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Elektrischer Strömungsschalter mit mehreren Ausströmdüsen Der Erfindung
liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektrischen Schalter zu verbessern, bei dem die
Lichtbogenlöschung mit Hilfe einer Löschmittelströmung, vorzugsweise Ölströmung,
erfolgt und der wenigstens einen mechanisch angetriebenen Pumpkolben für die Erzeugung
der Löschmittelströmung aufweist. Bei bekannten Schaltern dieser Bauart wird die
Löschmittelströmung dem Lichtbogen durch eine ringförmige Ausströmdüse zugeführt,
die den Lichtbogen selbst umschließt. Zu diesem Zweck wird während der Ausschaltbewegung
des Schaltstiftes die Schaltstiftspitze hinter die öffnung einer Ringdüse zurückgezogen
und dann in gleichbleibender relativer Lage zur Ringdüse bis in die Endstellung
bewegt. Die Ringdüse umschließt dabei den in Verlängerung des Schaltstiftes brennenden
Lichtbogen in der Nähe der Schaltstiftspitze eng, so daß die Löschmittelströmung
einem verhältnismäßig kurzen Lichtbogenabschnitt sehr intensiv zugeführt wird. Im
zeitlichen Bereich des Nullwerdens des Lichtbogenstromes trifft somit den Fußpunktsbereich
des Lichtbogenrestkanals ein kräftiger Strom kühlen frischen Löschmittels, der die
Durchschlagfestigkeit der Reststrecke erhöht und beim Auftreten der Wiederkehrspannung
ein Neuzünden des Lichtbogens verhindert. Die Löschmittelströmung wird bei Schaltern
der beschriebenen Art vorteilhaft mit Hilfe eines Purnpkolbens erzeugt, der über
eine Mitnehmervorrichtung vom Schaltstift bei der Ausschaltbewegung angetrieben
wird.
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Insbesondere bei der Durchführung von Abschaltungen in Netzen mit
höherer Betriebsspannung reicht jedoch die Bespülung einer kurzen Lichtbogenstrecke
nicht mehr aus, um ein Wiederzünden des Lichtbogens nach dem Stromnullwerden zu
verhindern. Eine längere Lichtbogenstrecke mit Hilfe einer einzigen Düse mit ausreichender
Intensität zu bespülen, ist jedoch kaum möglich; es sei denn, man würde mit einer
sehr viel größeren Löschmittelmenge und gleichzeitig mit wesentlich höherem Löschmitteldruck
arbeiten, was jedoch einen erheblichen Aufwand bedeutet. Die Erfindung zeigt einen
besseren Weg, Schalter dieser Art für hohe Spannungen brauchbar zu machen. Sie betrifft
demnach einen elektrischen Schalter, bei dem die Lichtbogenlöschung mit Hilfe einer
Löschmittelströmung, vorzugsweise Ölströmung erfolgt, mit wenigstens einem mechanisch
vom Schaltstift angetriebenen Pumpkolben für die Erzeugung der Löschmittelströmung
und mit wenigstens einer die Schaltstiftachse konzentrisch umschließenden ringförmigen
Ausströmdüse, die zusammen mit dem Schaltstift in einer für die Lichtbogenlöschung
günstigen relativen Lage zur Schaltstiftspitze bewegt wird. Erfindungsgemäß sind
mehrere dieser Ausströmdüsen vorgesehen, und jeder dieser Ausströmdüsen wird das
Löschmittel durch einen gesonderten Zuströmkanal zugeführt. Wesentlich ist dabei,
daß sich sämtliche Ausströmdüsen während der eigentlichen Lichtbogenlöschung in
einer günstigen relativen Lage zur Schaltstiftspitze befinden. Auch muß diese relative
Lage während der Lichtbogenlöschung konstant erhalten bleiben, damit immer die Löschmittelströmung,
unabhängig vom Augenblick der Kontakttrennung, möglichst günstig verläuft.
