DE19850395A1 - Leistungsschalter - Google Patents

Abstract

Ein Lichtbogenraum (3) ist mit einem Heizvolumen (8) über einen Gaskanal (9) verbunden, welcher einen inneren Abschnitt und einen seitlich von in das Heizvolumen (8) ragenden Leitwänden (12a, b) begrenzten äußeren Abschnitt mit jeweils ungefähr konstantem Querschnitt aufweist und eine zwischen denselben liegende Ansaugstelle (16), wo sich der Querschnitt sprungartig erweitert und seitlich Ansaugöffnungen (17a, b) in den Gaskanal (9) münden, die unmittelbar ins Heizvolumen (8) führen. In einer ersten Phase einer Ausschaltung fließt Heißgas aus dem Lichtbogenraum (3) durch den Gaskanal (9) ins Heizvolumen (8), wobei durch die Ansaugöffnungen (17a, b) Kaltgas in den Heißgasstrom gesaugt wird, der tief in das Heizvolumen (8) eindringt und sich dadurch weiter stark mit Kaltgas vermischt. In einer anschließenden zweiten Phase wird bei umgekehrter Strömungsrichtung von Anfang an Kaltgas aus dem Heizvolumen (8) durch die Ansaugöffnungen (17a, b) in den Gaskanal (9) gedrückt. Heißes und kaltes Gas werden gründlich gemischt und verhältnismäßig kaltes Gas erreicht schon früh den Lichtbogenraum (3).

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft einen Leistungsschalter gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Derartige Leistungsschalter werden in Kraftwerken, Umspannwerken und anderen Einrichtungen der Elektroenergieversorgung zum Ein- und Ausschalten von Betriebs- und Überströmen eingesetzt.

Stand der Technik

Aus der DE-A-196 27 098 ist ein gattungsgemässer Leistungsschalter bekannt, bei welchem der Lichtbogenraum mit dem denselben umgebenden Heizvolumen durch einen Gaskanal verbunden ist, welcher lediglich als kurzer die Seitenwand des ersteren unterbrechender Ringspalt ausgebildet ist. Bei einer Ausschaltung werden durch den Lichtbogen, der zwischen den Abbrandkontakten gezogen wird, Temperatur und Druck im Lichtbogenraum stark erhöht, so dass aufgeheiztes Gas aus demselben in das Heizvolumen strömt, wo sich dieses Heissgas mit Kaltgas vermischt und ein hoher Druck aufgebaut wird. Beim folgenden Rückgang des Drucks im Lichtbogenraum kommt eine Rückströmung aus dem Heizvolumen in Gang, die eine Mischung von Heissgas und Kaltgas in den Lichtbogenraum bringt und schliesslich den Lichtbogen löscht und eine hohe Durchschlagsfestigkeit im Lichtbogenraum herstellt.

Ein entsprechend funktionierender Schalter, bei welchem der Gaskanal länger ist und z. T. parallel zur Schaltachse verläuft, ist aus der DE-A-42 11 158 bekannt.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, die Strömungsverhältnisse in einem gattungsgemässen Schalter zu verbessern. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst.

Durch die Erfindung wird ein gattungsgemässer Leistungsschalter geschaffen, bei welchem bei den zur Rückheizung führenden Stromstärken das aus dem Lichtbogenraum in das Heizvolumen strömende Heissgas unter starker Vermischung mit dem dortigen Kaltgas weit in das Heizvolumen eindringt. Bei der Rückströmung gelangt von Anfang an ein hoher Anteil von Kaltgas, das aus vom Heissgasstrom nicht oder wenig berührten Bereichen des Heizvolumens stammt, in den Lichtbogenraum.

Die durch die Erfindung erzielten Vorteile liegen insbesondere darin, dass die Löschgasqualität des aus dem Heizvolumen in den Lichtbogenraum strömenden Gases verbessert wird. Dadurch kann der erfindungsgemässe Schalter in anderer Beziehung freier an sonstige Bedürfnisse angepasst werden und z. B. kleiner dimensioniert werden. Insbesondere müssen Ausbildung und Abmessungen des Heizvolumens weniger auf die Ausbildung einer Gasströmung mit hoher Löschwirkung ausgerichtet werden, da dieselbe durch die erfindungsgemässen Massnahmen im wesentlichen sichergestellt ist. Auch auf Unterstützung der Löschgasströmung durch mechanische Mittel wie Pumpen kann eher verzichtet werden oder dieselben können kleiner dimensioniert werden, was Herstellung und Betrieb des erfindungsgemässen Schalters wesentlich verbilligt.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren, welche lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellen, näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1a einen axialen Längsschnitt durch einen Teil eines erfindungsgemässen Leistungsschalters gemäss einer ersten Ausführungsform in der Ausschaltstellung,

