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Vakuumschalter (Für diese anmeldung wird die Priorität der entsprechenden
USA-Patentanmeldung Serial No. 709 124 vom 28.2.1968 beansprucht) Die Srlindung
betrifft einen Vakuumschalter mit einem feststehenden Schaltstück und einem beim
Einschalten stumpf gegen dieses stoßenden beweglichen Schaltstück. Sie bezweckt
eine Vergrößerung der Lebensdauer der Schalt stücke. Dies ist für Vakuumschalter
deshalb besonders wichtig, eil die sauerstofffreie Atmosphäre Beschädigungen der
Schaltstücke durch Verschweißen besonder begünstigt.
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Es ist bekannt, den Abbrand der Schaltstücke von Vakuumschaltern durch
eine magnetische Beeinflussung des husschaltlichtbogens zu verringern. Durch die
magnetische Beeinflussung wird der ;usschaltlichtbogen von den für den Dauerkontakt
in der Einschaltstellung wesentlichen Stellen eg an den Rand der Schaltstücke getrieben.
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Di eriindungsgemäße Erhöhung der Lebensdauer der Schalt stücke wird
dagegen dadurch erreicht, daß am feststehenden Schaltstück eine in Bewegungsrichtung
des beweglichen Schaltstückes bewegbare träge Masse angebracht ist. Diese Maßnahme
kann zusätzlich zu der bekannten magnetischen Beeinflussung des Ausschaltlichteines
vorgesehen sein. Sie kann aber aucf unabhängig davon angewendet werden, denn durch
die träge Masse nach der Erfindung wird eine Beschädigung der Schalt stücke durch
Kontaktprellen
beim schaltvorgang vermieden, mindestens tber verringert.
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Es ist an sich bekannt, an Kontaktanordnungen Maßnahmen gegen Prellen
vorzusehen. Nach der schweizerischen Patentschrift 299 058 sollen z.B. die Kontakte
als allseitig geschlossene Hohlkörper ausgebildet sein, in denen eine in der Bewegungsrichtung
des Kontaktes relativ zum Hohlkörper bewegbare Masse untergebracht ist. Bei dem
bekannten Schalter handelt es sich aber nicht um einen Vakuuiaschalter. Außerdem
ist die bekannte Bauweise recht kompliziert, während die erfindungsgemäße Anbringung
einer trügen Masse am feststehenden Schaltstück sehr einfach ist, wie später noch
näher erläutert wird.
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Zweckmäßig ist die träge Masse etwa ebenso groß wie die Masse des
beweglichen Schalt stückes und der gegebenenfalls mit ihm verbundenen Antriebsteile.
Für die Berücksichtigung der Antriebsteile ist wesentlich, ob die Masse der Antriebsteile
beim Einschalten zu einem Stoß auf das feststehende Schaltstück beiträgt oder nicht.
Z.B. können über eine Totgangverbindung gekoppelte Antriebsteile üblicherweise unberücksichtigt
bleiben.
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Bei einer besonders einfachen Ausfüllrungsform der Erfindung ist das
bewegliche Schalt stück zum Binschalten on unten nach oben bewegbar, und auf dem
feststehenden Schalt stück ruht ein Metallblock als träge Masse. Der Metallblock
kann am feststehenden Schaltstück mit einem als Führung dienenden Schraubenbolzen
angebracht sein. Er ist damit unverlierbar befestigt, ohne daß die für die erfindung
wesentliche Bewegbarkeit der trägen Masse behindert ist.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der ragen
Masse eine Dämpfungseinrichtung zugeordnet. Diese Dämpfungseinrichtung sorgt dafür,
daß die träge Masse selbst stoßfrei
abgebremst wird und mit nur
geringer Energie auf das feststehende Schaltstück zurückfällt. Zu diesem Zweck kann
die träge Masse einen Kolben in einem sie umgebenden Dämpfungszylinder darstellen.
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Die erfindung hat sich besonders bei solchen Vekuumschaltern bewahrt,
bei denen ein Antriebsglied mit dem beweglichen Schaltstück über eine Feder verbunden
ist, -die die Kontaktkraft liefett.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der folgenden
Beschreibung eines Ausführungsbeispiels an Hand der beiliegenden Zeichnungen.
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Fig. 1 ist eine perspektivische Darstellung eines Vakuumschaliers,
der auf einem schaltwegen angeordnet ist und in metallgekapselten iiochspannungsschaltzellen
eingesetzt werden soll.
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Die Schalt stücke sind in der Einschaltstellung gezeichnet.
