DE2741022C2

DE2741022C2 - Elektrischer Druckgasschalter

Info

Publication number: DE2741022C2
Application number: DE19772741022
Authority: DE
Inventors: Sylvain Le Havre Cagnioux
Original assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Current assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Priority date: 1976-10-20
Filing date: 1977-09-12
Publication date: 1987-01-02
Also published as: DE7728194U1; DE2741022A1; IT1087103B; CH619562A5

Description

Bei der Erfindung wird ausgegangen von einem elektrischen Druckgasschalter nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
Ein derartiger elektrischer Druckgasschalter ist aus der DE-OS 24 45 185 bekannt. Der bekannte Schalter weist eine konzentrisch zu seinen Schaltstücken angeordnete, ringförmige Elektrode auf sowie eine als Zentralstift ausgebildete Zwischenelektrode aus leitendem Material, welche gegenüber dem feststehenden Kontakt isoliert angeordnet ist, und eine Spule. Die Spule wird dann vom Schaltstrom durchflossen, wenn sich beim Öffnen des Schalters ein Lichtbogen zwischen der ringförmigen Elektrode und der Zwischenelektrode bildet. Unter dem Einfluß des von der Spule erzeugten magnetischen Feldes beginnt der Lichtbogen zu rotieren, wobei in einem Lichtbogenraum befindliches Löschgas erwärmt wird. Hierdurch entsteht im Lichtbogenraum ein Überdruck gegenüber einem sich daran anschließenden Expansionsraum. Der Lichtbogen bestreicht hierbei allerdings nur einen relativ kleinen Ringraum. Das unmittelbar mit dem rotierenden Lichtbogen in Berührung stehende, aufgeheizte Gasvolumen ist demnach relativ gering. Überdies erstreckt sich die als Zentralstift ausgebildete Zwischenelektrode axial nur über eine kurze Höhe. Demzufolge ist die Zeitspanne kurz, in welcher ein primärer Teillichtbogen Löschgas im Lichtbogenraum aufheizt. Sobald das bewegliche Schaltstück von der Zwischenelektrode abhebt, entweichen die im Lichtbogenraum komprimierten Gase in den Expansionsraum, wobei ein sekundärer Teillichtbogen, welcher sich zwischen der Zwischenelektrode und dem beweglichen Schaltstück bildet, gelöscht wird. All dies führt dazu, daß der im Lichtbogenraum erreichbare Druck relativ niedrig ist, so daß er manchmal nicht ausreicht, um den sekundären Teillichtbogen schnell und wirkungsvoll zu löschen, insbesondere dann, wenn der abzuschaltende Strom von geringer Intensität ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem elektrischen Druckgasschalter der gattungsgemäßen Art das Verdichtungsverhältnis der im Lichtbogenraum unter der Wirkung des Schaltlichtbogens komprimierten Gase zu erhöhen und zugleich dessen Abschaltvermögen auch bei schwachen Schaltströmen zu verbessern.
Diese Aufgabe wird in Verbindung mit dem Merkmal des Oberbegriffs gemäß dem kennzeichnenden Teil von Patentanspruch 1 gelöst.
Ein Vorteil der Erfindung ist insbesondere darin zu sehen, daß auch beim Abschalten kleiner Ströme im Lichtbogenraum ein großer Überdruck erzielt wird, wodurch eine wirkungsvolle Beblasung des Schaltlichtbogens ermöglicht wird.
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Es zeigt
Fig. 1 einen Vertikalschnitt einer teilweise dargestellten Löschkammer eines Schalters in Einschaltstellung des beweglichen Schaltstückes,
Fig. 2 und 3 den Schalter gemäß Fig. 1 bei zwei verschiedenen Schaltstückhüben,
Fig. 4 einen Vertikalschnitt der Löschkammer mit zwei Zwischenwänden, wobei das bewegliche Schaltstück in Einschaltstellung ist,
Fig. 5 bis 7 den Schalter gemäß Fig. 4 bei zwei verschiedenen Schaltstückhüben,
Fig. 8 einen Vertikalschnitt der Löschkammer in einer anderen Ausführungsform des Schalters,
Fig. 9 eine Abwandlung der Ausführung gemäß Fig. 8.
