Pumpraum 19 hin öffnendes Rückschlagventil bezeichnet werden kann. Um andererseits beim Einschalthub, d. h. bei der Verschiebung des Pumpkolbens 29 in die Ausgangsstellung, den Expansionsraum 27 sowie auch den Lichtbogenraum 25 zu entlüften, weist das bewegliche Kontaktstück
16 eine Axialbohrung 35 auf, die über radiale Durchlässe 36 stets mit dem auf der dem Pumpraum 19 abgekehrten Seite des Düsenkörpers 18 vorhandenen Aufnahme- oder Vorratsraum 37 in Verbindung steht.
Die Wirkungsweise des anhand der Fig. 1 bis 3 beschriebenen Schalters ist folgende: Ausgangspunkt sei die in Fig. 1 dargestellte Einschaltstellung. Bei der Ausschaltbewegung wird das bewegliche Kontaktstück 16 ausser Eingriff mit dem Kontaktstück 14 gezogen. Sobald das Ende des Kontaktstükkes 16 die Kontaktfinger 15 verlässt, entsteht ein Lichtbogen
37' (Fig. 2), der unmittelbar zu einem erheblichen Ansteigen des Druckes im Lichtbogenraum 25 führt. Dieser erhöhte Druck kann nur zu einem geringen Teil über die axiale Bohrung 35 entweichen, zum überwiegenden Teil wirkt er indessen auf den Expansionsraum 27 und hier auf den inzwischen durch die Enden 33 der Schubstangen 32 freigegebenen Pumpkolben
29 und drückt diesen somit mit Unterstützung der Druckfeder
28 nach unten.
Dies ergibt eine starke Vorkompression des Löschgases im Pumpraum 19, dessen Auslass (Blasdüse 17) immer noch durch das bewegliche Kontaktstück 16 verschlos sen ist. Wenn einmal das freie Ende des beweglichen Kontakt stückes 16 die engste Stelle der Blasdüse 17 passiert hat, setzt eine kräftige Beblasung des Lichtbogens 37' durch das im Pumpraum 19 stark vorkomprimierte, frische Löschgas ein, welche Beblasung beim ersten Nulldurchgang des Stromes zur sicheren Löschung des Lichtbogens 37' führt. Die Löschwir- kung auf den Lichtbogen 37' kann noch dadurch erhöht wer den, wenn der Düsenkörper 18 und/oder das Scheidenstück 20 zumindest im Bereich des Ringwulstes 21 aus einem bei Ein wirkung eines Lichtbogens ein Löschgas abgebenden Isolier stoff (beispielsweise Teflon oder Delrin ) besteht.
Die wesentlichen Unterschiede der Ausführungsvariante der
Fig. 4 zu jeder der Fig. 1 bis 3 bestehen darin, dass das Schei denstück 20 das feste Kontaktstück 14 praktisch satt umschliesst und dass die axiale Länge des Ringwulstes 21 vergrössert ist, wodurch die freigelassene Öffnung 22 praktisch die Gestalt eines Zylinders annimmt, dem als Kolben das bewegliche Kontaktstück 16 zugeordnet ist, so lange dieses im Zuge der Ausschaltbewegung in der Öffnung 22 verweilt. Bei dieser Ausführungsform ist der Ringwulst 21 zugleich als ein in dem übrigen Teil des Scheidenstückes 20 eingesetztes (und mithin auch auswechselbares) Einsatzstück erheblicher Materialstärke ausgebildet, das, wie bereits erwähnt, aus einem unter der Einwirkung des Lichtbogens 37' ein Löschgas abgebenden Material besteht.
Das Ansaug- oder Rückschlagventil 34 ist hier gegen die Peripherie der Vertiefung 24 versetzt angeordnet. Dieses Ansaug- oder Rückschlagventil 34 kann auch anderswo angeordnet sein, solange es den Speicherraum 37 mit dem Pumpraum 19 verbindet und bei einem Unterdruck in letzterem öffnet. Bei der Ausführungsvariante der Fig. 4 gelangen die im Lichtbogenraum 25 entstehenden Gase stets direkt über die Durchlässe 30, 26 in den Expansionsraum 27. Es entsteht für die Strömung dieser Gase praktisch kein Nebenschluss, sobald das Ende des Kontaktstückes 16 die Kontaktfinger 15 verlassen, wie dies bei der Ausführungsvariante der Fig. 1 bis 3 durch das Vorhandensein des Zwischenraumes zwischen den Bauteilen 14 und 20 der Fall ist. Im übrigen ist die Wirkungsweise dieser Ausführungsform sinngemäss dieselbe wie jene der Fig. 1 bis 3.
