DE4119840A1 - Dichtungssystem fuer druckmittelbetaetigte kolbenantriebe von elektrischen hochspannungsschaltern - Google Patents

Description

Anwendungsgebiet

Die Erfindung ist anwendbar für Hochspannungsleistungsschalter, insbesondere für deren Kontaktsysteme sowie für ihre Antriebssysteme.

Stand der Technik

In der Pneumatik und Hydraulik ist es bekannt, Berührungsdichtungen zwischen bewegten Maschinenbauteilen als Packungsdichtung auszuführen, die mit einem federelastischem Ring gegen das abzudichtende Bauteil gedrückt werden. Dabei können die einzelnen Packungsringe auch geteilt sein. (Trutnovsky, Karl: Berührungsdichtungen, Berlin u. a. 1975, S. 205, 213-215). Nachteilig ist hierbei, daß diese Dichtungen keinerlei Führungsfunktionen übernehmen können.

Auch bei einer in der DE-PS 26 58 428 (F16F, 15/16) beschriebenen Dichtung zum Abdichten zweier Maschinenelemente tritt dieses Problem auf.

Deshalb setzt man im allgemeinen zur Führung von der Dichtung getrennte Führungsringe aus einem verschleißfesten Kunststoff z. B. PTFE, ein, wobei auch die Dichtungen aus einem Laufring aus verschleißfestem Kunststoff mit darüberliegendem Anpreßring aus einem Elastomer bestehen können (ebenda, S. 239 und 240).

Nachteilig bei diesen allgemein bekannten Anordnungen ist ihre relativ große räumliche Ausdehnung. Hierzu gehört auch eine hydraulische Hochdruckdichtung mit einem vorgespannten Elastomerkörper, wie sie in der DE-PS 22 06 771 (F16J, 15/16) beschrieben ist.

Auch bei einer in der DE-PS 35 34 459 (F16J, 15/56) beschriebenen Schaftdichtung handelt es sich um eine Dichtung, die den Nachteil einer großen räumlichen Ausdehnung besitzt. Der einstückige Dichtkörper aus PTFE sitzt mit Paßsitz in einer Bohrung der Wand eines Druckraumes, und er besitzt einen den Schaft engumschließenden inneren rohrförmigen Abschnitt, welcher von einem Spannring umschlossen ist, wobei dieser rohrförmige Abschnitt an seinem Umfang dem Druck des Druckraumes ausgesetzt ist. Der Mediendruck drückt diesen rohrförmigen Abschnitt radial gegen den Schaft und erhöht somit die Dichtwirkung entsprechend der Höhe des Druckes; der im Paßsitz in der Bohrung sitzende Dichtkörper wird durch den Mediendruck radial aufgeweitet. Damit ist der Dichtkörper sowohl zur Bohrung als auch zum Schaft hin selbstabdichtend, d. h. der Anpreßdruck erhöht sich mit dem Mediendruck. Damit diese Wirkung aber auch eintreten kann, muß der rohrförmige Abschnitt eine entsprechende Ausdehnung in achsialer Richtung aufweisen, was aber viele Fälle den Einsatz einer solchen Dichtung aus Platzgründen zumindest ein­ schränkt.

Alle diese aus der Hydraulik und Pneumatik bekannten Dichtungssysteme lassen sich auch bei Hochspannungs- Druckgasschaltern anwenden, wobei die gleichen oder ähnliche Nachteile eintreten. Bekannte Blaskolbenschalter haben mit dem Löschgas Schwefelhexafluorid (SF6) gefüllte und hermetisch abgeschlossene Schaltkammern. Bei Betätigung des Antriebes, der sich außerhalb der Schaltkammer befindet, wird mittels Druckmittel ein Kolben bewegt und eine Isolierstange überträgt die Bewegung durch eine hermetische Dichtung in die Schaltkammer. In der Schaltkammer wird der Schaltkontakt geöffnet und damit ein Lichtbogen gezündet. Gleichzeitig mit der Kontaktöffnung wird in der Schaltkammer ein Blaskolben bewegt, der einen Teil des in der Schaltkammer befindlichen Schaltgases SF6 komprimiert. Mit diesem komprimierten Gas wird der Lichtbogen beblasen und gelöscht. Das Ausschaltvermögen des SF6-Blaskolbenschalters wird haupt­ sächlich von der Beblasung des Lichtbogens, d. h. der Bewegung des Blaskolbens durch den Antrieb bestimmt.

