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Selbstbeblasender Druckgasschalter
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Die Erfindung betrifft einen selbstbeblasenden Druckgas schalter mit
einer an einen Druckausgleichsraum angeschlossenen Schaltkammer, in welcher mittels
eines Antriebes miteinander in und ausser Eingriff bringbare Kontakte sowie eine
beim Ausschalthub die Schaltstrecke zwischen den Kontakten mit einem Löschgas beblasende
Blaseinrichtung angeordnet sind, die ihrerseits eine im Zuge des Ausschalthubes
betätigte Pumpeinrichtung aufweist.
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Bei bekannten Schaltern dieser Art ist die Schaltkammer über Drosselstellen
oder dergleichen mit dem Druckausgleichsraum verbunden. Dies unter anderen Dingen
deshalb, um im Schalter bei vergleichsweise bescheidenen Aussenmassen einen möglichst
grossen Löschgasinhalt zu erzielen und um beim normalen Betrieb des Schalters eine
Zirkulation der gesamten Löschgasmenge zu ermöglichen. Insbesondere bei Schaltern
für Freiluftaufstellung ist diese Zirkulation wichtig, da bei diesen eine in der
Regel an Erdpotential liegende Heizvorrichtung vorgesehen ist, die das Löschgas
stets auf einer über dem Kondensationspunkt liegenden Temperatur hält.
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Während somit beim Normalbetrieb eine möglichst ungehinderte Gaszirkulation
anstrebenswert ist, ist diese Gaszirkulation bei Ausschaltungen nachteilig. In diesem
Falle
tritt bekanntlich in der Schaltkammer infolge des zündenden Lichtbogens ein sehr
steil ansteigender Druckstoss auf, dem vor allem die Schaltkammer zu widerstehen
hat und der - aus Bemessungsgründen - sich höchstens gedämpft, also mit weniger
steiler Front im Druckausgleichsraum ausbreiten soll. Bisher liessen sich diese
beiden Erfordernisse nur durch einen Kompromiss erfüllen, der darin bestand, einerseits
in der Schaltkammer selbst einen vergleichsweise grossen Expansionsraum vorzusehen
(um den Druckstoss schon in der Schaltkammer zu mildern) und andererseits zwischen
der Schaltkammer und dem Druckausgleichsraum eine Drosselstelle vorzusehen, deren
Durchtrittsquerschnitt gerade noch genügte, um eine ausreichende Gas zirkulation
im Normalbetrieb zu gewährleisten.
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Wenn aber ein solcher Schalter für Schnellwiedereinschaltung und für
eine darauf allenfalls folgende zweite Ausschaltung ausgelegt werden soll, dann
ist in der kurzen Pause zwischen erster Ausschaltung und der Wiedereinschaltung
nicht ausreichend Zeit vorhanden, um einen Druckausgleich zu gewährleisten. Dies
hat zur Konsequenz, dass erstens der Wiedereinschalthub gegen den in der Schaltkammer
noch vorhandenen, restlichen Ueberdruck zu erfolgen hat, und dass zweitens bei der
allenfalls folgenden zweiten Wiederausschaltung der Druck in der Schaltkammer auf
einen höheren Wert als bei der ersten Ausschaltung steigt.
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Dies hätte wiederum zur Konsequenz, dass der Expansionsraum in der
Schaltkammer noch mehr zu vergrössern wäre.
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Um diese kompromissbedingten Probleme zu vermeiden, ist der gemäss
der vorliegenden Erfindung vorgeschlagene Druckgasschalter dadurch gekennzeichnet,
dass zwischen der Schaltkammer und dem Druckausgleichsraum ein durch den Antrieb
betätigtes Ventil angeordnet ist, das in Ein- und in Ausschaltstellung eine Strömungsverbindung
zwischen
der Schaltkammer und dem Druckausgleichsraum freigibt und in dem grösseren Teil
des zwischen diesen Stellungen liegenden Schalthubes diese Strömungsverbindung unterbindet.
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Bekanntlich zündet der Lichtbogen nicht unmittelbar zu Beginn des
Ausschalthubes und ausserdem ist der Lichtbogen in aller Regel noch vor dem eigentlichen
Ende des Ausschalthubes bereits gelöscht. In diesen Phasen ist mithin das Ventil
zwangsläufig geöffnet und gestattet eine ungehinderte Gaszirkulation sowie auch
einen schnellen Druckausgleich. In der dazwischenliegenden Zeit dagegen, nämlich
beim Zünden und während der Brennzeit des Lichtbogens ist die Verbindung zwischen
der Schaltkammer und dem Druckausgleichsraum unterbunden.