Auch die Ausführungsvariante der Fig. 5 ist sehr ähnlich zur Ausführungsvariante der Fig. 1 bis 3 ausgebildet. Bei dieser dritten Ausführungsvariante ist der in der Nähe der Befestigungsstelle an der Trenn- und Haltewand 12 gelegene Bereich des Scheidenstückes 20 zu einem hohlen Fuss 38 verbreitert.
Die vom Lichtbogenraum 25 zum Expansionsraum 27 führenden Durchlässe 26 im Scheidenstück 20 sind achsparallel zur Schalterachse im Fuss 38 ausgebildet und ausserdem mit einem federbelasteten Schliessteil 39 versehen, das den entsprechenden Durchlass 26 erst bei einem bestimmten Überdruck im Lichtbogenraum 25 öffnet, jedoch bei einer Druckabnahme in demselben sofort wieder schliesst. Um dennoch eine wirksame Entlüftung des Expansionsraumes 27 im Zuge des Einschalthubes zu ermöglichen, weist der Pumpkolben 29 Durchlässe 40 auf, denen federbelastete, in Richtung auf den Expansionsraum 27 hin öffnende Schliessteile 41 zugeordnet sind. In Fig. 5 ist nicht figürlich, sondern nur mit der strichpunktierten, gekröpften Linie 42 angedeutet, dass die Durchlässe 40 mit den Schubstangen 32 fluchten.
Wie in Fig. 5 rechts punktiert dargestellt, greifen somit die Schubstangen 42 im Zuge der Einschaltbewegung zunächst durch die Durchlässe 40, verschieben sodann die Schliessteile 41 zuerst in ihre Offenstellung und schieben erst danach den Pumpkolben 29 in Ausgangsstellung. Damit ist beim Einschalthub ein praktisch widerstandsloser Druckausgleich zwischen dem Pumpraum 19 und dem Expansionsraum 27 möglich, zumal das Ansaugventil 34 auch ansprechen kann.
Im übrigen ist die Wirkungsweise der Ausführungsvariante der Fig. 5 im Prinzip dieselbe, wie jene der Fig. 1 bis 4, wobei jedoch zu bemerken ist, dass zuerst im Lichtbogenraum 25 ein gewisser Überdruck aufbauen muss, bevor dieser an den Expansionsraum 27 weitergegeben wird. In dieser Zeit haben jedoch die Schubstangen 32 die Schliessteile 41 bereits freigegeben, die sofort in ihre Schliesslage zurückgekehrt sind.
Eine konstruktiv besonders einfache Ausführungsform ist schematisch in den Fig. 6 bis 8 dargestellt. Das feste Kontaktstück, von dem der Einfachheit halber nur noch die Kontaktfinger 15 gezeigt sind, ist von einer leitenden, tropfförmigen
Abbrandelektrode 43 mit einer Durchtrittsöffnung 44 für das bewegliche Kontaktstück 16 umgeben. Die Abbrandelektrode ist leitend mit dem festen Kontaktstück 14 verbunden. Beim
Ausschalten wird somit der entstehende Lichtbogen 37' auf die
Abbrandelektrode 43 überspringen, sobald das Ende des beweglichen Kontaktstückes 16 die Öffnung 44 verlassen hat, wodurch der Abbrand an den Kontaktfingern 15 auf ein Min destmass reduziert wird.
Der zwischen dem Düsenkörper 18 und dem festen Kon taktstück 14 angeordnete und unter der Wirkung der Feder 28 stehende Pumpkolben 29, weist eine von einer nabenartigen Verdickung 45 umgebene, zentrale Führungsöffnung 46 auf, durch welche das bewegliche Kontaktstück 16 vorschiebbar ist. Dieses weist eine als Anschlag für den Pumpkolben 29 dienende, dem festen Kontaktstück 14 zugekehrte Schulter 47 auf, gegen die der Pumpkolben 29 im Zuge der Einschaltbewegung und in Einschaltstellung ansteht.