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Es ist ein Schalter mit zwei konzentrisch zur Schaltstiftachse angeordneten
Ausströmdüsen bekannt, die gemeinsam mit dem Schaltstift bewegt werden. Von diesen
Düsen ist aber nur die eine ringförmig, während die andere in einer Längsbohrung
im Schaltstift besteht. Dem aus der Schaltstiftbohrung austretenden Löschmittelstrahl
kann der Lichtbogen seitlich ausweichen, so daß der bekannte Schalter nur eine einzige
Düse-,aufweist, die infolge ihrer durch die Ringform bedingten Wirkungsweise mit
den Düsen beim erfindungsgemäßen Schalter vergleichbar ist.
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Es ist ferner ein Schalter mit mechanisch vom Schaltstift angetriebenem
Pumpkolben und mehreren, die Schaltstiftachse umgebenden und mit dem Schaltstift
gemeinsam bewegten Ausströmdüsen bekannt, denen das Löschmittel jeweils durch gesonderte
Zuströmkanäle zugeführt wird. Jedoch sind die Düsen dieses bekannten Schalters Querströmdüsen,
bei
denen durch Verzunderung der Isolierstoffwandungen leitende Kanäle zwischen den
Schaltelektroden entstehen können, die die Neuzündung des Lichtbogens begünstigen
und damit das Abschaltvermögen besonders bei hohen Spannungen beeinträchtigen. Bei
einer erfindungsgemäßen Lichtbogenlöschkammer hingegen wird eine intensive Bespülung
bestimmter Lichtbogenabschnitte von allen Seiten erreicht, ohne daß der Bogen die
Möglichkeit hat, sich durch seitliches Ausweichen der Bespülung zu entziehen.
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Die Wirkung des Schalters nach der Erfindung, dem Lichtbogen insbesondere
in der Nähe des Stromnullwerdens an mehreren Stellen eine neue Löschmittelströmung
zwangläufig zuzuführen, ist bei hohen Spannungen von entscheidender Wichtigkeit.
Man gewinnt auf diesem Wege eine Reihenschaltung von Lichtbogenabschnitten mit hoher
Sperrfähigkeit, ohne die Nachteile einer Hintereinanderschaltung von vollständigen
Schalteinrichtungen in Kauf nehmen zu müssen, die in komplizierterem Aufbau, vielen
Abbrandstellen und umfangreichen Spannungsverteilungseinrichtungen bestehen.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung werden die Ausströmdüsen zusammen
mit dem Schaltstift innerhalb eines geschlossenen, mit Löschmittel angefüllten Druckzylinders
bewegt, in dem bei der Abschaltung ein hoher Druck entsteht. Durch diese Anordnung
werden die ausgezeichneten Betriebserfahrungen mit bekannten Hochleistungsschaltern
mit nur einer Löschdüse, die zusammen mit dem Schaltstift innerhalb eines Druckzylinders
bewegt wird, auch für Schalter mit mehreren in Reihe geschalteten Löschdüsen ausgenutzt.
Der Schaltstift kann mit einer Längsbohrung versehen werden, die aus dem geschlossenen
Lichtbogenlöschraum in einen druckentlasteten Raum führt. Dadurch erfährt der Lichtbogenfußpunkt
auf der Schaltstiftspitze eine besonders intensive Bespülung. Bei hinreichend starker
Löschmittelströmung und ausreichendem Bohrungsdurchmesser läßt sich der Lichtbogenfußpunkt
sogar in das Innere der Schaltstiftbohrung hineinbewegen. Es werden dadurch unerwünschte
Abbranderscheinungen auf den Außenseiten des Schaltstiftes vermieden.