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Der Druckausgleich am Ende des Ausschalthubes erfolgt ausserdem zu
einem Zeitpunkt, da der Lichtbogen bereits gelöscht ist und in der Schaltkammer
kein weiterer Druckanstieg mehr erfolgt. Die Geschwindigkeit, mit der dieser Druckausgleich
erfolgt, ist durch den Antrieb selbst gesteuert, da das Ventil ja an diesen gekoppelt
ist.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform, bei der der eine Kontakt an
eine Antriebsstange gekoppelt ist, die durch ein zwischen der Schaltkammer und dem
Druckausgleichsraum angeordnetes und an diesen befestigtes Zwischenstück geführt
ist, ist an der Antriebsstange ein Ventilkolben befestigt, der durch das als beiderende
offener Zylinder ausgebildete Zwischenstück dichtend hindurchschiebbar ist, wobei
die Länge des Zylinders geringer als jene des Schalthubes ist, so dass der Kolben
in Ein- und Ausschaltstellung ausserhalb des Zylinders liegt.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nachstehend anhand der Zeichnung
näher erläutert. Es zeigt: Fig. 1 einen schematischen Axialschnitt durch einen Druckgasschalter,
links in Einschalt-, rechts in Ausschaltstellung, und Fig. 2 in ähnlicher Darstellung
einen schematischen Axialschnitt durch eine Ausführungsvariante Der in Fig. 1 dargestellte
Druckgasschalter 10 besitzt eine von einem rohrförmigen Isolator 11 (für Freiluftaufstellung
wie gestrichelt dargestellt aus Porzellan) umgebene Schaltkammer 12. Das obere Ende
des Isolators 11 ist mittels eines Flansches 13 gasdicht abgeschlossen. Der Flansch
13 dient - wie bei 14 angegeben - auch als elektrischer Anschluss.
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Das untere Ende des Isolators 11 ist gasdicht an einem muffenartigen
Zwischenstück 15 aus Metall befestigt, das seinerseits gasdicht an einen weiteren,
nur teilweise dargestellten, rohrförmigen Isolator 16 befestigt ist, der einen Druckausgleichsraum
17 umschliesst. Das Zwischenstück 15 dient, wie bei 18 schematisch angegeben, ebenfalls
als eLektrischer Anschluss.
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Am Flansch 13 ist ein sich koaxial in die Schaltkammer 12 hineinerstreckendes,
rohrförmiges, festes Kontaktstück 19 befestigt. Ausserdem ist über strahlenförmig
verlaufende Streben 20 im Inneren der Schaltkammer 12 eine als Ganzes mit 21 bezeichnete
Blaseinrichtung befestigt. Diese weist im wesentlichen eine Blasdüse 22 aus Isoliermaterial
auf, welche einen zu beiden Seiten einer engsten Stelle 23 sich diffusorartiq
erweiternden
Düsenraum 24 aufweist. Auf der öe der engsten Stelle 23 münden in diesen Düsenraum
24 radial verlaufende Durchlässe 25, die ihrerseits von einem zylindermantelförmigen
Pumpraum 26 ausgehen.
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Der Pumpraum 26 ist innen durch eine innere Zylinderwand 27 und aussen
durch eine äussere Zylinderwand 28 begrenzt, welche beide auf geeignete Weise an
der Blasdüse 22 verankert sind. Im Pumpraum 26 ist ein ringscheibenförmig ausgebildeter
Pumpkolben 29 verschiebbar gelagert. Dieser Pumpkolben 29 ist an mehreren (dargestellt
sind zwei) Zug- und Druckstangen 30 befestigt, die sich ihrerseits durch Bohrungen
36 im Düsenkörper 37 erstrecken und an einem weiteren, elektrisch leitenden Kolben
31 befestigt sind, der, wie sich noch zeigen wird, auch als Ventilkolben dient.
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Mittig an diesem Ventilkolben 31 ist auf geeignete Weise ein rohrförmiges,
bewegliches Kontaktstück 32 befestigt, dessen Innendurchmesser dem Aussendurchmesser
des festen Kontaktstückes 19 und dessen Aussendurchmesser etwa dem Innendurchmesser
der engsten Stelle 23 entspricht. An der den Stangen 30 und dem beweglichen Kontaktstück
32 abgekehrten Seite ist der Kolben 31 an einer Antriebsstange 33 aus einem Isoliermaterial
befestigt, die sich durch den Druckausgleichsraum 17 hindurcherstreckt und an ihrem
unteren Ende an eine nicht dargestellte Antriebsvorrichtung gekoppelt ist, welche
die Antriebsstange 33 im Sinne des Doppelpfeiles 34 von der in Fig. 1 links dargestellten
Einschalt- in die rechts dargestellte Ausschaltstellung und zurück bewegt.