Fig. 1b einen Teilquerschnitt längs B-B in Fig. 1a,

Fig. 2a schematisch das Strömungsmuster in einem erfindungsgemässen Leistungsschalter nach Fig. 1a, b während einer ersten Phase einer Ausschaltung,

Fig. 2b in Fig. 2a entsprechender Darstellung das Strömungsmuster während einer zweiten Phase einer Ausschaltung,

Fig. 3a einen axialen Längsschnitt durch einen Teil eines erfindungsgemässen Leistungsschalters gemäss einer zweiten Ausführungsform in der Ausschaltstellung,

Fig. 3b einen Teilquerschnitt längs B-B in Fig. 3a,

Fig. 4a einen axialen Längsschnitt durch einen Teil eines erfindungsgemässen Leistungsschalters gemäss einer dritten Ausführungsform in der Ausschaltstellung,

Fig. 4b einen Teilquerschnitt längs B-B in Fig. 4a,

Fig. 5a einen axialen Längsschnitt durch einen Teil eines erfindungsgemässen Leistungsschalters gemäss einer vierten Ausführungsform in der Ausschaltstellung,

Fig. 5b einen Teilquerschnitt längs B-B in Fig. 5a,

Fig. 6a eine Hälfte eines axialen Längsschnitts durch einen Teil eines erfindungsgemässen Leistungsschalters gemäss einer fünften Ausführungsform in der Ausschaltstellung, und

Fig. 5b einen Teilquerschnitt längs B-B in Fig. 6a.

Wege zur Ausführung der Erfindung

Ein erfindungsgemässer Leistungsschalter gemäss einer ersten Ausführungsform (Fig. 1a, b) weist, in einem Gehäuse mit einer Aussenwand 1 aus Keramik oder hitzebeständigem Kunststoff eine Kontakttulpe 2 als feststehendes erstes Schaltstück auf sowie als bewegliches zweites Schaltstück einen Schaltstift (nicht dargestellt), welcher in einer Einschaltstellung von den Kontaktfingern der Kontakttulpe aussen berührt wird und in der Ausschaltstellung (Fig. 1a) von der Kontakttulpe 2 durch einen Lichtbogenraum 3, der von einer umlaufenden Seitenwand 4, vorzugsweise aus hitzebeständigem Kunststoff, begrenzt wird, getrennt ist.

Der Schaltstift ist längs einer Schaltachse 5 verschieblich, bezüglich welcher sowohl die Aussenwand 1 als auch die Seitenwand 4 des Lichtbogenraums 3 rotationssymmetrisch ausgebildet sind. An den gegenüberliegenden Enden des Lichtbogenraums 3 sind Auspufföffnungen 6, 7 angeordnet, welche, im einen Fall durch die mittige Öffnung der Kontakttulpe 2, denselben mit Auspuffvolumina verbindet.

Zwischen der Aussenwand 1 und der Seitenwand 4 liegt ein Heizvolumen 8, das den Lichtbogenraum 3 ringförmig koaxial umgibt und an den Kopfenden durch kreisringförmige Querwände (nicht dargestellt) abgeschlossen ist. Der Lichtbogenraum 3 ist mit dem Heizvolumen 8 durch einen Gaskanal 9 verbunden, welcher ebenfalls im wesentliche rotationssymmetrisch bezüglich der Schaltachse 5 ausgebildet und bezüglich einer zur Schaltachse 5 normalen Mittelebene 10 symmetrisch ist. Er weist einen an den Lichtbogenraum 3 anschliessenden inneren Abschnitt auf, welcher als radiale Durchführung 11 durch dessen Seitenwand 4 ausgebildet ist. Sie bildet einen kurzen umlaufenden radial gerichteten Spalt, dessen Breite sich in axialer Richtung mit zunehmendem Radius derart verringert, dass seine Querschnittsfläche sich nicht oder nur wenig ändert.