Somit ist die Dichtungs- und Führungsfähigkeit des Kolbens am Antriebs- und Kompressionssystem des Schalters von entscheidender Bedeutung für das Ausschaltvermögen des Leistungsschalters. Bekannte Elemente dafür sind metallische Kolbenringe. Sie sind zwar eigenfedernd, haben jedoch die entscheidenden Nachteile: ein Schmiermittel ist erforderlich, sie sind nicht isolierend, haben keine Führungsfunktion, ein hoher Leckgasanteil durch Spalt und fehlender Einlaufeffekt beim Koppeln treten auf.

Bei nichtmetallischen Kolbenringen, z. B. PTFE ergeben sich die Vorteile, daß sie schmiermittelfrei, stromisolierend und temperaturbeständig von -30°C bis 110°C bei konstanten Reibungswerten arbeiten. Es ist jedoch eine fremde Federung notwendig, und sie besitzen keine Führungsfunktion. Ferner weisen sie durch den Spalt und die hohe Wärmedehnung einen hohen Leckgasanteil auf, außerdem fehlt der Einlaufeffekt. PTFE-Halbschalen mit Gummifederung besitzen zwar ein gutes Dichtungsvermögen, jedoch die Führungsfunktion fehlt. Beim Stützring mit Führungsfunktion ist die Dichtwirkung infolge Dehnungsspalt ungenügend.

Beim Elaste-Rundring z. B. aus Gummi, ist keine Führungsfunktion und keine Laufkonstanz im geforderten Lebensdauerzeitraum infolge keiner oder ungenügender Eigenschmierung vorhanden.

Bei Lippenringen aus Plaste z. B. PTFE ergibt sich eine geringe Führungswirkung, und außerdem ist ein zu umfangreicher Einbauraum erforderlich.

Das zu lösende Problem

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrisch isolierende Anordnung zur Dichtung und Führung von hin und her bewegten Kolben in Hochspannungsleitungsschaltern zu finden, die bei einem geringen eigenen Raumbedarf ein unmittelbares Anpassen an veränderte Temperatur-, Druck- und Lagerungsverhältnisse der zugehörigen Kolben-Zylinder­ anordnung ermöglicht und die Durchführung von Kurzschlußabschaltungen im Wiederholungsfall in kürzesten Zeitintervallen gestattet.

Lösung des Problemes

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß mindestens zwei axial eng nebeneinander liegende, radial nach außen geschlitzte im Querschnitt rechteckige Ringe aus einem reibungsarmen und elektrisch isolierenden Werkstoff, z. B. PTFE, vorgesehen sind, die lose über mindestens einen Mitnehmerstift so verbunden sind, daß ihre radialen Schlitze gegeneinander versetzt sind und zumindest ein Ring auf dem Mitnehmerstift axial verschiebbar ist, daß diese Ringe in einer nutförmigen Eindrehung des Kolbens sitzen, wobei diese Eindrehung im Bereich des druckabgewandten Ringes um etwa den Durchmesser eines unter diesem Ring angeordneten Elastomerdichtringes, z. B. aus Gummi, tiefer reicht als im Bereich des druckseitigen Ringes, in dem der Innendurchmesser der Eindrehung so gewählt ist, daß dieser druckseitige Ring mit einem vorbestimmten Spielraum, d. h. nahezu schwimmend, in der Eindrehung lagert, und daß mindestens eine Bohrung von der druckseitigen Kolbenstirnwand aus bis zum Grund des zum druckseitigen Ring gehörenden Teiles der nutförmigen Eindrehung führt.

Durch diese erfindungsgemäße Anordnung tritt als Vorteil ein, daß die beiden axial nebeneinander liegenden Ringe einerseits über die Bohrung in der Stirnwand des Kolbens und den durch die schwimmende Lagerung innerhalb des Stützspieles des druckseitigen Ringes sich bei Druckaufbau druckabhängig verstärkt dichtend an die Zylinderwandung gedrückt werden und andererseits dennoch der druckseitige Ring infolge seines relativen kleinen Spieles in seinem Teil der nutförmigen Eindrehung eine gute Führungsfunktion des Kolbens im Zylinder übernehmen kann. Vorteilhafterweise sind die Schlitze in den Ringen etwa um den halben Umfang gegeneinander versetzt, bzw. die Ringe sind so angeordnet, daß dieser Versatz der Schlitze gegeneinander vorhanden ist.

Durch das Nebeneinanderliegen der radial nach außen geschlitzten, im Querschnitt rechteckigen Ringe in der gemeinsamen nutförmigen Eindrehung, durch den Versatz der Schlitze und das enge axiale Spiel der Ringe in der gemeinsamen nutförmigen Eindrehung wird die Dichtwirkung an den Stellen der Schlitze bewirkt.