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Der Aussendurchmesser des Kolbens 31 entspricht dem Innendurchmesser
einer zylindrischen, im Zwischenstück 15 ausgebildeten Innenwand 35. Am Zwischenstück
15 sind ausserdem im Anschluss an die Innenwand 35 je ein Satz federnder, sich in
die Schaltkammer 12 bzw. in den
Druckausgleichsraum 17 erstreckender
Kontaktfinger 38, 39 befestigt, die eine elektrische Verbindung zwischen dem Kolben
31 und dem Zwischenstück 15 auch in den beiden dargestellten Endlagen sicherstellen.
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Im Kolben 31 ist ein federbelastetes, in Richtung der Schaltkanmer
12 hin öffnendes Ueberdruckventil 40 eingebaut, dessen Zweck noch zu erläutern sein
wird. Ebenso ist im Pumpkolben 29 ein oder mehrere Ausgangsventile 41 eingebaut,
das bzw. die im Zuge des Einschalthubes öffnen.
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Wenn nun der Schalter 10, ausgehend von der in Fig. 1 links dargestellten
Stellung, unter Last ausgeschaltet wird, yelangt zunächst das bewegliche Kontaktstück
32 ausser Eingriff mit dem festen Kontaktstück 19. Damit beginnt auch ein Lichtbogen
zu brennen. Zugleich wird der Pumpkolben 29 nach unten gezogen, was eine Vorkompression
des im Pumpraum 26 vorhandenen Löschgases bewirkt. Solange der Aussendurchmesser
des beweglichen Kontaktstückes die Durchlässe 25 nicht freigegeben hat, wird der
Lichtbogen in die Länge gezogen und das Löschgas im Pumpraum zunehmend komprimiert.
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Danach tritt der Kolben 31 in Eingriff mit der Innenwand 35 und unterbindet
somit die Strömungsverbindung zwischen der Schaltkammer 12 und dem Druckausgleichsraum
17. Erst danach gibt das bewegliche Kontaktstück 32 die Durchlässe 25 frei und es
setzt eine kräftige Beblasung des Lichtbogens ein, wobei die erhitzten Löschgase
axial nach beiden Seiten durch den Düsenraum 24 abströmen, wie durch Pfeile in Fig.
1 rechts angegeben. In diesem Zeitpunkt erfolgt auch eine erhebliche Zunahme des
Druckes in der Schaltkammer 12, welcher Druck auch auf dem Kolben 31 wirkt und damit
die Ausschaltbewegung unterstützt. Obwohl die Zeichnungen keinen Anspruch auf Massstäblichkeit
erheben, ist es
vorteilhaft, wenn das gesamte Hubvolumen des Pumpraumes
26 geringer gewählt wird als das Produkt von Stirnfläche des Kolbens 31 mal Länge
der zylindrischen Wand 35.
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Im weiteren Verlauf des Ausschalthubes wird der Lichtbogen gelöscht
und zwar in aller Regel noch bevor der Kolben 31 das untere Ende der zylindrischen
Wand 35 verlassen hat. Dann ist in der Schaltkammer 12 keine Druckzunahme mehr zu
verzeichnen, sondern nur noch der Ueberdruck gegenüber der Druckausgleichskammer
17.
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Sobald der Kolben 31 das untere Ende der zylindrischen Wand 35 verlässt,
setzt eine Gasströmung von der Schaltkammer 12 in den Druckausgleichsraum 17 ein
und zwar nur in dem Masse, wie sich der Kolben 31 von der zylindrischen Wand 35
entfernt, so dass am Ende des Ausschalthubes ein Druckausgleich erfolgt ist.
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Beim Einschalthub komprimiert der Kolben 31, sobald er wieder in das
Zwischenstück 15 eintritt, vorübergehend das Gas in der Schaltkammer 12, was eine
rasche Füllung des Pumpraumes 26 begünstigt. Kurz vor Ende des Einschalthubes gibt
der Kolben 31 die Strömungsverbindung zwischen Druckausgleichsraum 17 und Schaltkammer
wieder frei, so dass auch dann wiederum ein Druckausgleich hergestellt ist.
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Falls der Schalter 10 im Leerlauf oder sogar spannungslos ausgeschaltet
wird, erfolgt natürlich in der Schaltkammer 12 praktisch kein Druckanstieg. Dagegen
würde das Gas im Druckausgleichsraum 17 während des Durchtrittes des Kolbens 31
durch das Zwischenstück 15 komprimiert. Um den Schalterantrieb um diese Kompressionsarbeit
zu entlasten, ist das Ueberdruckventil 40 im Kolben 31 angeordnet, so dass beim
spannungs- oder lastlosen Ausschalten der Druckausgleich (in umge-
kehrter
Richtung) während des ganzen Ausschalthubes erfolgen kann.
