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Die Erfindung betrifft einen Druckgasschalter für kurzzeitige Druckbeaufschlagung
zum Unterbrechen des Stromes mit mindestens einem Paar koaxial angeordneter, stirnseitig
kontaktgebender, hohler Kontaktstücke, von denen jedes wie ein Kolben axial beweglich
in einem Hohlraum eines zugehörigen festen Kontaktträgers angeordnet ist und sich
mit seinem aus dem Kontaktträger ragenden Teil in einer Schaltkammer befindet, der
nur während des Ausschaltvorganges Druckgas zugeführt wird, wobei die zentralen
Hohlräume der Kontaktstücke dauernd mit den Hohlräumen der Kontaktträger und daran
angeschlossenen Gasabführungskanälen in Verbindung stehen und die Kontaktstücke
bei druckloser Schaltkammer durch Federkraft gasdicht gegeneinandergedrückt sind
und während des Ausschaltvorganges bei Druckbeaufschlagung der Schaltkammer über
ringförmige Kolbenflächen auseinandergedrückt werden.
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Bei einem bekannten Druckgasschalter dieser Art (belgische Patentschrift
519 308) werden die beiden Kontaktstücke unmittelbar aus einer mittleren Ruhelage
voneinander getrennt, so daß die Kontakttrennung mit der Geschwindigkeit Null anfängt.
Der Abstand zwischen den Kontaktstücken vergrößert sich infolgedessen verhältnismäßig
langsam, besonders dann, wenn große Massen zu beschleunigen sind.
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Außerdem ist ein Druckgasschalter bekanntgeworden (deutsche Patentschrift
643 304), bei dem sich während des ersten Teiles des Ausschaltvorganges beide Kontaktstücke
ohne Stromunterbrechung in der gleichen Richtung bewegen und die Trennung erst nach
einem gewissen Ausschaltweg erfolgt. Das nachfolgende Kontaktstück wird dabei durch
eine Druckfeder bis zu einem > Begrenzungsanschlag getrieben, während das obere
Kontaktstück sich weiterbewegt. Hierbei erfolgt die Kontakttrennung schon etwas
schneller als bei dem erstgenannten Schalter. Danach bleiben die Kontaktstücke getrennt.
Der Schalter gehört also nicht zu der eingangs beschriebenen Gattung.
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Durch die deutsche Patentschrift 655 480 ist es auch schon bekannt,
das auf einem Teil des Ausschaltweges nachfolgende Kontaktstück durch Druckgas bis
zu dem genannten Anschlag vorzuschieben. Im übrigen entspricht dieser Schalter dem
vorgenannten.
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Ferner ist ein Druckgasschalter bekannt (schweizerische Patentschrift
373 794), bei dem beide Kontaktstücke beim Ausschaltvorgang zunächst gemeinsam durch
das Druckgas bewegt werden, dann das untere Kontaktstück gegen einen Anschlag läuft,
während das obere in Öffnungsrichtung weiter bis in eine Endstellung bewegt wird,
und erst danach das untere Kontaktstück zeitverzögert in seine Ausgangslage zurückkehrt.
Die Rückbewegung des unteren Kontaktstückes findet also erst nach der Lichtbogenlöschung
statt. Für die Steuerung sind mindestens drei relativ aufwendige Steuerventile erforderlich.