Ein anschliessender äusserer Abschnitt des Gaskanals 9 wird durch zwei Leitwände 12a, b aus hitzebeständigem Kunststoff wie z. B. Teflon® in axialer Richtung seitlich begrenzt, welche kegelstumpfmantelartig nach aussen zusammenlaufen, wiederum so, dass die Querschnittsfläche des zwischen ihnen liegenden äusseren Abschnittes des Gaskanals 9 sich mit dem Radius nicht oder nur wenig ändert. Ihre Aussenränder bilden zwischen sich eine Mündung 13 des Gaskanals 9 in das Heizvolumen 8, welche der Aussenwand 1 mit verhältnismässig geringem Abstand gegenüberliegt, da die Leitwände 12a, b bis nahe an dieselbe heranreichen. Sie sind auch jeweils durch vier gleichmässig über ihren Umfang verteilte schmale Stege 14 mit derselben verbunden, die jedoch zwischen den Aussenrändern der Leitwände 12a, b und der Aussenwand 1 Ausströmöffnungen 15 freilassen, durch welche die Mündung 13 mit dem grösseren Teil des Heizvolumens 8 verbunden ist.

Unmittelbar an der Aussenseite der Seitenwand 4 weist der Gaskanal 9 eine Ansaugstelle 16 auf. Die Leitwände 12a, b sind dort durchbrochen oder nicht bis zur Seitenwand 4 durchgezogen, so dass beidseits zwischen ihren Innenrändern und der Seitenwand 4 umlaufende Spalte frei bleiben, welche Ansaugöffnungen 17a, b bilden. Sie münden seitlich in den Gaskanal 9 und stellen eine unmittelbare Verbindung zwischen demselben und dem Heizvolumen 8 her. Der Abstand zwischen den Innenrändern der Leitwände 12a, b ist etwas grösser als die Breite der Durchführung 11 an der Aussenseite der Seitenwand 4, so dass sich die Querschnittsfläche des Gaskanals 9 an der Ansaugstelle 16 sprungartig etwas vergrössert.

Der bei einer Ausschaltung zwischen der Kontakttulpe 2 und dem Schaltstift gezogene Lichtbogen wird bei ausreichender Stromstärke durch Rückheizen gelöscht. Dabei wird durch den Lichtbogen, der sich längs der Schaltachse 5 durch den Lichtbogenraum 3 zieht, das Löschgas dort stark aufgeheizt. Der durch die Aufheizung verursachte Überdruck im Lichtbogenraum 3 führt in einer ersten Phase der Ausschaltung (Fig. 2a) zu einer schnellen Strömung von Heissgas (gestrichelte Pfeile) aus dem Lichtbogenraum 3 durch den Gaskanal 9 in das Heizvolumen 8, in welche an der Ansaugstelle 16 durch die Ansaugöffnungen 17a, b Kaltgas (durchgezogene Pfeile) aus den beidseits aussen an die Leitwände 12a, b anschliessenden Bereichen des Heizvolumens 8 gesaugt wird. Dies führt zu einer Vermischung des Heissgases mit Kaltgas bereits im zwischen den Leitwänden 12a, b liegenden äusseren Abschnitt des Gaskanals 9. Der aus der Mündung 13 austretende gemischte Gasstrom prallt gegen die Innenseite der Aussenwand 1 und wird nach beiden Seiten abgelenkt, wo er unter weiterer Durchmischung mit Kaltgas weit in das Heizvolumen 8 eindringt.

Nach erfolgtem Druckaufbau im Heizvolumen 8 kehrt sich (Fig. 2b) die Strömungsrichtung um. In dieser zweiten Phase der Ausschaltung strömt durch die Mündung 13 Gas mit wegen der guten Durchmischung hohem Kaltgasanteil in den Gaskanal 9. Ausserdem wird fast unvermischtes Kaltgas aus den an die Aussenseiten der Leitwände 12a, b anschliessenden und durch sie abgeschirmten Bereichen des Heizvolumens 8 durch die Ansaugöffnungen 17a, b in den Gaskanal 9 gepresst. Da diese nur durch die kurze Durchführung 11 vom Lichtbogenraum 3 getrennt sind, erreicht das Kaltgas denselben auf diesem Wege sehr rasch. Die Kaltgasströmung, die radial in den Lichtbogenraum 3 ein- und beidseits durch die Auspufföffnungen 6, 7 axial abströmt, entfaltet sofort eine hohe Löschwirkung, so dass der Lichtbogen bei einem der nächsten Nulldurchgänge sicher gelöscht wird.

Der erfindungsgemässe Leistungsschalter gemäss einer zweiten Ausführungsform (Fig. 3a, b) entspricht in allen wesentlichen Punkten demjenigen gemäss der ersten Ausführungsform. Der Unterschied liegt lediglich darin, dass die Leitwände 12a, b, nicht an der Aussenwand 1, sondern, ebenfalls durch vier Stege 14, an der Seitenwand 4 des Lichtbogenraums 3 befestigt sind. Dadurch ist die Mündung 13 des Gaskanals 9 beidseits durch ohne Unterbrechung umlaufende Ausströmöffnungen 15 mit dem weiteren Heizvolumen 8 verbunden, während die Ansaugöffnungen 17a, b durch die Stege 14 unterbrochen sind. Die Funktionsweise wird durch diesen Unterschied kaum beeinflusst.