In vorteilhafter Ausstattung der Erfindung ist der Durchmesser einer der Bohrungen in den Ringen mindestens um die Größe des erforderlichen Radialspieles größer als der Durchmesser des Mitnehmerstiftes. Damit werden Koaxialitätsabweichungen bei Beanspruchung durch Kontakt- und Trennstellenkräfte ohne Einfluß auf die Dichtwirkung ausgeglichen.

Durch die Auslegung der Nuttiefe für den Elastomerring etwas kleiner als der Durchmesser dieses Elastomerringes wird im Zusammenbau eine genügende Vorspannkraft auf den zugehörigen rechteckigen Ring ausgeübt.

Es kann ferner z. B. aus Dichtungsgründen von Vorteil sein, wenn die Bohrungen in den Ringen Sackbohrungen sind, deren Öffnungen im eingebauten Zustand zueinander weisen.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In der Zeichnung zeigen

Fig. 1 einen Schnitt durch die Schaltkammer eines SF6-Blas­ kolbenschalters,

Fig. 2 als Einzelheit die Kolbenabdichtung nach der Erfindung mit erhöhter Druckfunktion,

Fig. 3 als Einzelheit die Kolbendichtung nach der Erfindung in Führungsfunktion.

Entsprechend Fig. 1 weist eine Schaltkammer 1 eines SF6- Blaskolbenschalters im Inneren einen feststehenden Hauptkontakt 2, einen feststehenden Abbrennkontakt 7 sowie den jeweils zugehörigen beweglichen Hauptkontakt 6 mit einem Kompressionszylinder 14 und dem beweglichen Abbrenn­ kontakt 4 auf.

Bei der Schaltstellung "EIN" ist die Strombahn über die Hauptkontakte 2, 6 geschlossen, d. h. die Hauptkontakte 2, 6 und die Abbrennkontakte 4, 7 befinden sich im mechanischen und elektrischen Wirkeingriff.

Mit den beweglichen Kontakten 4, 6 ist mechanisch der Zylinder 14 verbunden, der mit seiner den Kontakten abgewendeten offenen Seite über einen feststehenden Kolben 15 gestülpt ist. Zwischen diesem Kolben 15 und der Innenwand des Zylinders 14 befindet sich das erfindungsgemäße Dichtungssystem:

An dem in den Zylinder 14 hineinreichenden Ende des Kolbens 15 besitzt dieser eine nutförmige Eindrehung 13, in der, in axialer Richtung gesehen, nebeneinander zwei im Querschnitt rechteckige Ringe 12.1, 12.2 gleichen Querschnitts aus PTFE angeordnet sind.

Diese Ringe 12.1, 12.2 sind jeweils radial von innen nach außen geschlitzt (nicht dargestellt). Sie sind so durch mindestens einen Mitnehmerstift 11 verbunden, daß ihre radialen Schlitze gegeneinander versetzt sind. Im gewählten Beispiel (Fig. 3) ist der Mitnehmerstift 11 mit Axial- und Radialspiel in beiden Ringen 12.1, 12.2 eingesetzt, derart, daß er die radialen Anstellbewegungen bei gasfederbelasteter Dichtwirkung bzw. Abstützung des Ringes 12.2 zwischen Kolben und Zylinder (Führungsfunktion) nicht behindert. Die nutförmige Eindrehung 13 reicht in ihrem dem Gasdruck abgewandten Bereich 13.1 um etwa den Durchmesser eines Gumminullringes 10, der hier unter dem Ring 12.1 liegt, tiefer als im dem Gasdruck zugewendeten Bereich 13.2, in dem der Druckring 12.2 durch die Wahl des Durchmessers des Eindrehungsgrundes 13.21 nahezu schwimmend gelagert ist, d. h. zwischen Druckring 12.2 und Eindrehungsgrund 13.21 ist ein gewisser Spielraum 9 vorhanden. Dieser Spielraum 9 ist mindestens über eine Bohrung 8 mit der druckseitigen Kolbenstirnwand 15.2 verbunden.

Die Wirkungsweise dieser Anordnung ist nun folgende:

