DE3341930C2 - Druckgasschalter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Druckgasschalter gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.

Ein weiterer Druckgasschalter ist aus EP 0 067 460 B1 bekannt. Beim bekannten Druckgasschalter wird beim Ausschalten der abzu­ schaltende Strom durch eine Spule geführt. Das hierbei erzeugte Magnetfeld rotiert den nach der Kontaktstücktrennung gebildeten Schaltlichtbogen in einem gasgefüllten Raum um eine durch die Kontaktstücke geführte Längsachse und erzeugt so durch Aufhei­ zen des Löschgases Druckgas, welches im Bereich des Maximum des Ausschaltstroms durch einen Ringspalt in einen Speicherraum strömt. Bei Annäherung an den Stromnulldurchgang läßt die Heiz­ leistung des Lichtbogens nach und strömt das in den Speicher­ raum geführte aufgeheizte Löschgas zur Lichtbogenlöschung zurück in den Lichtbogenraum. Auf seinem Strömungsweg wird es an einer in den Ringspalt ragenden Mischungskante mit frischem Löschgas vermischt. Die Wirkung der Mischungskante kann durch Lichtbogeneinwirkung gegebenenfalls ganz erheblich beein­ trächtigt werden. Hierdurch kann die Schaltleistung des Druck­ gasschalters unter Umständen wesentlich herabgesetzt werden.

Ein Druckgasschalter, bei dem der abzuschaltende Strom durch eine Spule geführt wird, deren Magnetfeld nach der Kontakt­ stücktrennung eine Rotationsbewegung des Schaltlichtbogens hervorruft, ist in DE 23 49 224 A1 beschrieben. Auch bei diesem Druckgasschalter wird den Lichtbogen umgebendes Löschgas durch Aufheizen komprimiert. Hierbei wird das Löschgas in einem abgeschlossenen Raum in eine Rotationsbewegung versetzt. Um zu verhindern, daß bei Annäherung des abzuschaltenden Stroms an den Nulldurchgang komprimiertes, rotierendes Löschgas in Form eines Abflußwirbels in die Lichtbogenzone geführt wird, weist der bekannte Druckgasschalter in dem das Löschgas aufnehmenden Raum eine Löschgasleiteinrichtung mit radial nach innen gerichteten Kanälen auf. Da der das Löschgas aufnehmende Raum zugleich der Aufnahme des Schaltlichtbogens und des Lichtbogen­ laufrings dient, reicht das von diesem Druckgasschalter erzeug­ te Löschgas in bestimmten Schaltfällen nicht aus, um eine sichere Lichtbogenlöschung zu gewährleisten.

Bei einem in EP 0 075 341 A1 beschriebenen Druckgasschalter mit einer vom Ausschaltstrom durchflossenen Spule und einem einen Lichtbogenlaufring und Abbrandkontaktstücke aufnehmenden Speicherraum wird beim Ausschalten durch den unter dem Einfluß des Magnetfeldes der stromdurchflossenen Spule rotierenden Schaltlichtbogen im Speicherraum vorgesehenes Löschgas aufgeheizt. Insbesondere beim Schalten kleiner Ströme kann der durch das Aufheizen erzeugte Druck nicht ausreichen, um den Schaltlichtbogen ausreichend zu beblasen.

In DE 31 30 366 A1 ist ein Druckgasschalter beschrieben, bei dem beim Ausschalten der zwischen feststehenden Kontaktfingern und einem beweglichen Kontaktstück gezogene Schaltlichtbogen von den Kontaktfingern auf einen in einer Schaltkammer angeordneten Abbrandkontaktring kommutiert. Hierbei wird durch den Schaltlichtbogen in der Schaltkammer Löschgas hohen Druckes erzeugt. Sobald das freie Ende des beweglichen Kontaktstücks eine düsenförmige Öffnung in der Schaltkammer freigibt, entlädt sich der in der Schaltkammer entstandene Druck durch die Öffnung in einen Ausblasraum unter kräftiger Beblasung des Schaltlichtbogens.