Beim erfindungsgemässen Leistungsschalter gemäss einer dritten Ausführungsform (Fig. 4a, b) sind gegenüber dem vorstehend beschriebenen lediglich die Leitwände 12a, b leicht abgewandelt. Sie sind jeweils durch einen in der Nähe des Aussenrandes an der vom Gaskanal 9 abgewandten Aussenseite umlaufenden Wulst 18 verstärkt, der diesen mechanisch hoch belasteten Bereich stützt und vor Beschädigung schützt.

Gemäss einer vierten Ausführungsform (Fig. 5a, b) weist der erfindungsgemässe Leistungsschalter einen weiteren Gaskanal 19 mit einer Mündung 20 auf, der ebenfalls aus einem inneren Abschnitt, einer radialen, spaltförmigen Durchführung 21 und einem äusseren Abschnitt, der seitlich von zwei Leitwänden 22a, b begrenzt wird, besteht, zwischen denen eine Ansaugstelle 23 mit Ansaugöffnungen 24a, b liegt. Die beiden Gaskanäle 9, 19 sind in axialer Richtung beabstandet und bezüglich der Mittelebene 10 symmetrisch angeordnet und ausgebildet. Sie sind axial leicht nach aussen, d. h. voneinander weg geneigt. In allen anderen Punkten entspricht der Leistungsschalter jedoch demjenigen gemäss der zweiten Ausführungsform. Natürlich könnte er auch gemäss der ersten oder dritten ausgebildet sein.

Das Strömungsmuster entspricht im wesentlichen dem im Zusammenhang mit dem erfindungsgemässen Leistungsschalter gemäss der ersten Ausführungsform erläuterten, doch wird in der ersten Phase die Strömung jeweils stärker gegen die Kopfenden des Heizvolumens 8 gerichtet, so dass der mittlere, zwischen den beiden mittleren Leitwänden 12b, 22b liegende Bereich vom Heissgas praktisch nicht erreicht wird. Die entsprechenden mittleren Ansaugöffnungen 17b, 24b sind etwas grösser ausgebildet als die äusseren Ansaugöffnungen 17a, 24a, so dass vor allem aus dem besagten Bereich stammendes, im wesentlichen unvermischtes Kaltgas in den Gaskanal 9 gepresst wird. Dadurch wird die erfindungsgemässe Wirkung verstärkt.

Bei einem erfindungsgemässen Leistungsschalter gemäss einer fünften Ausführungsform (Fig. 6a, b) ist das Heizvolumen 8 gegenüber dem Lichtbogenraum 3 in der Richtung der Schaltachse 5 versetzt. Die Durchführung 11 ist zwar ebenfalls als spaltartige Unterbrechung in der hier etwas dickeren den Lichtbogenraum 3 umgebenden Seitenwand 4 ausgebildet, die jedoch einen an einen inneren Teil, der vom Lichtbogenraum 3 radial nach aussen verläuft, anschliessenden axialen äusseren Teil aufweist, der zu einer Stirnwand des Heizvolumens 8 führt. Die Leitwände 12a, b sind als annähernd parallele, zur Mündung 13 hin leicht gegeneinander geneigte koaxiale Ringe ausgebildet, welche den anschliessenden axialen äusseren Abschnitt des Gaskanals 9 innen und aussen seitlich begrenzen. Die Ansaugstelle 16 ist durch die Durchführung 11 geringfügig ins Heizvolumen 8 hinein fortsetzende Stutzen etwas vorgeschoben, was das Ansaugen von Kaltgas durch die Ansaugöffnungen 17a, b während der ersten Phase der Ausschaltung verstärkt.

Diese Ausführungsform erlaubt bei etwa gleichen Schalterabmessungen eine längere Ausbildung des Heizvolumens 8, dessen der Mündung 13 des Gaskanals 9 gegenüberliegenden Wand von derselben deutlich beabstandet ist, was ein ungehindertes Ausströmen des Heissgases und ein tiefes Eindringen desselben ins Heizvolumen 8 erlaubt.