In den Figuren sind einander entsprechende Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Der dargestellte elektrische Schalter weist ein zylindrisches, eine Löschkammer bildendes Isolierstoffgehäuse 1 auf, welches ein Isoliergas, beispielsweise SF₆ enthält. Die Löschkammer ist an ihrem oberen Teil mit einem aus Isoliermaterial bestehenden Deckel 2 abgeschlossen. Im Deckelzentrum ist ein leitendes Durchgangsteil angeordnet, welches als elektrischer Anschluß 3 für ein feststehendes Schaltstück 4 dient. Die Löschkammer ist an ihrem unteren Ende ebenfalls dicht abgeschlossen mittels nicht dargestellter, üblicher Mittel. Im Innern des Isolierstoffgehäuses 1 ist eine isolierende Zwischenwand 5 angeordnet, welche die Löschkammer in einen Lichtbogenraum 6 und einen Expansionsraum 7 unterteilt, wobei letzterer ein größeres Volumen als ersterer aufweist.
Das feststehende Schaltstück 4 besteht aus mehreren Kontaktfingern 8, welche durch Federblätter 9 belastet sind und einen Tulpenkontakt bilden.
Eine Spule 11 umgibt das feststehende Schaltstück 4. Eines ihrer Enden ist elektrisch mit dem Anschluß 3 und somit auch mit dem feststehenden Schaltstück 4 verbunden. Das andere ihrer Enden ist elektrisch mit einer ringförmigen, feststehenden Elektrode 12 verbunden, die unmittelbar unterhalb des feststehenden Schaltstückes 4 angeordnet ist.
Das feststehende Schaltstück 4 ist koaxial um einen am Anschluß 3 befestigten Zentralstift 13 angeordnet.
Das bewegliche Schaltstück 14 wird durch einen leitenden, zylindrischen Stift gebildet, welcher koaxial ins Innere des feststehenden Schaltstückes 4 einschiebbar ist. Über bekannte, nicht dargestellte Betätigungsorgane, welche sowohl innerhalb als auch außerhalb des Isolierstoffgehäuses 1 angeordnet sein können, kann das bewegliche Schaltstück 14 in axialer Richtung in einer zentralen Öffnung 15 in der Zwischenwand 5 mit geringem Radialspiel gleiten. An seinem oberen Ende ist das bewegliche Schaltstück 14 über eine gewisse Länge mit einer axialen Bohrung 16 versehen, in welche bei geschlossener Schalterstellung der Zentralstift 13 mit geringem Radialspiel eingreift. Es ist überdies mit radialen Öffnungen 17 versehen, die im Zusammenspiel mit der Bohrung 16 den Lichtbogenraum 6 und den Expansionsraum 7 miteinander verbinden, wenn ein bestimmter Schaltstückhub in öffnender Richtung ausgeführt ist.
Der elektrische Schalter ist mit einer feststehenden Zwischenelektrode 18 versehen. Diese Zwischenelektrode ist ebenfalls ringförmig. Sie ist axial zwischen der ringförmigen Elektrode 12 und der Zwischenwand 5 und radial mit Abstand zur inneren Wand des Lichtbogenraumes 6 angeordnet. Sie wird an einem Isolierhalter 19 abgestützt, welcher aus zwei konzentrischen Ringen 21, 22 mit Verstrebungen aus radialen Speichen 23 gebildet ist, wobei die Anordnung ein einziges Gußstück sein kann.
Die Zwischenelektrode 18 weist einen im wesentlichen scheibenförmigen Teil 24 auf, welcher gegenüber der ringförmigen Elektrode12 angeordnet ist und einen rohrförmigen Teil 25, der sich vom scheibenförmigen Teil 24 an in Öffnungsrichtung des beweglichen Schaltstückes 14 erstreckt und der bei Beginn des Öffnungshubes das bewegliche Schaltstück 14 mit geringem Radialspiel umgibt. Die sich gegenüberliegenden Flächen der Elektrode 12 und der Zwischenelektrode 18 sind so ausgebildet, daß zwischen ihnen ein Ringraum 26 entsteht, dessen Querschnitt sich radial nach außen hin vergrößert.
Der Zentralstift 13 besteht aus Isoliermaterial und erstreckt sich axial bis ins Innere der Zwischenelektrode 18 und zwar bis an das der Zwischenwand 5 am nächsten liegende untere Ende des Teils 25. Auf diese Weise dient der Zentralstift 13 sowohl als Führung für das bewegliche Schaltstück 14 als auch als Verschlußdichtung gegenüber dem Löschgas beim Beginn des Öffnungshubes.