Es ist Aufgabe der Erfindung, die Ausschaltleistung des gattungsgemäßen Druckgasschalters mit einfachen Mitteln zu verbessern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale von Patentanspruch 1 gelöst.

Der erfindungsgemäße Druckgasschalter zeichnet sich im wesentlichen dadurch aus, daß durch geeignete Strömungs­ stabilisierung des bei einem Schaltvorgang aufgeheizten Lösch­ gases die Heizleistung des Schaltlichtbogens äußerst wirkungs­ voll zur Erzeugung von Löschgas hohen Drucks ausgenutzt wird, und daß die für die Strömungsstabilisierung des aufgeheizten Löschgases vorgesehenen Mittel zugleich zur optimalen Führung des zur Beblasung des Schaltlichtbogens in den Lichtbogenraum einströmenden Löschgases verwendet werden können.

Zur näheren Erläuterung wird nachfolgend ein Ausführungs­ beispiel der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben.

Hierbei zeigt:

Fig. 1 eine Aufsicht auf einen Längsschnitt durch einen Druckgasschalter, bei welchem in der linken Hälfte der Figur der Druckgasschalter in der Ein- und in der rechten Hälfte in der Ausschaltstellung dargestellt ist, und

Fig. 2 eine Aufsicht auf einen Schnitt längs II-II durch den Druckgasschalter gemäß Fig. 1.

In Fig. 1 bezeichnet 1 einen hohlzylindrischen Isolierstoffkör­ per, welcher gasdicht zwischen einem Endtragteil 2 aus elektrisch leitendem Material mit Stromanschluß und einem Endteil 3 ebenfalls aus elektrisch leitendem Material mit Stromanschluß eingeflanscht ist.

Am Endtragteil 2 sind ein ringförmiges Nennstromkontaktstück 4 und zentral ein hohl ausgebildetes Abbrandkontaktstück 5, in dessen Inneren ein düsenförmig ausgeführtes Isolierstoffteil 6 angeordnet ist, befestigt. Dieses Isolierstoffteil 6 ist in der Einschaltstellung (linke Hälfte der Figur) durch ein bewegliches, düsenförmig ausgebildetes Abbrandkontaktstück 7 gegen die Kraft einer Feder ins Innere des Abbrandkontaktstücks 5 geschoben.

Im Inneren des Endtragteils 2 ist ein Isolierstoffkörper 8 befestigt. Dieser Isolierstoffkörper 8 weist einen mit ringförmigen Rippen versehenen Isolator 9 und ein daran anschließendes rohrförmiges Isolierstoffteil 10 auf. Der Isolator 9 stellt im Ausschaltzustand einen kriechstromsicheren Isolationsabstand zwischen dem Nennstromkontaktstück 4 und dem Abbrandkontaktstück 7 her. Das Isolierstoffteil 10 wird vom beweglichen Abbrandkontaktstück 7 durchdrungen und begrenzt an seinem dem feststehenden Abbrandkontaktstück 5 zugewandten Ende zusammen mit einem isoliert am Endtragteil 2 befestigten Lichtbogenlaufring 11 einen Ringspalt 12. Der Ringspalt 12 verbindet ein vom Endtragteil 2, dem Isolierstoffkörper 8 und dem Lichtbogenlaufring 11 umschlossenen Speicherraum 13 mit einem bei einem Schaltvorgang zwischen den geöffneten Abbrandkontaktstücken 5 und 7 befindlichen Lichtbogenraum. Der Lichtbogenlaufring 11 besteht aus einem lichtbogenfesten Material und ist ebenso wie das Abbrandkontaktstück 5 mit dem einen Anschluß einer Spule 14 verbunden, deren anderer Anschluß mit dem Stromanschluß des Endtragteils 2 in elektrisch leitender Verbindung steht. In den Speicherraum 13 mündet ein längs des Abbrandkontaktstücks 7 erstreckter Ringkanal 15, gegen den der Speicherraum 13 über ein Rückschlagventil 16 absperrbar ist.