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Es kann aus konstruktiven Erwägungen günstig sein, den vom Schaltstift
angetriebenen Pumpkolben mit einer oder mehreren Ausströmdüsen in einem einheitlichen
Bauteil zu vereinen; andererseits kann jede Düse mit einem gesonderten Pumpkolben
verbunden werden. Eine besondere Wirkung wird erzielt, wenn die Löschmittelmengen,
die durch die einzelnen Ausströmdüsen hindurchströmen sollen, voneinander getrennt
in gesonderten Löschmittelvorratsräumen unter Druck gesetzt werden. Dadurch ergibt
sich folgender Vorteil: Bei Anordnungen mit einem gemeinsamen Löschmittelvorrat
für sämtliche Ausströmdüsen hängt die Verteilung des Löschmittels auf die einzelnen
Düsenöffnungen vom Strömungswiderstand der Kanäle ab. Die Strömungswiderstände können
infolge der Verdampfung bzw. Erhitzung des Löschmittels durch den Lichtbogen sehr
verschieden groß sein. Bei einem Schalter mit getrennten Löschmittelvorratsräumen
hingegen wird eine günstige Löschmittelverteilung erzwungen.
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Eine Abstufung der Intensität der Löschmittelströmung, mit der die
einzelnen Düsen den Lichtbogen bespülen, läß-t sich durch Verwendung von Ausströmdüsen
erzielen, deren Durchströmöffnungen verschiedene Querschnitte aufweisen. Verschiedene
Ausströmungsquerschnitte können z. B. durch Veränderung der Düsenabstände oder durch
verschiedene Durchmesser der Düsen erzielt werden.
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Der Lichtbogen muß erst eine gewisse Länge erreicht haben, bevor sich
ein Wiederzünden nach dem Stromnullwerden mit Hilfe einer Löschmittelströmung verhindern
läßt. Es ist daher zweckmäßig, die Bewegung der Pumpkolben und damit auch die Löschmittelströmung
erst dann einsetzen zu lassen, wenn der Schaltstift bereits einen Teil seines Weges
zurückgelegt hat und wenn auch bereits ein Lichtbogen von einer bestimmten Länge
vorhanden ist. Auch die Aufeinanderfolge der Zeitpunkte, zu denen die Löschmittelströmung
durch die einzelnen Düsen einsetzt, läßt sich steuern, indem die den einzelnen Düsen
zugeordneten Pumpkolben während des Verlaufes der Schaltstiftbewegung ebenfalls
zu verschiedenen Zeitpunkten in Bewegung gesetzt werden.
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Es können Isolierstoffdüsen benutzt werden. Möglich ist jedoch auch
die Verwendung metallischer Ausströmdüsen. Die Verteilung der nach dem Stromnullwerden
ansteigenden Wiederkehrspannung auf die Schaltstrecke kann dann in an sich bekannter
Weise zweckmäßig gesteuert werden. Die gleiche Steuerung läßt sich auch bei Isolierstoffdüsen
erreichen, wenn diese mit einem metallischen Belag oder mit einer metallischen Einlage
versehen werden.
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Reicht die Bespülung des Lichtbogens mit Hilfe von Ausströmdüsen,
die zusammen mit dem Schaltstift bewegt werden, nicht aus, so können auch im Bereich
der feststehenden Elektrode, also der Schalttulpe, eine oder mehrere Ausströmdüsen
angebracht werden. Diesen Ausströmdüsen wird zweckmäßigerweise durch entsprechende
Zuleitungen Löschmittel aus einem oder mehreren der Druckräume zugeführt, in denen
auch das Löschmittel für die mit dem Schaltstift zusammen bewegten Düsen unter Druck
gesetzt wird.
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Um unzulässig hohe Drücke in dem geschlossenen Raum, in dem die Lichtbogenlöschung
erfolgen soll, zu vermeiden, ist es zweckmäßig, Öffnungen in den Wandungen dieses
Druckraumes vorzusehen. Diese Öffnungen können, wenigstens zum Teil, durch Ventile
verschlossen werden. Dabei können einerseits Ventile vorgesehen werden, die erst
von einer gewissen Druckhöhe ab den Weg in einen äußeren druckentlasteten Raum freigeben,
andererseits läßt sich durch Verwendung von Rückschlagventilen ein schnelles Wiederauffüllen
des Löschraumes mit Löschmittel nach einer Abschaltung erreichen.