Der elektrische Schalter funktioniert folgendermaßen: Um den Schalter auszuschalten, wird das bewegliche Schaltstück 14 abwärts bewegt. Sobald dieses nicht mehr mit dem feststehenden Schaltstück 4 in Kontakt ist, bildet sich zunächst ein Lichtbogen zwischen den Schaltstücken 4 und 14, dann zwischen der Elektrode 12 und dem beweglichen Schaltstück 14. Hierauf wird die Spule 11 am Abschaltstrom durchflossen und erzeugt ein Magnetfeld.
Wenn das bewegliche Schaltstück 14 in die in Fig. 2 gezeigte Stellung gelangt, bildet sich zwischen der Elektrode 12 und der Zwischenelektrode 18 ein primärer Lichtbogen 27. Der Lichtbogen 27 versucht ein Maximum der von der Spule 11 erzeugten Feldlinien zu umfassen und wird dadurch radial nach außen abgelehnt. Unter dem Einfluß der radialen Komponente des von der Spule 11 erzeugten Magnetfeldes rotiert der Lichtbogen 27 zugleich im Ringraum 26. Durch Erhitzung wird der Druck des im Lichtbogenraum 6 enthaltenen Löschgases erhöht. Der Lichtbogenraum 6 ist bis auf verschiedene Spalten durch die Zwischenwand 5 und den Zentralstift 13 praktisch verschlossen. Dabei werden die Radialspiele zwischen dem beweglichen Schaltstück 14 einerseits und dem Zentralstift 13 sowie der Öffnung 15 andererseits möglichst klein gehalten, um ein Entweichen von Löschgas in den Expansionsraum 7 ganz oder fast ganz zu vermeiden. Es ist überdies festzustellen, daß der Lichtbogen 27 beim Rotieren im Ringraum 26 ein relativ großes Gasvolumen bestreicht und daß er mit zunehmender Ablenkung nach außen länger wird. Bedingt durch diese Längung nimmt die Bogenspannung zu und folglich wird die in Wärme umgesetzte Energie im Lichtbogen 27 gesteigert. Ferner ist festzustellen, daß die Zwischenelektrode 18 und ihr Isolierhalter 19 ein relativ großes Volumen im Lichtbogenraum 6 einnehmen, wodurch der dem Löschgas zur Verfügung stehende Raum verringert wird. Schließlich ist noch zu bemerken, daß die Zeitspanne, während der das Löschgas aufgrund der Erwärmung durch den primären Lichtbogen 27 verdichtet wird, beträchtlich größer ist als dies bei den bisher bekannten Schaltern der Fall ist und zwar um den Betrag, der der Zeit entspricht, die das bewegliche Schaltstück 14 benötigt, um eine Strecke entsprechend der axialen Erstreckung das Teil 25 zurückzulegen. All diese Maßnahmen bewirken, daß im Lichtbogenraum 6 ein relativ hoher Druck aufgebaut wird.
Wenn das bewegliche Schaltstück 14 aus der Zwischenelektrode 18 ausfährt, bildet sich ein sekundärer Lichtbogen 28 zwischen dem unteren Ende des Teils 25 der Zwischenelektrode 18 und dem oberen Ende des beweglichen Schaltstückes 14.
Wie aus Fig. 3 ersichtlich, längt sich dieser sekundäre Lichtbogen 28 zunächst und wird dann durch das im Lichtbogenraum 6 komprimierte Löschgas gelöscht, das nunmehr über die axiale Bohrung 16 und die radialen Öffnungen 17 des beweglichen Schaltstückes 14 in den Expansionsraum 7 entweichen können.
Die in Fig. 4 bis 8 dargestellte Löschkammer ist praktisch identisch mit jener der Fig. 1 bis 3. Sie weicht nur insofern ab, daß eine zweite isolierende Zwischenwand 30 vorgesehen ist, welche in ihrem Zentrum eine Öffnung 31 aufweist, in dem mit geringem Radialspiel das bewegliche Schaltstück 14 gleiten kann. Ferner ist sie in Öffnungsrichtung des beweglichen Schaltstückes 14 mit axialem Abstand zur Zwischenwand 5 angeordnet. Es wird somit durch die beiden Zwischenwände 5 und 30 ein Zusatzraum 32 zwischen Lichtbogenraum 6 und Expansionsraum 7 gebildet. Außerdem sind in der Zwischenwand 5 Öffnungen 33 vorgesehen, welche mit je einer Klappe 34 versehen sind. Diese sind mit einer vorgespannten Feder (nicht dargestellt) belastet, welche im Normalbetrieb die Klappe 34 verschlossen hält; erst bei Anliegen eines vorbestimmten Druckes im Lichtbogenraum 6 öffnet die Klappe 34.