Der äußere Teil des Lichtbogenlaufringes 11 ist von einem Isolierstoffring 17 abgedeckt. Am Isolierstoffring 17 sind radial erstreckte und bis unmittelbar an die Mündung des Ringspaltes 12 in den Speicherraum 13 heranreichende Leitwände 18 aus einem isolierenden und bei erhöhten Temperaturen löschgasabgebenden Material, wie etwa Polytetrafluoräthylen, angebracht. Diese Leitwände 18 sind Teil einer zwischen dem Speicherraum 13 und dem Lichtbogenraum vorgesehenen Löschgasleiteinrichtung.

Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, sind die Leitwände 18 voneinan­ der beabstandet auf dem Isolierstoffring 17 befestigt und begrenzen Kanäle 19. Die Leitwände 18 sind so um die Längsachse der Abbrandkontaktstücke 5 und 7 verteilt angeordnet, daß benachbarte Leitwände 18 jeweils den gleichen Winkel zwischen sich einschließen. Die Kanäle 19 münden radial zur Längsachse verlaufend in den vom Lichtbogenlaufring 11 und dem Isolier­ stoffteil 10 begrenzten Ringspalt 12. Sie stellen damit einen Teil der Verbindung zwischen Speicherraum 13 und Lichtbogenraum her.

Das Endteil 3 trägt ein koaxial zum feststehenden Abbrand­ kontaktstück 5 angebrachtes und in der Längsachse bewegliches Abbrandkontaktstück 7 und ein bewegliches Nennstromkontaktstück 20. Das bewegliche Nennstromkontaktstück 20 enthält Kontakt­ finger, welche zueinander parallel auf der Außenfläche eines mit dem beweglichen Abbrandkontaktstück 5 starr verbundenen Tragteils 21 aus elektrisch leitendem Material gelagert sind. Die Kontaktfinger sind mittels lyraförmig gebogener Blattfedern 22 federnd in einem hohlzylindrischen Käfig 23 abgestützt und weisen an ihren beiden Enden jeweils eine Kontaktfläche auf. Die eine Kontaktfläche stützt sich sowohl im Ein- als auch im Ausschaltzustand auf der Außenfläche eines ringförmig ausgebil­ deten Fortsatzes 24 des Endteiles 3 ab, wohingegen die andere Kontaktfläche lediglich im Einschaltzustand am feststehenden Nennstromkontaktstück 4 anliegt. Ein Teil 25 der Kontaktfinger steht an den dem Endtragteil 2 zugewandten Enden über die übrigen Kontaktfinger 26 vor und ist an den vorstehenden Enden lichtbogenfest ausgebildet. Im Tragteil 21 ist ein ringförmiger Kompressionsraum 27 ausgespart, welcher von einem am Endteil 3 starr befestigten Ringkolben 28 verschlossen ist. Auf der Innenfläche des Tragteils 21 sind Schlitze 29 vorgesehen, welche den Kompressionsraum 27 über den Ringkanal 15 mit dem Speicherraum 13 verbinden.

Das Innere des vom Isolierstoffkörper 1, dem Endtragteil 2 und dem Endteil 3 begrenzten Gehäuses ist mit einem Isoliergas, wie etwa Schwefelhexafluorid von einigen bar Druck, gefüllt.

Die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Druckgasschalters ist nun wie folgt:

In der Einschaltstellung (linke Hälfte von Fig. 1) durchsetzt das bewegliche Abbrandkontaktstück 7 den Lichtbogenlaufring 11 und ist in das feststehende Abbrandkontaktstück 5 eingeführt. Mit seiner Stirnfläche liegt das bewegliche Abbrandkontaktstück 7 an der Stirnfläche des Isolierstoffteils 6 an, wodurch das Innere der Abbrandkontaktstücke 5 und 7 gegenüber dem Ringspalt 12 und den Kanälen 19 abgeschlossen ist. Die dem feststehenden Nennstromkontaktstück 4 zugewandten Kontaktflächen aller Kontaktfinger 25 und 26 des beweglichen Nennstromkontaktstücks 20 liegen am feststehenden Nennstromkontaktstück 4 an. Der überwiegende Teil des Stroms fließt nun vom Stromanschluß des Endtragteils 2 über das Nennstromkontaktstück 4, das Nennstromkontaktstück 20 und den Fortsatz 24 zum Endteil 3 mit Stromanschluß.