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Die Zeichnungen zeigen in den A b b. 1 bis 4 verschiedene Beispiele
konstruktiver Ausführungen von erfindungsgemäß ausgebildeten Schaltern, . die einige
der vorstehend angeführten Merkmale in verschiedenen Kombinationen zeigen.
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In A b b. 1 ist mit 1 der bewegliche Schaltstift bezeichnet, der hier
mit einer axialen Bohrung versehen ist. Die als Schalttulpe ausgebildete feststehende
Elektrode trägt die Bezeichnung 2. Teil 3 ist ein geschlossener, mit Löschmittel
angefüllter Druckzylinder, der den Lichtbogenlöschraum umschließt. Der Pumpkolben
4 zur Erzeugung der Löschmittelströmung wird über Mitnehmervorrichtungen
5 vom Schaltstift angetrieben. Dadurch strömt aus dem Raum 6 Löschmittel durch die
von den Isolierhauben 7 gebildeten Ausströmdüsen hindurch.
Die Ausströmdüsen
sind hier als Isolierdüsen dargestellt. Sie können auch aus Metall bestehen. Die
Ausströmdüsen sind mit dem Pumpkolben 4 zu einem Bauteil vereint, wobei die inneren
Ausströmdüsen durch einzelne Stege 8 getragen werden. In der A b b. 1 ist der Kolben
4 in seiner tiefsten Stellung gezeichnet, in der er auf einem Anschlagring 9 aufliegt.
Bei der Ausschaltbewegung wird der Pumpkolben erst, wenn der Schaltstift die gezeichnete
Stellung erreicht hat, über die Mitnehmervorrichtung 5 in Bewegung gesetzt. Es besteht
also bei Beginn der Löschmittelströmung bereits ein Lichtbogen, dessen Mindestlänge
dem hier dargestellten Abstand von Schalttulpe und Schaltstiftspitze entspricht.
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In den Wandungen des Druckzylinders sind öffnungen 10 vorhanden, über
die der Lichtbogenlöschraum mit dem äußeren druckentlasteten Raum in Verbindung
steht. Diese Öffnungen sind so anzuordnen, daß die sich beim Ausschalten bildenden
Gasblasen in den druckentlasteten Raum entweichen können. Derartige Öffnungen können
durch Ventile 11 verschlossen sein, die erst beim Erreichen eines vorgegebenen Druckwertes
Löschmittel entweichen lassen. Durch Ventile 12 verschlossene Öffnungen ermöglichen
ein schnelles Wiederauffüllen des Raumes 6 mit Löschmittel beim Einschaltvorgang.
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Der in A b b. 2 dargestellte Schalter weist ebenfalls den beweglichen
Schaltstift 1, die Schalttulpe 2 und den mit Bohrungen 10 versehenen Druckzylinder
3 auf. Für die Erzeugung der Löschmittelströmung sind hier drei Pumpkolben
13, 14 und 15 vorgesehen, die jeweils mit den Ausströmdüsen 16, 17
und 18 verbunden sind. Der Antrieb der Pumpkolben erfolgt über die Mitnehmervorrichtungen
19, 20 und 21. Die Mitnehmervorrichtung 19 ist fest mit dem Schaltstift 1 verbunden
und bewegt sich gleitend an den Innenwandungen des Pumpkolbens 15. Der Pumpkolben
15 wird bei der Ausschaltbewegung an dem Anschlag 22 und bei der Einschaltbewegung
an dem Anschlag 25 erfaßt. Entsprechend ist die Mitnehmervorrichtung 20 mit
dem Pumpkolben 15 und die Mitnehmervorrichtung 21 mit dem Pumpkolben 14 fest verbunden.