Falls der Ausschaltstrom schwach ist, entspricht die Funktion des in Fig. 4 dargestellten Schalters derjenigen des Schalters gemäß der Fig. 1 bis 3. Kurzbeschreibung: Wenn das bewegliche Schaltstück 14 in der in Fig. 5 gezeigten Stellung ist, bildet sich ein primärer Lichtbogen 27 zwischen der Elektrode 12 und der Zwischenelektrode 18. Unter dem Einfluß des magnetischen Feldes, welches von der vom Ausschaltstrom durchflossenen Spule 11 erzeugt wird, rotiert der primäre Lichtbogen 27, wird radial nach außen abgelenkt - wobei er länger wird - und erhitzt das im Lichtbogenraum 6 enthaltene Löschgas, wodurch dessen Druck anwächst. Der Lichtbogenraum 6 ist praktisch bis auf die Spiele durch die Zwischenwand 5 und den abdichtenden Zentralstift 13 verschlossen. Sobald das bewegliche Schaltstück 14 die Zwischenelektrode 18 verläßt, bildet sich zwischen ihr und dem oberen Ende des beweglichen Schaltstücks 14 bei der in Fig. 6 gezeigten Stellung der sekundäre Lichtbogen 28, welcher sogleich bis zur Löschung beblasen wird.
In der Tat ist in jenem Moment der Druck des im Kompressionsraum 6 komprimierten Löschgases genügend groß, um den sekundären Lichtbogen 28 zu löschen, da das Volumen dieses Raumes relativ klein ist (weil die Klappen 34 verschlossen bleiben) und das komprimierte Löschgas bereits über die axiale Bohrung 16 und die radialen Öffnungen 17 im beweglichen Schaltstück 14, welche sich nunmehr auf der Höhe des Expansionsraumes 7 befinden, in denselben entweichen kann.
Ist der Ausschaltstrom aber groß, so überschreitet der Gasdruck im Lichtbogenraum 6 den vorbestimmten Druck. Wie in Fig. 7 gezeigt, öffnen die Klappen 34 und setzen den Raum 32 in Betrieb. Wenn das bewegliche Schaltstück die in Fig. 7 dargestellte Position erreicht, addiert sich zu dem aus dem Lichtbogenraum 6 strömenden und mit Pfeilen G bezeichneten Löschgas noch das aus dem Raum 32 strömende und mit Pfeilen F bezeichnete Löschgas.
Die in Fig. 8 gezeigte Löschkammer weicht von jener gemäß Fig. 4 bis 7 dadurch ab, daß die Zwischenwand 5 nicht mehr fest angeordnet ist, sondern daß sie unter der Wirkung des Gasdruckes im Lichtbogenraum 6 im Innern des Isolierstoffgehäuses 1 in Richtung der Zwischenwand 30 gleiten kann und zwar gegen die Wirkung einer zwischen den Zwischenwänden 5 und 30 eingelegten vorgespannten Feder 35. Die Feder 35 ist so ausgelegt, daß sie nachgibt, wenn der Druck im Lichtbogenraum 6 einen vorbestimmten Wert übersteigt. Die Funktionsweise des in Fig. 8 dargestellten Schalters ist die gleiche wie die des Schalters gemäß Fig. 4 und 7, außer daß im Falle eines hohen Ausschaltstromes das Volumen des Lichtbogenraumes 6 unter der Druckwirkung progressiv anwächst, falls der Druck den vorbestimten Wert übersteigt und die heißen komprimierten Löschgase nicht in den Raum 32 gelangen. Überdies verdichtet die Zwischenwand 5 durch ihren Hub in Richtung der Zwischwand 30 das im Raum 32 enthaltene Löschgas, welches sich dem im Lichtbogenraum 6 komprimierten Löschgas anschließt, um den sekundären Lichtbogen 28 auszublasen.
Gemäß der in Fig. 9 gezeigten, abgewandelten Ausführung ist es möglich, auf die Zwischenwand 30 zu verzichten und diese durch einen Ring 36 zu ersetzen; dieser weist einen angepaßten Innendurchmesser auf, welcher lediglich als Widerlager für die Feder 53 dient. In diesem Falle geht man allerdings der zusätzlichen Blaswirkung verlustig, die beim Abschalten von hohen Strömen mittels der im Raum 32 (Fig. 8) verdichteten Gase erzielt wurde.