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Fig. 2 ist eine vergrößerte Darstellung eines Leistungsschaliers nach
Fig. 1, wobei die Schaltstücke die Ausschaltstellung einnehmen.
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Die Figuren 3 bis 5 zeigen die Stellung der trägen Masse entsprechend
der Stellung der Schalt stücke beim Einschalten des Leistungsschalters.
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Die Figuren 6 und 7 illustrieren Versuchsergebnisse mit und ohne träge
Masse gemäß der erfindung. Sie lassen erkennen, daß Prellen auftritt, wenn die träge
Masse nicht verwendet wird.
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Fig. 8 ist eine abgewandelte Ausführung der trägen Masse, die sich
in einem Dämpfungszylinder mit Luftdämpfung bewegt, um
einen Teil
der energie der sich bewegenden trägen Masse allmählich aufzunehmen.
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In den Figuren, insbesondere in Fig. 1, ist mit 1 als Ganzes ein dreiphasiger
Leistungsschalter der Vakuumbauart bezeichnet, der der Verwendung in metallgekapselten
Schaltanlagen angepaßt ist. Es ist zu sehen, daß die drei Vakuumgehäuse 2, 3 und
4 vertikal verlaufend befestigt sind. Ihre Stirnseiten sind elektrisch und mechanisch
an den inneren Enden von Durchführungspaaren 6, 7 befestigt, die mit vertikalem
Abstand voneinander angeordnet sind. Wie Fig 1 zeigt, ist ein Wagen 8 vorgesehen,
der Räder 9 aufweist, so daß er in eine nicht. dargestellte Hochspannungsschalzelle
eingefahren oder aus ihr herausgezogen werden kann, wie im Schaltanlagenbau an sich
bekannt ist. Die Trennschaltstücke 10, 11 jedes Vakuumschalterelementes stehen in
der Betriebsstellung leitend mit zugehörigen feststehenden Haupt schalt stücken
in Berührung, die in der Figur nicht gezeichnet sind und an den inneren Wandteilen
der zugehörigen Hochspannungsschaltzelle sitzen, wie an sich bekannt ist.
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Zum Einschalten des Leistungsschalters 1 ist ein Antrieb 12 vorgesehen.
Er kann jede geeignete Bauart aufweisen, z.B. ein Spulenantrieb oder ein Speicherantrieb
sein, der im geerdeten Grundgestell 8 angeordnet ist, um eine, nach oben gerichtete
Einschaltbewegung der drei aus Isolierstoff bestehenden Antriebsstangen 13 zu erhalten,
die den drei Vakuumschalterelementen 2bis 4 zugeordnet sind.
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Beim Ausschalten führt eine Entklinkung des Antriebs 12 zu einer schnellen,
nach unten gerichteten Bewegung der drei Antriebsstangen 13. Dadurch pird als erstes
ein Teil der energie aufgenommen, die in den Kontaktdruckfedern 14 vorhanden ist.
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Anschließend ergibt sich nach dem Aufschlag der Muttern 15, die den
antriebsstangen 17 zugeordnet sind und gegen die obere Fläche 16a des gegabelten
Antriebshebels 16 stoßen, eine Stoßkraft in Ausschaltrichtung. Diese unterbricht
alle Schweißverbindungen, drne zwischen den Schaltstücken 16 und 17 entstanden sein
können, und führt zu einer schnell nach unten gerichteten Ausschaltbewegung.
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Ein wesentliches Ziel der vorliegenden Erfindung liegt darin, daß
durch eine Unterdrückungsvorrichtung 19 das Kontaktprellen beseitigt wird, das gerade
in Vakuumschaltern ein kritisches Problem darstellt, damit die Lebensdauer der Schalt
stücke wesentlich vergrößert wird, weil die Lichtbogenerosion beim Prellen verringert
wird.
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Wie dem Fachmann bekannt ist, ist das Kontaktprellen auf eine Reflexion
eines Teiles der kinetischen Energie eines beweglichen Schalt stückes 18 zurückzuführen,
die als Verformungsenergle im feststehenden Schaltstück 17 für eine ganz kurze Zeit
unmittelbar nach dem Einschaltstoß gespeichert wird und dann zum bewegliclaen Schaltstück
18 zurückkehrt. Die vorliegende erfindung ist besonders geeignet, den Teil dieser
anfänglichen kinetischen Energie zu vergrößern, der beim Stoß verlorengeht.