Die beiden äußeren Pumpkolben 13 und 14 werden bei der Einschaltbewegung über die
Anschläge 26 und 27 und bei der Ausschaltbewegung durch die Anschläge
23 und 24 mitgenommen. Im Einschaltzustand sind die Durchströmöffnungen zwischen
den Ausströmdüsen 16 und 17 bzw. 17 und 18 geschlossen. Sie werden zu Beginn der
Ausschaltbewegung nacheinander freigegeben.
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Der in A b b. 3 dargestellte Schalter weist die gleichen Hauptmerkmale
in der Konstruktion auf wie die zuvor beschriebenen, den Schaltstift 1, die ; Schalttulpe
2 und den Druckzylinder 3. Die Löschmittelströmung wird mit Hilfe der Pumpkolben
30 und 31 erzeugt, die über die Mitnehmervorrichtungen 34 und 35 vom Schaltstift
mitgenommen werden. Die Ausströmdüsen 32 und 33 sind auch hier fest mit dem zugehörigen
Pumpkolben verbunden. Abweichend von den Schaltern nach den A b b. 1 und 2 strömen
bei der vorliegenden Konstruktion zwei getrennte Löschmittelmengen aus den Räumen
28 und 29 durch die beiden Ausströmdüsen. Die Räume 28 und 29 sind durch die feststehende
zylinderförmige Wandung 36 voneinander getrennt. Wie bereits eingangs erwähnt, zeichnet
sich die vorliegende Konstruktion durch folgenden Vorteil aus. Ist z. B. der Strömungswiderstand
zwischen der Schaltstiftspitze und der Ausströmdüse 32 durch eine vom Lichtbogen
erzeugte Gasblase stark erhöht, so könnte bei einem Schalter, der nur einen einzigen
Raum (6 in A b b. 1 und 2) für den Löschmittelvorrat aufweist, fast die gesamte
Löschmittelströmung in die Durchströmöffnungen der Isolierhaube 33 ausweichen, so
daß der Lichtbogenfußpunktsbereich nicht in ausreichendem Maße bespült wird. Bei
einem Schalter mit getrennten Druckräumen ist jedoch ein derartiges Ausweichen der
Löschmittelströmung nicht möglich, da die vom Schaltstift auf den Pumpkolben 30
übertragene Kraft eine Löschmittelströmung durch die Öffnung zwischen der Schaltstiftspitze
und der Ausströmdüse 32 erzwingt. Die Ventile 37 in den Wandungen des Druckzylinders
entsprechen in ihrer Funktion den Ventilen 12 der A b b. 1 und 2. Mit Hilfe der
Ventile 38 und 39 ist es möglich, den in den Räumen 28 und 29 auf das Löschmittel
übertragenen Druck zu begrenzen und bei geeigneter Wahl der Ventilfeder eine Abstufung
des Druckes und damit der Löschmittelströmung in den Ausströmdüsen zu bewirken.
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A b b. 4 zeigt einen Schalter, der mit dem Schaltstift 1, der Schalttulpe
2, dem Druckzylinder 3, dem Pumpkolben 4 und den beweglichen Ausströmdüsen 7 die
gleichen Konstruktionsmerkmale aufweist, wie der Schalter nach A b b. 1. Zusätzlich
zu den beweglichen Ausströmdüsen 7 sind hier feststehende Ausströmdüsen 40 im Bereich
der festen Schaltelektrode angeordnet. Den Ausströmdüsen 40 wird über Zuleitungen
41, die auch im Inneren des Druckzylinders 3 verlegt werden können, Löschmittel
aus dem Raum 6 oberhalb des beweglichen Pumpkolbens 4 zugeführt: Pumpkolben und
Schaltstift sind hier in der Ausschalt-Endlage dargestellt. Bei der Dimensionierung
der Zuleitungen 41 ist auf einen hinreichend geringen Strömungswiderstand für die
Löschmittelströmung zu achten. Der Vorteil eines Strömungsschalters nach A b b.
4 besteht darin, daß der Lichtbogen an mehreren Teilabschnitten im Bereiche beider
Schalterkontakte intensiv bespült wird.