DE10204042A1 - Leistungsschalter - Google Patents

Abstract

Bekannt sind Leistungsschalter mit sogenannten Autokompressionskammern, bei denen die Kontakte in einer Schaltkammer beim Schaltvorgang mit einem Löschgas beströmt werden. Mit der Hauptpatentanmeldung Akt.Z. 10131018.8 wird bereits vorgeschlagen, eine zusätzliche Öffnung vorzusehen, durch die das Gas während des Ausschaltvorganges in das Volumen der Schaltkammer einströmbar ist. Mit der Zusatzanmeldung wird ein druckgesteuertes Ventilelement vorgeschlagen, mit dem sich einerseits selbsttätig ein nahezu hermetischer Abschluss der Autokompressionskammer zur Umgebung erreichen lässt, andererseits die Gasströmung nicht behindert wird.

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf einen Leistungsschalter, insbesondere im Bereich der Mittelspannungsebene, mit gegeneinander relativ beweglichen Kontakten und einem Gas zu Isolierzwecken, mit den Merkmalen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Diese Merkmale umschreiben den erfindungsgemäßen Leistungsschalter nach Hauptpatent.
• Gegenstand des Hauptpatentes ist ein Leistungsschalter mit Autokompressionskammer, wobei mit Hilfe eines Drucksteuerelementes verbesserte Schaltergebnisse erzielt werden.
• In der Hauptpatentanmeldung Akt. Z. 101 31 018.8 wird im Einzelnen ausgeführt, dass ein Lichtbogen im natürlichen Stromnulldurchgang dadurch verlöscht, dass er infolge einer starken Druckentwicklung in der Autokompressionskammer stark beblasen wird, was schließlich zur Deionisierung der Schaltstrecke führt. Bei großen Strömen im zweistelligen kA-Bereich setzt durch die ausgeprägte Rotation des Lichtbogens und damit des gesamten in der Autokompressionskammer befindlichen Gases eine Strömung aus dem Bereich außerhalb der Autokompressionskammer in den Bereich innerhalb der Autokompressionskammer über eine Saugwirkung ein. Hierzu ist die Autokompressionskammer mit einer zusätzlichen Öffnung, beispielsweise in Form eines Ringspaltes am Schaltbolzen, versehen, durch die Gas in die Kammer eindringen kann.
• Es hat sich gezeigt, dass ein Stromgrenzwert existiert, mit dessen Überschreiten die Saugwirkung einsetzen sollte. Die Saugwirkung ist unmittelbar gekoppelt an die Rotationsgeschwindigkeit des Gases bzw. des Lichtbogens in der Autokompressionskammer, während die Rotationsgeschwindigkeit des Lichtbogens wiederum direkt vom Lichtbogenstrom abhängt. Diese Gasrotation erzeugt durch zentrifugalbedingte Gasverdrängung im Bereich der Rotationsachse einen Unterdruck relativ zum Druck des Außenbereiches der Autokompressionskammer.
• Der Unterdruck ist die Hauptursache für die Saugwirkung. Liegt der Strom unterhalb des genannten Grenzwertes, ist die Gasgeschwindigkeit gering für die Ausbildung des Unterdruckes, so dass infolge der immer vorhandenen Aufheizung des Gases in der Autokompressionskammer durch den Lichtbogen ein Überdruck in der Kammer relativ zum Druck im Außenbereich der Kammer herrscht.
• Letzterer Überdruck hat bei kleineren Strömen unterhalb des beschriebenen Grenzwertes immer einen Gasverlust aus dem Kammervolumen durch die beschriebene Zusatzöffnung zur Folge. Der Gasverlust kann im "worst case" dazu führen, dass die Gasdichte in der Kammer beim Erreichen des natürlichen Stromnulldurchganges nicht mehr ausreicht, wodurch Schaltversager auftreten können.
• In der Hauptpatentanmeldung wird bereits ausgeführt, dass ein Ventilelement, das durch Druckverhältnisse steuerbar ist, die Zusatzöffnung verschließen kann, so lange in der Autokompressionskammer ein Überdruck herrscht. Die Zusatzöffnung wird dann freigegeben, wenn der Druck in der Autokompressionskammer lokal unter den Umgebungsdruck absinkt.
• Davon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, Mittel anzugeben, mit denen das Verschließen und die Freigabe der Zusatzöffnung automatisiert erfolgen kann.
• Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Gesamtheit der Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
• Mit der Erfindung ist es nunmehr möglich, die gemäß Hauptpatent bereits vorgesehene zusätzliche Öffnung nach Bedarf zu verschließen oder zu öffnen. Insbesondere für den Fall, dass die Öffnung eine Ringöffnung um den Schaltbolzen ist, kann das Ventilelement in einfacher Weise durch ein Ringplättchen realisiert sein, das durch den in die Autokompressionskammer eintauchenden beweglichen Schaltbolzen angebracht ist. Die träge Masse eines solchen Plättchens muss gering sein, so dass es den infolge Druckänderungen auftretenden beschleunigenden Kräften im Schalter unmittelbar folgen kann. Dies ist notwendig, damit die Ventilwirkung in den relevanten Zeitabschnitten im Millisekunden-Bereich eintreten kann.