Beim Ausschalten wird das mit einem nicht dargestellten Antrieb versehene Abbrandkontaktstück 7 und damit auch das mit dem Abbrandkontaktstück 7 über das Tragteil 21 kraftschlüssig verbundene Nennstromkontaktstück 20 nach unten bewegt. Bei dieser Bewegung kommen zunächst die Kontaktfinger 26 außer Eingriff mit dem Nennstromkontaktstück 4. Da lichtbogenfeste Kontaktteile 4a so am Nennstromkontaktstück 4 angebracht sind, daß sie in der Einschaltstellung mit den Kontaktfingern 25 zusammenwirken, fließt der Strom nun über den Stromanschluß des Endtragteils 2, die lichtbogenfesten Kontaktteile 4a, die Kontaktfinger 25 und den Fortsatz 24 zum Stromanschluß des Endteils 3.

Sobald sich die Kontaktteile 4a und die Kontaktfinger 25 trennen, wird der Strom in einen parallelen Strompfad kommutiert und läuft nun vom Stromanschluß des Endtragteils 2 über die Spule 14, das Abbrandkontaktstück 5, das Abbrand­ kontaktstück 7, das Tragteil 21, die Kontaktfinger 25 und 26 sowie den Fortsatz 24 zum Stromanschluß des Endteils 3. Ein beim Schalten großer Ströme während des Kommutierungsvorganges gegebenenfalls auftretender Lichtbogen wird zwischen den Kontaktteilen 4a und den Kontaktfingern 25 gezogen. Da diese Teile lichtbogenfest ausgebildet sind, wird eine Beschädigung der Nennstromkontaktstücke 4 und 20 vermieden.

Nach der Kommutierung des Stromes trennen sich die beiden Abbrandkontaktstücke 5 und 7 und wird zwischen diesen beiden Abbrandkontaktstücken ein nicht dargestellter Schaltlichtbogen gezogen, dessen am Abbrandkontaktstück 5 befindlicher Fußpunkt im Verlauf des weiteren Abschaltvorganges unter der Wirkung des nach unten laufenden Isolierstoffteils 6 auf den Lichtbogen­ laufring 11 kommutiert. Der Strom fließt nun über den Strom­ anschluß des Endtragteils 2, die Spule 14, den Lichtbogenlauf­ ring 11, den nicht dargestellten Schaltlichtbogen, das Abbrand­ kontaktstück 7, das Tragteil 21, die Kontaktfinger 25 und 26 sowie den Fortsatz 24 zum Stromanschluß des Endteils 3. Unter der Wirkung der nun stromdurchflossenen Spule 14 beginnt der Schaltlichtbogen um die Längsachse zu rotieren und das im Lichtbogenraum befindliche Isoliergas aufzuheizen. In der Hoch­ stromphase rotiert der Schaltlichtbogen mit hoher Geschwindig­ keit um die Längsachse und heizt das im Lichtbogenraum befind­ liche Löschgas stark auf. Unter der Einwirkung von Zentrifugal­ kräften wird das aufgeheizte Löschgas nach außen befördert und an den Düsenöffnungen von Abbrandkontaktstück 7 und Isolier­ stoffteil 6 eine Druckabsenkung, hingegen an der Peripherie der im Lichtbogenraum rotierenden Gasmasse eine Druckerhöhung bewirkt. Das erhitzte Löschgas hohen Drucks strömt durch den Ringspalt 12 und die Kanäle 19 in den Speicherraum 13, wo es sich mit dem dort gespeicherten kalten Löschgas vermischt.