Claims

1. Elektrischer Druckgasschalter mit

a) einem mit Löschgas gefülltem Isolierstoffgehäuse (1), das durch eine radial angeordnete Zwischenwand (5) aus Isolierstoff in einen Lichtbogenraum (6) und einen Expansionsraum (7) geteilt ist,

b) einem im Lichtbogenraum (6) an dem der Zwischenwand (5) abgewandten Ende angeordneten, feststehenden Schaltstück (4),

c) einem koaxial zum feststehenden Schaltstück (4) angeordneten beweglichen Schaltstück (14), das in der Einschaltstellung eine Öffnung (15) der Zwischenwand (5) im Gleitsitz durchgreifend mit dem feststehenden Schaltstück (4) in Eingriff steht und eine zum feststehenden Schaltstück (4) hin offene axiale Bohrung (16) mit radialen Öffnungen (17) aufweist, durch die nach Durchlaufen eines Teiles seines Ausschalthubs der Lichtbogenraum (6) mit dem Expansionsraum (7) verbunden ist,

d) einer zum feststehenden Schaltstück konzentrisch, dieses umgebend angeordneten Spule (11), deren eines Ende mit einem elektrischen Anschluß (3) des feststehenden Schaltstücks (4) und deren anderes Ende mit einer ringförmigen, konzentrisch zu den Schaltstücken (4, 14) angeordneten Elektrode (12) elektrisch verbunden ist, die axial in Richtung auf das bewegliche Schaltstück (14) das feststehende Schaltstück (4) überragt,