Die Blasdüse 17 weist einen gegenüber den Ausführungsformen der Fig. 1 bis 5 in einem sich axial erstreckenden Ringwulst 48 ausgebildeten, verlängerten Diffusorabschnitt auf und ihre engste Stelle hat einen Innendurchmesser, der dem grösseren Aussendurchmesser des beweglichen Kontaktstückes 16 entspricht. Auch bei Fig. 1 bis 5 ist ein solcher verlängerter Diffusorabschnitt möglich.
Der Lichtbogenraum und der Expansionsraum fallen bei dieser Ausführungsvariante zusammen, weshalb der Raum zwischen der Trenn- und Haltewand 12 und dem Pumpkolben 29 mit 25, 27 bezeichnet ist. Der Düsenkörper 18 ist wieder mit dem Ausgangsventil 34 versehen.
Die Arbeitsweise dieser Ausführungsvariante ergibt sich aus den Fig. 6 bis 8. Nach dem Einschalthub ist der Pumpkolben 29 durch die Schulter 47 in seiner oberen Ausgangsstellung gehalten, der Pumpraum 19 hat sein höchstes Volumen erreicht und ist mit frischem, aus dem Raum 37 über das Ansaugventil 34 angesaugtem Löschgas gefüllt (Fig. 6). Beim Ausschalten bewegt sich das bewegliche Schaltstück 16 nach unten und ihm folgt der Pumpkolben 29, infolge der Wirkung sowohl der Feder 28 als auch des durch die heissen Bogengase rasch ansteigenden Gasdruckes im Raum 25, 27. Die Bewegung des Pumpkolbens 29 erfolgt jedoch gegen den zunehmenden Widerstand des im noch geschlossenen Pumpraum 19 komprimierten Löschgases.
Deshalb verlässt der Pumpkolben 29 die Schulter 47 am beweglichen Kontaktstück 16, doch die Führungsöffnung 46 bleibt zunächst noch durch den Endabschnitt des beweglichen Kontaktstückes verschlossen (Fig. 7).
Erst wenn die Blasdüse 17 durch das bewegliche Kontaktstück vollständig freigegeben wurde, erfolgt eine kräftige Beblasung und Löschung des Lichtbogens 37' durch das dem Pumpraum 19 unter hohem Druck entströmende Löschgas (Fig. 8). Dass danach aus dem Raum 25, 27 durch die Führungsöffnung 46 stark expandierte (d. h. bereits abgekühlte) Bogengase nachströmen, hat sich als nicht nachteilig erwiesen. Diese Gase können nämlich selbst bei freigegebener Führungsöffnung 46 erst dann in den Pumpraum 19 nachströmen, wenn die Blasdüse 17 freigegeben ist, da bis dahin im Pumpraum 19 wegen der Feder 28 eher ein höherer Gasdruck herrscht, als im Raum 25, 27, da der Pumpkolben 29 ja als Freikolben ausgebildet ist.
Anstelle der Schulter 47 könnte bei der Ausführungsform der Fig. 6 bis 8 das bewegliche Kontaktstück 16 über seine gesamte Länge ebenfalls zylindrisch ausgebildet sein, jedoch mit Tragarmen und mit durch den Körper 18 hindurchgreifenden Hubstangen versehen sein, wie dies bei den Ausführungsformen der Fig. 1 bis 5 der Fall ist.
Während bei Ausführungsformen der Fig. 1 bis 5 der Pumpkolben 29 je nach dem für das Gehäuse 11 gewählten Werkstoff aus einem leitenden oder auch aus einem isolierenden Werkstoff sein kann, ist er bei der Ausführungsform der Fig. 6 bis 8 aus einem Isolierstoff. Für den Werkstoff des Düsenkörpers 18 sowie des Pumpkolbens 29 der Fig. 6 bis 8 gilt das bereits Gesagte.
Die beschriebenen Druckgasschalter besitzen gegenüber den bekannten, vergleichbaren Druckgasschaltern, namentlich jenem der eingangs erwähnten DT-PS 732 879 auch bei klei- neren Ausschaltströmen ausgeprägt bessere Löscheigenschaften.