Die Leitwände 18 haben hierbei unter anderem die Wirkung, die Rotation des durch den Schaltlichtbogen aufgeheizten Löschgases auf den Lichtbogenraum zu beschränken. Der Drehimpuls des von der Peripherie des Lichtbogenraums abströmenden rotierenden Löschgases wird an der Einmündung des Ringspaltes 12 in die Kanäle 19 von den Leitwände 18 aufgenommen. Hierdurch wird verhindert, daß das im Speicherraum 13 befindliche kalte Löschgas durch einströmendes aufgeheiztes Löschgas in Rotation versetzt wird. Außerdem wird auch verhindert, daß entgegen­ gesetzt strömendes kaltes Löschgas aus dem Speicherraum 13 in den Lichtbogenraum einströmt. Die Rotationsgeschwindigkeit und damit der Druck an der Peripherie des Lichtbogenraums können dadurch erheblich gesteigert werden. Entsprechend wird die Heizleistung im Speicherraum 13 erhöht und im Auspuff verrin­ gert. Hierdurch wird gegenüber vergleichbaren Druckgasschaltern ohne Leitwände 18 die Ausschaltleistung insbesondere bei klei­ nen Strömen beträchtlich verbessert. Durch die verringerte Heizleistung kann das Auspuffvolumen kleiner gehalten werden.

Das aufgeheizte Löschgas strömt im wesentlichen in radialer Richtung durch die Kanäle 19 in den Speicherraum 13, wo es mit dem bereits vorhandenem kühlen Löschgas gemischt und gespeichert wird. Die Mischung des aufgeheizten mit dem kühlen Löschgas kann dadurch gefördert werden, daß die Kanäle 19 Abschnitte aufweisen, welche in tangentialer Richtung in den Speicherraum 13 einmünden. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, daß die Leitwände 18, wie in der linken Hälfte von Fig. 2 gestrichelt dargestellt ist, tangential gekrümmte Auslaufteile 30 aufweisen.

Kurz vor dem Stromnulldurchgang, wenn die Heizwirkung des Schaltlichtbogens erheblich nachgelassen hat, und der Druck des im Speicherraum 13 gespeicherten Löschgases den Druck des Löschgases im Lichtbogenraum übertrifft, tritt das komprimierte Löschgas über die Kanäle 19 und den Ringspalt 12 aus dem Speicherraum 13 aus und bebläst den schwächer werdenden Schaltlichtbogen in verstärktem Maße. Wichtig ist hierbei, daß die in den Ringspalt 12 mündenden Abschnitte der Kanäle 19 radial verlaufen, da hierdurch eine besonders wirkungsvolle radiale Beblasung des Schaltlichtbogens erreicht wird.

Die Kanäle 19 können auch durch Öffnungen in der Wand eines Hohlzylinders aus isolierendem Material gebildet sein. Dies hat den Vorteil, daß der Hohlzylinder zugleich Innenwand des Speicherraums 13 ist und das Isolierstoffteil 10 ersetzt.

Versuche haben ergeben, daß bereits drei um die Längsachse gleichmäßig verteilte Kanäle eine Verbesserung der Beblasung des Schaltlichtbogens vergleichbarer Druckgasschalter ohne solche Kanäle bewirken, und daß eine besonders wirkungsvolle Beblasung des Schaltlichtbogens beim Vorhandensein von mehr als sechs Kanälen eintritt.

Beim Schalten extrem kleiner Ströme kann die Leistung des Schaltlichtbogens gegebenenfalls nicht ausreichen, um im Speicherraum 13 einen für die Löschung des Schaltlichtbogens ausreichenden Löschgasdruck zu erzeugen. Eine ausreichende Beblasung des bei kleinen Strömen gezogenen Schaltlichtbogens wird jedoch über Löschgas ermöglicht, welches im Kompressions­ raum 27 bei einem Schaltvorgang verdichtet und über die Schlitze 29, den Ringkanal 15, das Rückschlagventil 16, den Speicherraum 13, die Kanäle 19 und den Ringspalt 12 in die Löschzone geblasen wird. Die vorteilhafte Wirkung einer solchen zusätzlichen Beblasung ist entsprechend der Anordnung des Speicherraums 13 ohne den Nachteil zusätzlichen Platzbedarfs verfügbar. Entsprechend dem im Endtragteil 2 angeordneten Speicherraum 13 ist auch für den Kompressionsraum 27 der Zusatzbeblasung kein zusätzlicher Platz notwendig, da dieser Kompressionsraum 27 bequem in dem bereits vorhandenen Tragteil untergebracht werden kann.