• Mit der weiteren Erfindung wird also der Gegenstand des Hauptpatentes in sachgerechter Weise weitergebildet, wobei praktische Erprobungen die Funktionsfähigkeit der konstruktiven Ausbildung gezeigt haben.
• Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung in Verbindung mit den Patentansprüchen. Die einzige Figur zeigt ein gegenüber der Hauptpatentanmeldung ergänztes Beispiel mit geeignetem Ventilelement.
• In der Figur ist beispielhaft der obere Teil einer im Zusammenhang mit Autokompressionsschaltern an sich bekannten Schaltkammer 10 dargestellt. Die Schaltkammer 10 umschließt als Gehäusewandung 104 ein Volumen derart, dass eine Autokompressionskammer aus Isoliermaterial gebildet wird. Innerhalb der Schaltkammer 10 befinden sich ein beweglicher Kontakt 101, ein feststehender Kontakt und ein Mittel zur Magnetfelderzeugung, welche beiden letzteren Elemente in der oberen Teilfigur nicht dargestellt sind.
• Im oberen Teil der Gehäusewandung 104 mit abschließendem Deckel 109 taucht der Schaltbolzen 101 mit beweglichem Schaltkontakt ein, welcher axial verschiebbar ist. Um den Schaltbolzen 101 ist ein Ringschlitz 107 gebildet, durch den die strömungstechnische Verbindung der Gehäusewandung 104 der Autokompressionskammer mit der Umgebung erreicht wird.
• In der Figur ist die Stirnwand 109 ringförmig um den Schaltbolzen 101 so ausgestellt, dass durch Teilelemente 305, 310 und 311 ein separates Teilvolumen 320 umschlossen ist. In diesem Teilvolumen 320 ist ein Ringplättchen zwischen zwei Anschlägen 310 und 311 angeordnet, so dass es durch axiale Verschiebung in zwei Endpositionen haltbar ist.
• In der Figur wird das Ventilelement also durch das bewegliche Plättchen 300 realisiert, das beispielsweise als Ring um den in die Autokompressionskammer eintauchenden beweglichen Schaltbolzen 101 angebracht ist. Das Plättchen 300 ist aus einem leichten, elektrisch nicht leitendem Material gefertigt, beispielsweise aus thermoplastischem, duroplastischem oder auch aus andersartigem Kunststoff. Seine träge Masse muss so gewählt sein, dass es den infolge Druckänderungen auftretenden beschleunigenden Kräften im Schalter nahezu instantan folgen kann, damit die Ventilwirkung in den für den Schalter relevanten Zeitabschnitten im Millisekunden-Bereich eintreten kann.
• Das Plättchen 300 bewegt sich im zusätzlichen, beispielsweise in den Deckel 109 der Autokompressionskammer integrierten Raum 320, der vorteilhafterweise die vergrößerte Außenkontur des Plättchens 300 einnimmt.
• Der axiale Weg des Plättchens 300 entlang des Schaltbolzens 101 und damit der Raum, in dem sich das Plättchen 300 bewegt, ist in beiden möglichen Richtungen durch Anschläge 310, 311 begrenzt. In Richtung der Umgebung ist der obere Anschlag 310 durchgehend.
• Fertigungstechnisch kann der Anschlag 310 in Richtung der Umgebung vorteilhafterweise - wie auch der gesamte Raum, in dem sich das Plättchen 300 bewegt - unmittelbar Bestandteil des beispielsweise spritztechnisch hergestellten Deckels 109 der Autokompressionskammer mit Gehäusewandung 104 sein. Der Anschlag in Richtung Autokompressionskammer kann durch nachträgliches Einbringen von zusätzlichen Elementen, beispielsweise durch Klebung oder Schnappverbindungen realisiert werden.
• Es hat sich gezeigt, dass mit der beschriebenen Autokompressionskammer der Schalter wesentlich verbessert wird. Funktionsmäßig herrscht in der Autokompressionskammer 104 relativ zur Umgebung ein Überdruck. Das Plättchen 300 wird durch den Überdruck gegen den Anschlag 310 in Richtung Umgebung getrieben und verschließt die Autokompressionskammer 104 nahezu hermetisch. Der ohne das Ventilelement 300 ansonsten auftretende Gasverlust, der bei kleinen Strömen ansonsten zu Schaltversagern führen könnte, wird somit vollständig vermieden.
• In einer anderen Schaltphase herrscht innerhalb der Autokompressionskammer relativ zur Umgebung ein Unterdruck. Das Plättchen 300 wird durch den Unterdruck gegen den inneren Anschlag 311 gezogen und gibt die Zusatzöffnung frei. Gas kann um das Plättchen 300 herum durch den Raum, in dem sich das Plättchen bewegt, in die Autokompressionskammer 104 gesaugt werden. Damit tritt der gewünschte Effekt der durch Saugwirkung unterstützten Lichtbogenlöschung ein.