Dort soll ein,-dauernder Ausschaltzustand mit relativ großer-Trennstrecke ermöglicht
werden. - -Bei rein mechanisch gesteuerten Lastschaltstellen mit Druckluftbeblasung
im Ausschaltaugenblick (französische Patentschrift 874 628) ist es schließlich schon
bekannt, die zunächst gemeinsam bewegten Kontaktstücke im Augenblick nach der Kontakttrennung
gegensinnig zu bewegen, wobei sie relativ schnell voneinander unter Beblasung: getrennt
werden. Hierbei ist jedoch eine störanfällige, ausklinkbare Mitnehmervorrichtung
erforderlich. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Druckgassehalter der
eingangs beschriebenen Art derart weiterzubilden, daß die Kontaktstücke während
des Ausschaltvorganges mit in bekannter Weise vorteilhafter großer Geschwindigkeit
voneinander getrennt werden, ohne daß aufwendige Steuerventile oder mechanische
störanfällige Mitnehmerverklinkungen notwendig sind.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß folgende Maßnahmen
gemeinsam angewendet werden a) Die Massen der Hohlkontaktstücke, die auf diese wirkenden
Federkräfte und die Durchmesser der wirksamen Kolbenflächen der Kontaktstücke sind
derart gewählt, daß
ist, worin P der Wert des Gasdruckes in der Schaltkammer ist, bei dem die Kontaktstücke
aus ihrer Ruhelage getrieben werden, do der äußere Durchmesser der ringförmigen
Berührungsflächen zwischen den Kontaktstücken, dl der innere Durchmesser. der in
Richtung auf das obere Kontaktstück durch das Druckgas beaufschlagbaren Kolbenfläche
des unteren Kontaktstückes, d2 der äußere Durchmesser der in der gleichen Richtung
mit Druckgas beaufschlagbaren, rückwärtigen Kolbenfläche des oberen Kontaktstückes,
m,. die Masse des unteren Kontaktstückes, m2 die Masse des oberen Kontaktstückes,
K, die auf das untere Kontaktstück wirkende Federkraft und K2 die auf das obere
Kontaktstück wirkende Federkraft ist; b) d, ist größer als d, und kleiner als d2;
c) d3 als Durchmesser einer zylinderförmigen Mantelfläche des oberen Kontaktstückes,
der gleichzeitig dessen durch do und d2 bestimmte, sich gegenüberliegende Kolbenflächen
nach innen begrenzt, ist größer als dl; d) die Kraft K2 der Druckfederung des oberen
Kontaktstückes ist so gewählt, daß beide Kontaktstücke bei druckloser Schaltkammer
in einer unteren, durch einen Anschlag bestimmten Lage gehalten sind; e) der Hub
des unteren Kontaktstückes ist durch einen Anschlag in der Richtung zum oberen Kontaktstück
während des Ausschaltvorganges auf einen Bruchteil des Hubes des oberen Kontaktstückes
beschränkt;
Die lediglich zur Verdeutlichung angegebenen Begriffe »unten« und »oben« beziehen
sich auf die Lage der Schalterteile nach F i g. 1, die selbstverständlich auch anders
sein kann.
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Durch die Erfindung wird erreicht, daß, wenn der Gasdruck in der Schaltkammer
den Ausschaltwert P erreicht hat, die beiden Kontaktstücke zunächst zusammen in
derselben Richtung getrieben werden, ohne daß sie voneinandergerissen werden. Diese
Wirkung wird dadurch unterstützt, daß das untere Kontaktstück ähnlich den Magdeburger
Halbkugeln durch
das obere Kontaktstück in der Ausschaltrichtung
mitgenommen wird. Nachdem die Kontaktstücke eine durch einen Anschlag bestimmte
Strecke zurückgelegt haben, wird das untere Kontaktstück plötzlich durch den Anschlag
zurückgeworfen und außerdem durch den dann in entgegengesetzter Richtung einwirkenden
Gasdruck stark beschleunigt, so daß die Kontakttrennung mit sehr großer, durch die
bekannten Schalter nicht erreichbarer Geschwindigkeit stattfindet.
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Damit sicher erreicht wird, daß das untere Kontaktstück während des
ersten Teiles des Ausschaltvorganges dem oberen Kontaktstück bis zum Anschlag folgt,
soll eine Beschleunigung durch den Gasdruck und durch die gegebenenfalls vorhandene
Federkraft mindestens ebensogroß wie die Beschleunigung des oberen Kontaktstückes
infolge aller auf letzteres wirkenden Ausschaltkräfte sein. Anderenfalls könnten
die Kontaktstücke vorzeitig voneinander getrennt werden.
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Weitere Vorteile sind durch die Maßnahmen nach den Ansprüchen 2 und
3 erzielbar, wie aus der Beschreibung hervorgeht.
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In der Zeichnung ist die Erfindung an Hand eines Ausführungsbeispiels
näher erläutert.