Bezugszeichenliste

1

Aussenwand

2

Kontakttulpe

3

Lichtbogenraum

4

Seitenwand von Lichtbogenraum

3

5

Schaltachse

6

,

7

Auspufföffnungen

8

Heizvolumen

9

Gaskanal

10

Mittelebene

11

Durchführung

12

a, b Leitwände

13

Mündung von Gaskanal

9

14

Steg

15

Ausströmöffnung

16

Ansaugstelle

17

a, b Ansaugöffnungen

18

Wulst

19

Gaskanal

20

Mündung von Gaskanal

19

21

Durchführung

22

a, b Leitwände

23

Ansaugstelle

24

a, b Ansaugöffnungen

Claims (14)

1. Leistungsschalter mit, in einem Gehäuse, einem ersten Abbrandkontakt und einem zweiten Abbrandkontakt, welche längs einer Schaltachse (5) zwischen einer Einschaltstellung, in der sie einander berühren und einer Ausschaltstellung, in der sie voneinander beabstandet sind, so dass zwischen ihnen ein Lichtbogenraum (3) liegt, gegeneinander beweglich im Gehäuse gelagert sind, mindestens einer Auspufföffnung (6, 7), die an den Lichtbogenraum (3) anschliesst sowie mit einem Heizvolumen (8), in welchen mindestens ein vom Lichtbogenraum (3) ausgehender Gaskanal (9; 19) mündet, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Gaskanal (9; 19) einen an den Lichtbogenraum (3) anschliessenden inneren Abschnitt, an denselben anschliessend mindestens eine Ansaugstelle (16; 23) mit mindestens einer mit dem Heizvolumen (8) verbundenen seitlich in den Gaskanal (9; 19) mündenden Ansaugöffnung (17a, 17b; 24a, 24b) und einen an die mindestens eine Ansaugstelle (16; 23) anschliessenden, zum Heizvolumen (8) führenden äusseren Abschnitt aufweist.

2. Leistungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansaugöffnung (17a, 17b; 24a, 24b) unmittelbar ins Heizvolumen (8) führt.

3. Leistungsschalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Querschnittsfläche des mindestens einen Gaskanals (9; 19) an der mindestens einen Ansaugstelle (16; 23) sprungartig vergrössert.

4. Leistungsschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsfläche des inneren Abschnitts und des äusseren Abschnitts des mindestens einen Gaskanals (9; 19) jeweils im wesentlichen konstant ist oder abnimmt.

5. Leistungsschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens der äussere Abschnitt des mindestens einen Gaskanals (9; 19) wenigstens einseitig durch eine in das Heizvolumen (8) hineinragende Leitwand (12a, 12b; 22a, 22b) begrenzt wird, welche von der Ansaugöffnung (17a, 17b; 24a, 24b) der mindestens einen Ansaugstelle (16; 23) durchbrochen ist.

6. Leistungsschalter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens der äussere Abschnitt des mindestens einen Gaskanals (9; 19) allseitig von einer Leitwand oder Leitwänden (12a, 12b; 22a, 22b) begrenzt wird.

7. Leistungsschalter nach Anspruch einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizvolumen (8) die Schaltachse (5) koaxial umgibt.

8. Leistungsschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizvolumen (8) durch eine Seitenwand (4) desselben von ihm getrennt an den Lichtbogenraum (3) anschliesst und der innere Abschnitt des mindestens einen Gaskanals (9; 19) von einer Durchführung (11; 21) durch die Seitenwand (4) gebildet wird.

9. Leistungsschalter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der äussere Abschnitt des mindestens einen Gaskanals (9; 19) beidseits von flach-, ring- oder kreisringförmigen oder kegelstumpfmantelförmigen zusammenlaufenden Leitwänden (12a, 12b; 22a, 22b) begrenzt. wird.

10. Leistungsschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Gaskanal (9) mindestens ungefähr normal zur Schaltachse (5) verläuft.

11. Leistungsschalter nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass er mindestens zwei in Richtung der Schaltachse (5) aufeinanderfolgende Gaskanäle (9, 19) aufweist.

12. Leistungsschalter nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass er zwei bezüglich einer zur Schaltachse (5) normalen Mittelebene (10) nach aussen geneigte Gaskanäle (9, 19) aufweist.

13. Leistungsschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Gaskanal (9) mindestens annähernd parallel zur Schaltachse (5) in das Heizvolumen (8) mündet.

14. Leistungsschalter nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der gesamte äussere Abschnitt des Gaskanals (9) und mindestens ein demselben voraufgehender Teil des inneren Abschnittes desselben mindestens annähernd parallel zur Schaltachse (5) verlaufen.