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Las Grundpinzip ist das gleiche, wie enn zwei Münzen auf einer flachen
Oberfläche so niedergelegt werden, daß sich ihre Kanten berühren und dann längs
der Verbindungslinie ihrer Mittelpunkte von einer dritten Münze getroffen werden.
Wenn die bewegliche Münze die beiden anderen trifft, wird die kinetische Energie
er die zweite Münze übertragen, wobei die kinetische Energie aul" die letzte Münze
übergeht.- Die anstoßende Münze führt zu praktisch keiner Verlagerung der mittleren
Münze, während sich die letzte Münze wegbewegt, nachdem sie praktisch die gesamte
Stoßenergie von den beiden anderen Münzen aufgenommen hat.
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Eine Möglichkeit zur Verwirklichung dieses Prinzipes in einem Leistungsschalter
1 ist in Fig. 2 dargestellt. Man sieht daraus, daß das bewegliche Schaltstück 18
bei einer nach oben gerichteten Bewegung der lsolierstoffstange 13 nach oben bewegt
wird und auf das Beststehende Schalt stück 17 trifft. Das bewegliche Schaltstück
18 verursacht beim Auftreffen auf das feststehende Schalstück 17 eine Druckwelle,
die durch das feststehende Schaltstück 17 zu einem Metallblock 21 gelangt.
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Der Metallblock 21 besitzt etwa die gleiche Masse wie das bewegliche
Schalt stück 18 und die mit diesem mechanisch gekoppelte sonstige Masse. Diese Masse
des Metallblockes 21 bewegt sich somit nach der uebernahme der kinetischen Energie
längs der zugehörigen rührung 22 nach oben. Bei der Bewegung nach oben verhindert
er ein Prellen zwischen den sich trennenden Schaltstükken 17 und 18 des Vakuumschalters
1. In der in Fig. 2 dargestellten Anordnung ist die träge Masse 21 auf einem fest
st ehenden Bolzen 22 geführt, der bei 27 in das obere Ende 24a der Stange 24 für
das feststehende Schaltstück 17 geschraubt ist.
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Wie zu sehen ist, trägt die Stange 24 das feststehende Schaltstück
17. Sie ist an einem Kontaktblock 25 festgeklemmt, der gabelförmig ausgebildet und
mit Schrauben 26 befestigt ist.
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Der geschlitzte Kontaktblock 25 ist seinerseits z.B. durch Löten mit
zwei vertikal verlaufenden leitenden Streifen 28, 29 versehen, die an die Anschlüsse
31 des Bolzens 32 reichen, der sich durch die obere Durchführung ó erstreckt. In
ähnlicher eise besitzt die untere Durchführung 7 des Gerätes einen Bolzen 33, der
einen L-fbrmigen Leiter 34 trägt. An diesem ist das untere Ende 35 des Vakuumschalterelementes
4 befestigt, wie Fig. 2 zeigt. Der untere bewegliche Kontakt 18 des Vakuumschalters
4 ist in bekannter Weise an geeigneten Faltenbalgen angebracht. Dadurch entsteht-ein
evakuierbares Gehäuse 26. Eine zugehörige Antriebsstange 37, die den beweglichen
Kontakt 18 trägt, ist mit einer Gelenkverbindung 39 am Antriebshebel 16 befestigt.
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Dieser wiederum wird von einem feststehenden Lagerbolzen 40 getragen.
Das äußere Ende des gegabelten Antriebshebels 16 weist eine Öffnung 16b auf. Diese
nimmt das obere bunde 13a der aus Isolierstoff bestehenden Antriebsstange 13 auf,
wobei die Kontaktdruckfeder 14 zwischengeschaltet ist.
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Beim bin schalten bewegt sich die Antriebsstange nach oben und veranlaßt
eine Bewegung des gegabelten Hebels 16 im Uhrzeigersinn um seinen feststehenden
Lagerpunkt 40. Dies ergibt eine nach oben gerichtete Einschaltbewegung des beweglichen
Schaltstückes 18, das gegen das feststehende Schaltstück 17 stößt.
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Dabei wird ein Teil der Einschaltenergie durch eine Druckwelle auf
die lose Masse 21 übertragen. Deshalb bewegt sich auch die Masse 21 nach oben von
dem geteilten Kontaktblock 25 eg. Sie absorbiert einen Teil der Einschaltenergie
des beweglichen Schaltstückes 18. Dies führt zu einem prellfreien Zinschalten der
Sciialtstücke 17, 18.
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Die Figuren 3 bis 5 zeigen die relative Lage zwischen den Schaltstücker.
17, 18 und der trägen Masse 21. Fig. 3 zeigt die Schaltstücke in der Ausschaltstellung.