Claims (5)

1. Druckgasschalter, enthaltend in koaxialer Anordnung

• a) zwei in Richtung der Längsachse der Anordnung angeordnete Abbrandkontaktstücke (5, 7) zur Aufnahme jeweils eines der Fußpunkte eines beim Ausschalten zwischen den beiden Abbrandkontaktstücken (5, 7) gezogenen Schaltlichtbogens, von denen eines fest­ stehend (5) und eines beweglich (7) ausgebildet ist,
• b) einen dem feststehenden Abbrandkontaktstück (5) zugeordneten Lichtbogenlaufring (11) zur Führung des von diesem Abbrandkontaktstück (5) auf den Licht­ bogenlaufring (11) kommutierten Fußpunktes,
• c) eine vom Ausschaltstrom durchflossene Spule (14) zur Erzeugung eines eine Rotation des Schaltlichtbogens um die Längsachse hervorrufenden magnetischen Feldes, die elektrisch leitend mit dem dem feststehenden Abbrandkontaktstück (5) parallel geschalteten Lichtbogenlaufring (11) verbunden ist,
• d) einen im Ausschaltfall von den beiden getrennten Abbrandkontaktstücken (5, 7) und in Richtung der Längsachse von dem Lichtbogenlaufring (11) begrenzten Lichtbogenraum,
• e) einen die Abbrandkontaktstücke (5, 7) umgebenden Speicherraum (13) für aufgeheiztes Löschgas, und
• f) einen Ringspalt (12), welcher den Lichtbogenraum mit dem Speicherraum (13) verbindet, dadurch gekennzeichnet,
• g) daß im Speicherraum (13) eine Löschgasleiteinrich­ tung vorgesehen ist mit mindestens drei von Leitwän­ den (18) begrenzten Kanälen (19), durch welche während des Ausschaltens im Bereich des Maximums des Ausschaltstroms aufgeheiztes und komprimiertes Löschgas aus dem Lichtbogenraum in den Speicherraum (13) strömt, und durch welche im Bereich des Strom­ nulldurchgangs mit dem aufgeheizten Löschgas vermischtes, kühles und komprimiertes Löschgas aus dem Speicherraum (13) in den Lichtbogenraum zurückströmt,
• h) daß die Leitwände (18) so um die Längsachse angeordnet sind, daß benachbarte Leitwände (18) jeweils den gleichen Winkel zwischen sich einschließen, und
• i) daß jeder Kanal (19) einen ersten Abschnitt aufweist, der im wesentlichen radial zur Längsachse verlaufend in den Ringspalt (12) einmündet.

2. Druckgasschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitwände (18) aus löschgasabgebendem Isolierstoff bestehen.

3. Druckgasschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Löschgasleiteinrichtung als Hohlzylinder mit von den Kanälen durchsetzter Wand ausgebildet ist.

4. Druckgasschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Kanal (19) einen zweiten Abschnitt aufweist, welcher schräg zum ersten Abschnitt verläuft und in den Speicherraum (13) einmündet.

5. Druckgasschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicherraum (13) mit dem Kompressionsraum (27) einer aus feststehendem Kompressionskolben (28) und beweglichem Kompressionszylinder bestehenden Kompressionsvorrichtung für Löschgas verbindbar ist, welcher Kompressionsraum (27) aus einem elektrisch leitenden ringförmigen Tragteil (21) ausgespart koaxial zu dem ihn durchsetzenden beweglichen Abbrandkontaktstück (7) angeordnet ist und auf seiner parallel zur Längsachse der Abbrandkontaktstücke (5, 7) verlaufenden Außenwand ein mit einem feststehenden Nennstromkontaktstück (4) zusammenarbeitendes bewegliches Nennstromkontaktstück (20) trägt.