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F i g. 1 zeigt einen Längsschnitt des wesentlichen Teiles des erfindungsgemäßen
Schalters, F i g. 2 das Weg-Zeit-Diagramm der Kontaktstücke eines bekannten Druckgasschalters
nach dem Oberbegriff' des Anspruches 1 und F i g. 3 das entsprechende Weg-Zeit-Diagramm
nach der Erfindung.
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In F i g. 1 sind 1 und 2 feste Kontaktstückträger, die elektrisch
leitend mit Anschlußleitern 3 und 4 verbunden sind und durch ein Rohr 5 aus Isoliermaterial,
das gleichzeitig eine Schaltkammer 22 bildet, in Entfernung voneinander gehalten
werden. Durch Rohre 6 und 7 aus Isoliermaterial werden die Kontaktstückträger 1
und 2 in einem geerdeten, metallenen Gefäß 8 an Ort und Stelle gehalten.
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Der Kontaktstückträger 1 ist mit einem zentralen Hohlraum 9 versehen,
der an seinem unteren Ende mit einem Gasabführungsrohr 10 aus Isoliermaterial in
offener Verbindung steht. Der Hohlraum 9 ist an seinem oberen Ende durch eine Stirnwand
11 mit einer Zentralbohrung abgeschlossen, durch die ein unteres, axial bewegliches,
rohrförmiges, hohles Kontaktstück 12 gasdicht hindurchgeführt ist. Der Zentralhohlraum
13 des Kontaktstückes steht mit dem Hohlraum 9 des Kontaktstückträgers 1 und dem
Rohr 10 in offener Verbindung.
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Der Kontaktstückträger 2 ist mit einem Zylinderraum 14 versehen, der
an seinem oberen Ende mit einem Gasabführungsrohr 15 aus Isoliermaterial in offener
Verbindung steht und an seinem unteren Ende durch eine Stirnwand 16 abgeschlossen
ist, durch die ein oberes axial bewegliches, rohrförmiges Kontaktstück 17 passend
hindurchgeführt ist. Dieses Kontaktstück ist mit einem im Zylinderraum 14 wie ein
Kolben arbeitenden Teil 18 versehen. Der Zentralhohlraum 19 des Kontaktstückes 17
steht mit dem Zylinderraum 14 und dem Rohr 15 in offener Verbindung.
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Das Kontaktstück 17 ist im Ruhezustand des Schalters bei druckloser
Schaltkammer 22 durch Federn 20 gegen das Kontaktstück 12 gedrückt, wodurch letzteres
gegen einen an der Stirnwand 11 des Kontaktstückträgers 1 befestigten Anschlagring
21 liegt. In diesem Zustand des Schalters ist die durch das Rohr 5 umschlossene
Schaltkammer 22 gasdicht von den Hohlräumen 13, 19 der Kontaktstücke und den dahinterliegenden
Gasabführungen getrennt, da die gegeneinandergedrückten Kontaktstücke 12, 17 mit
ringförmigen Stirnflächen gasdicht gegeneinanderliegen. Das Kontaktstück 12 ist
mit einem Anschlagring 23 versehen, der die Strecke bestimmt, um die es nach
oben getrieben werden kann.
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Nach der Erfindung ist der äußere Durchmesser d, der ringförmigen
Berührungsfläche zwischen den Kontaktstücken 12 und 17 größer als der Durchmesser
d, der Zentralbohrung der Stirnwand 11 und kleiner als der Durchmesser d2 der wirksamen
Kolbenfläche des Teiles 18 des Kontaktstückes 17, der gleich dem Durchmesser des
zugehörigen Zylinderraumes 14 ist. Weiter ist der Durchmesser d3 der Zentralbohrung
der Stirnwand 16 größer als d, und kleiner als d2. Die genannten Durchmesser bestimmen
die Größen der jeweils wirksamen Kolbenringflächen der Kontaktstücke.