Claims (8)

1. Leistungsschalter, insbesondere im Bereich der Mittelspannungsebene, mit gegeneinander in einer Schaltkammer beweglichen Kontakten und einem Gas zu Isolierzwecken, bestehend aus einem Gasraum innerhalb der Schaltkammer und einem Gasraum außerhalb der Schaltkammer, wobei die Schaltkammer mindestens eine Öffnung hat, durch die während des Schaltvorganges Gas aus dem Volumen im Löschbereich in den Raum außerhalb des Löschbereiches strömbar ist und wobei Mittel zur Rotation des Lichtbogens entlang einer Lichtbogenbahn vorhanden sind, wobei die Schaltkammer wenigstens eine zusätzliche Öffnung aufweist, durch die das Gas während des Ausschaltvorganges in das Volumen der Schaltkammer einströmbar ist, gemäß Hauptpatent (Akt. Z. 101 31 018.8), dadurch gekennzeichnet, dass ein Ventilelement (300) zum selbsttätigen Verschließen der Öffnung (307) vorgesehen ist.

2. Leistungsschalter nach Anspruch 1, wobei die zusätzliche Öffnung symmetrisch zum Schaltbolzen des Bewegkontaktes angeordnet ist und eine Ringöffnung um den Schaltbolzen bildet, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilelement ein als Ring ausgebildetes Plättchen (300) ist.

3. Leistungsschalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass Plättchen aus einem nicht- leitenden Material geringer Dichte.

4. Leistungsschalter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoff ein thermoplastischer oder duroplastischer Kunststoff ist.

5. Leistungsschalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilelement (300) in einem im Schaltergehäuse (104) integrierten Hohlraum (320) als Ventilsitz geführt ist.

6. Leistungsschalter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum als Ventilsitz Anschläge () und zwar einen oberen und einen unteren Anschlag (310, 311) aufweist.

7. Leistungsschalter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der obere Anschlag mit dem Ventilelement das Gehäuse gegen die Umgebung abdichtet.

8. Leistungsschalter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der untere Anschlag (311) das Ventilelement (300) bei minimiertem Strömungswiderstand festhält.