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In der Fig. 2 sind sich funktionell entsprechende Teile mit denselben
Bezugsziffern wie in Fig. 1 bezeichnet.
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Am oheren Flansch 13 ist ausser dem einen, rohrförmigen, festen Kontaktstück
19 ein zweites, festes, dieses Kontaktstück koaxial umgebendes Kontaktrohr 42 befestigt,
das in seinem an den Flansch 13 angrenzenden Endbereich durchgehende Schlitze 43
aufweist und das an seinem dem Flansch 13 abgekehrten Ende einen Kranz federnder
Kontaktfinger 44 trägt. Der Mantelraum zwischen dem Kontaktstück 19 und dem Kontaktrohr
42 ist zugleich der Pumpraum 26, in dem der wiederum ringscheibenförmige und mit
dem Ansaugventil 41 versehene Pumpkolben 29 verschiebbar geführt ist.
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Die Blasdüse 22 mit ihren vom Pumpraum 26 ausgehenden Durchlässen
25 ist an den unteren Enden des Kontaktstückes 19 und des Kontaktrohres 42 verankert.
Die am Pumpkolben 29 verankerten Zug- und Druckstäbe 30 (hier aus Isoliermaterial,
versteht sich) sind in diesem Falle an der Innenseite im oberen Endbereich eines
beweglichen Kontaktrohres 45 verankert, das seinerseits elektrisch leitend und das
bewegliche Kontaktstück 32 koaxial umgebend am Kolben 31 befestigt ist und in diesem
Bereich ebenfalls mit durchgehenden Schlitzen 46 versehen ist.
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Das Kontaktrohr 42 mit den Kontaktfingern 44 und das bewegliche Kontaktrohr
45 sind in diesem Falle dazu bestimmt, den Nennstrom zu führen, während die Kontaktstücke
19 und 32 im wesentlichen die Rolle von Abbrandelektroden übernehmen.
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Wie beim vorangehenden Beispiel dient der mit dem
Ueberdruckventil
40 versehene Kolben 31 zusätzlich ein Ventilkolben, der, sobald er in das Zwischenstück
15 eintritt und an der Zylinderwand 35 dichtend anliegt, die Strömungsverbindung
zwischen der Schaltkammer 12 und dem Druckausgleichsraum 17 unterbindet.
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Die Wirkungsweise der Ausführungsform der Fig. 2 ist zu jener der
Ausführungsform der Fig. 1 ähnlich. Ein Unterschied besteht darin, dass die Beblasung
des Lichtbogens praktisch sofort nach dessen Zündung erfolgt, weil unmittelbar auf
das untere Ende des Kontaktstückes 19 die Durchlässe 25 in der Blasdüse 22 folgen,
die während der Vorkompressionsphase, also gleich zu Beginn des Ausschalthubes,
noch vom beweglichen Kontaktstück 32 verschlossen gehalten bleiben.
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Das Abströmen der erhitzten Löschgase erfolgt zur Hauptsache nach
unten und die Schlitze 46 dienen in dieser Phase dazu, den vor allem im Inneren
des Kontaktrohres 45 sich ausbreitenden Druckstoss auf die gesamte Fläche des Kolbens
31 wirken zu lassen, um wie erwähnt, den Antrieb der Antriebsstange 33 während des
Ausschalthubes zu unterstützen.
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Selbstbeblasender Druckgasschalter In einer an einen Druckausgleichsraum
(17) angeschlossenen Schaltkammer (12) sind miteinander in und ausser Eingriff bringbare
Kontakte (19, 32) angeordnet. Die beim Ausschalthub zwischen diesen Kontakten (39,
32) entstehende Schaltstrecke wird mit einem Löschgas beblasen, das von einer an
den Schaltantrieb (33) gekoppelten Blaseinrichtung (21) geliefert wird. Um den in
der Schaltkammer (12) infolge des Schaltlichtbogens entstehenden Druckstoss zumindest
während der Brenndauer des Lichtbogens von der Druckausgleichskammer (17) fernzuhalten
ist ein an den Antrieb (33) gekoppeltes Ventil (31, 35) vorgesehen, das in Ein-
und in Ausschaltstellung die Strömungsverbindung zwischen Schaltkammer (12) und
Druckausgleichsraum (17) freigibt, im grössten Teil des zwischen diesen Stellungen
liegenden Schalthubes dagegen unterbindet.
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(Fig. lj