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Soll der Stromkreis, in dem der Druckgasschalter als Leistungsschalter
in Reihe mit einem gesonderten Trennschalter (nicht dargestellt) zum Unterbrochenhalten
und zum Schließen des Stromkreises geschaltet ist, abgeschaltet werden, so wird
der Schaltkammer 22 Druckgas zugeführt. Überschreitet der Druck in der Schaltkammer
den Wert P, der durch die Formel
gegeben ist, worin K2 die Kraft der Federn 20 im dargestellten Ruhezustand des Schalters
ist, so werden beide Kontaktstücke 12,17 gegen die Kraft der Federn 20 nach
oben bewegt, da das Kontaktstück 12 durch den gemäß obiger Formel wirkenden Gasdruck
gegen das Kontaktstück 17 gedrückt wird. Kurz nachdem die Schaltkontakte 12,17 sich
zusammen in Bewegung gesetzt haben, wird der Zylinderraum 14a unterhalb des Kolbenteiles
18 des Kontaktstückes 17 durch eine Nut 24 in dessen Außenwand mit der Schaltkammer
22 in Verbindung gesetzt, so daß plötzlich die große Kolbenoberfläche mit dem Durchmesser
d2 dem Gasdruck ausgesetzt wird und beide Kontaktstücke mit großer Beschleunigung
nach oben bewegt werden. Wenig später stößt das Kontaktstück 12 mit seinem
Anschlagring 23 gegen die Stirnwand 11,
während das Kontaktstück 17 sich weiter
emporbewegt. Dadurch wird das Kontaktstück 12 plötzlich zurückgeworfen. Die Kontaktstücke
12, 17 werden daher voneinander getrennt. Ein starker Gasstrom aus der Schaltkammer
22 kann jetzt durch die Hohlräume 13,19, den Hohlraum 9, den Zylinderraum 14 und
die Rohre 10, 15 hindurch entweichen. Der Gasdruck beaufschlagt jetzt auch die Stirnflächen
beider Kontaktstücke und treibt diese zusätzlich mit großer Geschwindigkeit auseinander.
Die Löschung des zwischen den sich voneinander entfernenden Kontaktstücken gezogenen
Lichtbogens wird durch diesen Gasstrom sehr beschleunigt. Um sicher zu verhindern,
däß das Kontaktstück 12 während der Emporbewegung hinter dem Kontaktstück 17 zurückbleibt,
muß die Beschleunigung des Kontaktstückes 12 durch die darauf wirkenden Kräfte mindestens
gleich der Beschleunigung des Kontaktstückes 17 sein. Im vorliegenden Fall müssen
daher die Massen m,. und m2 der Kontaktstücke 12, 17, die Kraft K2 der Federn
20
und die Durchmesser do, d,. und d2 derart gewählt sein, daß
ist. Auch das Kontaktstück 12 kann durch Federn belastet sein. Dies ist z. B. nötig,
wenn die Masse m,. des Kontaktstückes 12 nicht genügend klein gemacht werden kann.
In vielen Fällen sind diese zusätzlichen Federn nicht nötig, und es genügt ein verhältnismäßig
kurzes und einfaches Kontaktstück 12, was außerdem den Vorteil hat, daß der entweichende
Gasstrom in diesem Kontaktstück weniger Widerstand erfährt und daß die Länge des
ganzen Schaltelementes wesentlich herabgesetzt werden kann. Das letztere ist wichtig,
wenn derDruckgasschalter mehrere in Reihe geschaltete Paare zusammenarbeitender
Kontaktstücke hat.
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Aus den Weg-Zeit-Diagrammen nach F i g. 2 und 3 geht hervor, daß die
Geschwindigkeit, mit der sich die Kontaktstücke sofort nach der Trennung voneinander
entfernen, bei einem Schalter nach der Erfindung (F i g. 3) viel größer als bei
einem Schalter mit Kontaktstücken ist, die beim Erreichen des erforderlichen Gasdruckes
von Anfang an in entgegengesetzten Richtungen angetrieben werden (F i g. 2). Wie
ohne weiteres ersichtlich ist, erfolgt die Kontakttrennung auch schneller als bei
Druckgasschaltern mit zunächst mitgehendem unteren Kontaktstück, weil gemäß der
Erfindung das letztere von dem Anschlag 11 zurückprallt und dabei durch den Gasdruck
in der neuen Richtung beaufschlagt wird. Der von den Kontaktstücken zurückgelegte
Weg ist auf der Abszissenachse und die Zeit auf der Ordinate aufgetragen. Der Moment
der Trennung ist jeweils durch die senkrechte Linie 25 angedeutet.