In Fig. 4 ist zu sehen, wie sich die Schalt stücke 17, 18 zum erstenmal berühren,
wobei die Masse 21 sich nach oben bewegt, und Fig. 5 zeigt die Schaltstücke 17,
18 nach einer Zeit, in der die Masse 21 in den stationaren Zustand zurückkehrt.
Die Schaltstücke sind eingeschaltet.
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-Die Figuren 6 und 7 stellen Testergebnisse dar, die in einem Prüffeld
durch die Verwendung unterschiedlicher Massen erhalten wurden. Fi,. 6 zeigt einen
Prellvorgang, der sich ohne träge Masse nach der Erfindung einstellt. Fig. 7 zeigt
die wesentlich verbesserten ßrgebnisse durch die Verwendung einer trägen Masse 21.
Mit Vakuumschaltern wurden zahlreiche Versuche unternommen,
bei
denen verschiedenartige Gewichte verwendet wurden. Die ErE gebnisse waren überaus
positiv. Die Dauer der Prellersoheinung nahm mit zunehmenden Massengewichten ab.
Insbesondere konnte mit einem Gewicht von etwa 6 kp das Prellen vollständig beseitigt
werden. Vergleichsweise wurde versucht, das Prellen mit einer Masse zu unterdrücken,
die mit dem Vakuumschalter fest verbunden war. Diese Versuche hatten jedoch negative
Ergebnisse. Die Dauer der Prellungen wurde sogar vergrößert. Daher konnte aus den
Versuchen geschlossen werden, daß die wesentlichen Merkmale der vorliegenden Erfindung
erfolgreich geprüft sind und sich zum Verhindern von Prellen eignen.
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Fig. 8 zeigt eine geänderte Konstruktion 42, beider die Zusatzmasse
21 in einem Dämpfungszylinder 44 eingeschlossen ist. Im Gehäuse 44a der Dämpfungseinrichtung
ist vorzugsweise ein geeignetes Gas, wie Luft, enthalten, so daß ein gewisser Teil
der energie der Bewegung des Zusatzgewichts 21 absorbiert wird.
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Im einzelnen wird bei einem Auftreffen des beweglichen Schaltstückes
18 aul das feststehende Schalt stück 17 die kinetische Energie des beweglichen Schaltstückes
18 in einem Stoß mit Hilfe einer Druckwelle auf das feststehende Schaltstück 17
und den etallblock 21 übertragen. Der Block 21 bewegt sich in seinem vergrößerte
Gehäuse 44a nach oben, das als Dämpfungszylinder wirkt. Bei der nach oben gerichteten
Bewegung des Metallklotzes 21 wird die Luft im Gehäuse 44a komprimiert. Sie strömt
durch den Ringspalt 45 zwischen dem Metallblock 21 und dem Gehause 44a, obei Energie
verbraucht wird. Schließlich erreicht der Metallblock 21 das Ende seiner nach oben
-gerichteten Bewegung. Er beginnt wieder nach unten zu fallen und verdichtet dabei
das Gas 47 unter sich und verdünnt das Gas oberhalb. flas Gas 47 strömt wiederum
durch den Spalt 45 zwischen uem Metallblock 21 und dem Gehäuse 44a, so daß sich-
der Block 21 gedämpft auf den feststehenden Schaltstückträger 25 aufsetzt.
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Er überträgt dabei auf das feststehende Schaltstück 17 ein Minimum
an Energie, so daß keine weiteren Prellungen möglich sind.
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Aus der vorstehenden Beschreibung von zwei Ausführungsbeispielen der
Erfindung wird ersichtlich, daß eine verbesserte binrichtung zur Unterdrückung von
Prellungen angegeben wird, die mit einer Z.usatzmasse 21 zur Aufnahme der Einschaltenergie
desbeweglichen Schaltstückes 18 arbeitet. Man erreicht dadurch den Vorteil, daß
der auf die Durchführungen 6, 7 über die lei tenden Arme 28, 29, 34 ausgeübte Stoß
wesentlich verringert wird und vermeidet wirksam Brüche der aus Porzellan oder Keramik
bestehenden Burchführung 6, 7 sowie Lockerungen der Kupferleiter 32 in den Durchführungen
selbst. Ein anderes wichtiges Merkmal besteht darin, daß die Oberseite des Gehäuses
44a (Fig. 8) nur 5 bis 8 cm oberhalb des feststehenden Schaltstückes 25 zu liegen
bracuht.
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8 Figuren 7 Ansprüche