e) einer Einrichtung, die als konzentrisch und isoliert zu den Schaltstücken (4, 14) angeordnete Zwischenelektrode (18) dient, und die, nachdem das bewegliche Schaltstück (14) einen Teil seines Ausschalthubs durchlaufen hat, zwischen diesem und der Elektrode (12) liegt und zum Verschluß der axialen Bohrung (16) des beweglichen Schaltstücks (14) im Einschaltzustand und zu Beginn von dessen Ausschalthubes dient,

dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung aus

f) einer Zwischenelektrode (18), die ringförmig ausgebildet und mittels eines Isolierhaltes (19) mit axialem Abtand zur Elektrode (12) und zur Zwischenwand (5) und mit radialem Abstand zur Wand des Isolierstoffgehäuses (1) angeordnet ist,

g) und einem innerhalb des feststehenden Schaltstücks (4) konzentrisch zu diesem angeordnete Zentralstift (13) aus Isolierstoff, der sich axial in das Innere der Zwischenelektrode (18) erstreckt und im Einschaltzustand und zu Beginn des Ausschalthubes des beweglichen Schaltstücks (14) mit Gleitführung in dessen axiale Bohrung (16) eingreift,

besteht.

2. Druckgasschalter nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenelektrode (18) einen scheibenförmigen Teil (24), welcher gegenüber der ersten ringförmigen Elektrode (12) angeordnet ist und einen rohrförmigen Teil (25), der sich von dem scheibenförmigen Teil (24) an in Öffnungsrichtung des beweglichen Schaltstücks (14) erstreckt und der bei Beginn des Ausschalthubes das bewegliche Schaltstück (14) umgibt, aufweist.

3. Druckgasschalter nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Zentralstift (13) sich in das Innere des rohrförmigen Teiles (25) der Zwischenelektrode (18) bis an deren unteres Ende, welches der Zwischenwand (5) am nächsten ist, erstreckt.

4. Druckgasschalter nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die sich gegenüberliegenden Flächen der Elektrode (12) und der Zwischenelektrode (18) derart ausgebildet sind, daß zwischen ihnen ein Ringraum (26) entsteht, dessen Querschnitt sich radial nach außen hin vergrößert.

5. Druckgasschalter nach einem der Patentansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenelektrode (18) und ihr Isolierhalter (19) einen bedeutsamen Anteil am Volumen des Lichtbogenraumes (6) einnehmen.

6. Druckgasschalter nach einem der Patentansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite radiale Zwischenwand (30) aus Isolierstoff vorgesehen ist, die ebenfalls mit einer zentralen Öffnung (31) versehen ist, in dem das bewegliche Schaltstück (14) gleiten kann, und die in Ausschaltrichtung des beweglichen Schaltstücks (14) mit axialem Abstand zur ersten Zwischenwand (5) angeordnet ist, und daß die erste Zwischenwand (5) mindestens eine, mit einer bei einem vorbestimmten Druck im Lichtbogenraum (6) sich zum Raum (32) zwischen der ersten (5) und der zweiten Zwischenwand (30) hin öffnenden Klappe (34) versehene Öffnung (33) aufweist.

7. Druckgasschalter nach einem der Patentansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenwand (5) fliegend angeordnet ist und daß eine an deren zum Expansionsraum hinweisenden Wand im Isolierstoffgehäuse (1) gelagerte Feder (35) angreift, gegen deren Kraft die Zwischenwand (5 ) nach Erreichen eines vorbestimmten Drucks des Löschgases in dem Lichtbogenraum (6) gleiten kann.

8. Druckgasschalter nach Patentanspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite radial fest angeordnete Zwischenwand (30) aus Isolierstoff vorgesehen ist, die ebenfalls mit einer zentralen Öffnung (31) versehen ist, in der das bewegliche Schaltstück (14) gleiten kann, und die in Ausschaltrichtung des beweglichen Schaltstücks (14) mit axialem Abstand zur ersten Zwischenwand (5) angeordnet ist, und daß die Feder (30 ) zwischen der ersten (5) und der zweiten Zwischenwand (30) angeordnet ist.