Werden die Hauptkontakte 2, 6 getrennt, so fließt der Strom nur noch über die Abbrennkontakte 7, 4. Durch die Bewegung der beweglichen Kontakte 4, 6 wird der mit ihnen verbundene Zylinder 14 in Richtung Kolben 15 bewegt, so daß in dem aus Zylinder 14 und Kolben 15 gebildeten Kompressionsraum 5 das SF6-Gas komprimiert wird. Bei dieser Bewegung übernimmt der druckseitige Ring 12.2 neben seiner Dichtfunktion die Führung des Zylinders 14 auf dem Kolben 15 dadurch, daß er sich partiell im Grund 13.21 des zugehörigen Teiles der nutförmigen Eindrehung 13 und vollflächig an der entsprechenden Schulter 13.22 anlegt. Gleichzeitig wird durch den sich aufbauenden Druck an anderen Stellen über diesem Ring 12.2 im Spielraum 9 eine Gasfeder über die Bohrung 8 gebildet, die sowohl diesen Ring 12.2 verstärkt gegen die Innenwand des Zylinders 14 drückt als auch eine Druckverstärkung am Gummi-O-Ring 10 bewirkt, die eine Erhöhung der Dichtwirkung des Ringes 12.1 gegenüber dem Zylinder und gleichzeitig eine Erhöhung der Dichtwirkung des Gummi-O-Ringes 10 im zugehörigen Teil 13.1 der nutförmigen Eindrehung 13 hervorruft.

Ist die Öffnungsbewegung der Kontakte weiter fortgeschritten, so öffnen auch die Abbrennkontakte 7, 4 und ein Lichtbogen zwischen den Kontakten brennt. Über eine nunmehr geöffnete Strömungsdüse 3 entweicht das komprimierte SF6-Gas, wodurch der Lichtbogen intensiv beblasen und damit kurzfristig gelöscht wird.

Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen

 1 Schaltkammer eines SF6-Blaskolbenschalters
 2 feststehender Hauptkontakt
 3 Strömungsdüse
 4 beweglicher Abbrennkontakt
 5 Kompressionsraum
 6 beweglicher Hauptkontakt
 7 feststehender Abbrennkontakt
 8 Bohrung
 9 Spielraum
10 Gummi-O-Ring (Elastomer Dichtring)
11 Mitnehmerstift
12.1 druckabgewandter Ring aus PTFE, geschlitzt
12.2 druckseitiger Ring aus PTFE, geschlitzt
13 nutförmige Eindrehung
13.1 druckabgewandter Teil
13.2 druckseitiger Teil
13.21 Grund des druckseitigen Teiles
13.22 Schulter des druckseitigen Teiles
14 Zylinder, beweglich
15 Kolben, feststehend
15.2 druckseitige Kolbenstirnwand

Claims (4)

1. Dichtungssystem für druckmittelbetätigte Kolbenantriebe von elektrischen Hochspannungsschaltern mit einteiligen Dichtungsringen aus reibungsarmen und elektrisch isolierenden Werkstoff, z. B. aus PTFE, und mit Elastomer­ dichtungen, z. B. aus Gummi, zwischen Zylinder und Kolben, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei axial eng nebeneinanderliegende, radial nach außen geschlitzte, im Querschnitt rechteckige Ringe (12.1; 12.2) aus dem reibungsarmen und elektrisch isolierenden Werkstoff vorgesehen sind, die lose über mindestens einen Mitnehmerstift (11) so verbunden sind, daß ihre radialen Schlitze gegeneinander versetzt sind und zumindest ein Ring (12.1; 12.2) auf dem Mitnehmerstift (11) axial verschiebbar ist, daß diese Ringe (12.1; 12.2) in einer nutförmigen Eindrehung (13) des Kolbens (15) sitzen, wobei diese Eindrehung (13) im Bereich (13.1) des druckabgewandten Ringes (12.1) um etwa den Durchmesser des unter diesem Ring (12.1) angeordneten Elastomerdichtringes (10) tiefer reicht als im Bereich (13.2) des druckseitigen Ringes (12.2), in dem der Durchmesser des Grundes (13.21) der Eindrehung (13) so gewählt ist, daß dieser druckseitige Ring (12.2) mit einem vorbestimmten Spielraum (9) d. h. nahezu schwimmend in diesem Teil (13.2) der Eindrehung (13) gelagert ist, und daß mindestens eine Bohrung (8) von der druckseitigen Kolbenstirnwand (15.2) bis zum Grund (13.21) des zum druckseitigen Ring (12.2) gehörenden Teiles (13.2) der nutförmigen Eindrehung (13) führt.

2. Dichtungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Ringe (12.1; 12.2) in der nutförmigen Eindrehung (13) so angeordnet sind, daß ihre radial nach außen führenden Schlitze etwa um den halben Umfang der Ringe (12.1; 12.2) gegeneinander versetzt sind.

3. Dichtungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Durchmesser einer der Bohrungen in den Ringen (12.1; 12.2) mindestens um die Größe des erforderlichen Radialspieles größer ist als der Durchmesser des Mitnehmer­ stiftes (11).

4. Dichtungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Bohrungen für den Mitnehmerstift (11) in den Ringen (12.1; 12.2) Sackbohrungen sind, deren Öffnungen im eingebauten Zustand der Ringe (12.1; 12.2) zueinander weisen.