DE4300157A1 - Leistungsschalter für Mittelspannung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Leistungsschalter gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei einem bekannten Leistungsschalter dieser Art (DE-OS 20 33 562) befindet sich in einem beispielsweise mit SF6-Isoliergas gefüllten Gehäuse ein hohler Gehäuseteil mit in Achsrichtung gleichbleibendem Querschnitt. In diesen Gehäuseteil ragt von einer Stirnseite her axial ein feststehender Schaltkontakt hinein, dem ein axial verstellbarer und in Achsrichtung durchbohrter Schaltkontakt gegenübersteht. Im Gehäuse befindet sich eine ortsfeste Trennwand, die dicht am Innenmantel des Gehäuses anliegt und durch welche der bewegliche Schaltkontakt in einen anschließenden gasgefüllten Raum führt. Der bewegliche Schaltkontakt weist eine axiale Bohrung auf, die vom feststehenden Schaltkontakt bis in die abgetrennte Kammer reicht und dort frei ausmündet. Zwischen dem feststehenden Schaltkontakt und der Trennwand ist benachbart zum festen Schaltkontaktstück am beweglichen Schaltkontaktstück eine Kolbenscheibe festgesetzt, die eine den feststehenden Schaltkontakt in der Einschaltstellung umschließende Düse trägt, die über Öffnungen nahe am Mantel des beweglichen Schaltkontaktstücks mit dem Kompressionsraum zwischen der Kolbenscheibe und der Trennwand kommuniziert. Die Kolbenscheibe trägt auf ihrer Mantelfläche eine umlaufende Dichtung, die dicht am Innenmantel des prismatischen Gehäuseteil verschiebbar anliegt. Bei der Trennung der Schaltkontakte bewegt sich diese Kolbenscheibe zur Trennwand hin, wodurch das Isoliergas in dieser Kompressionskammer verdichtet wird und über die Düse in den sich zwischen den Kontaktflächen der Schaltkontakte bildenden Lichtbogen geblasen wird. Von Nachteil ist dabei jedoch, daß bei der Einschaltbewegung des beweglichen Schaltkontakts infolge der erforderlichen schnellen Schließbewegung das Löschgas in dem den feststehenden Schaltkontakt umgebenden Gasraum schnell verdichtet wird und der bewegliche Schaltkontakt mit der daran festgesetzten Kolbenscheibe gegen eine entsprechend hohe Druckkraft verstellt werden muß. Dabei kann ein Druckausgleich zwischen den durch die Kolbenscheibe abgetrennten Räumen nur durch die Düse und die engen Durchbrüche erfolgen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Leistungsschalter gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 Maßnahmen zu treffen, durch welche auf einfache, unaufwendige Weise ein beschleunigter Druckausgleich zwischen den durch die Kolbenscheibe getrennten Räumen bei der Einschaltbewegung des beweglichen Schaltkontakts erreicht wird.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt gemäß der Erfindung durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1.

Bei einer Ausgestaltung eines Leistungsschalters gemäß der Erfindung wird beim Schließvorgang der Schaltkontakte zusätzlich zu dem durch die Düse geführten Strömungsweg ein Bypass-Strömungsweg außerhalb der Düse geschaffen, der durch das dafür vorgesehene Ventil bei der Öffnungsbewegung des beweglichen Schaltkontakts selbsttätig geschlossen wird. Für dieses Ventil wird insbesondere das ohnehin erforderliche, mit der Kolbenscheibe verbundene Dichtungselement ausgenutzt, das gleichzeitig das bewegliche Ventil-Verschlußelement darstellt. Es sind dann keine zusätzlichen Bauteile für die Darstellung des Bypass-Strömungsweges erforderlich. In vorteilhafter Ausgestaltung kann dabei das Dichtungselement und die Kolbenscheibe über eine in axialer Verstellrichtung mit Spiel versehene Schleppverbindung miteinander gekoppelt sein, wobei gleichzeitig zumindest Teile des Umfangs der Kolbenscheibe kleiner als der Innenquerschnitt des Innenmantels sind und die Kolbenscheibe mit dem Dichtungselement nur in einer Bewegungsrichtung in dichtende Anlage tritt, während in der gegenläufigen Bewegungsrichtung zwischen diesen beiden Teilen aufgrund des axialen Spiels und eines in radialer Richtung zwischen der Kolbenscheibe und dem Dichtungselement belassenen, ggf. mehrzügigen Spalts ein freier Durchgang für das Löschmittel gebildet ist. Aufgrund der reibschlüssigen Anlage des Dichtungselements am Innenmantel des Schaltgehäuseteils wird sie somit bei einer Bewegungsrichtungsänderung der Kolbenscheibe erst nach einem dem axialen Spiel entsprechenden Hub des beweglichen Schaltkontaktstücks von der Kolbenscheibe bzw. daran angeordneten Mitnehmern mitgeschleppt. Vorzugsweise ist in der Mantelfläche der Kolbenscheibe eine umlaufende Umfangsnut vorgesehen, deren axiale Breite größer als die des eingreifenden ringförmigen Dichtungselements ist. Dabei ist die radiale Tiefe dieser Nut an mehreren Umfangsstellen bis zum Nutgrund größer als der Innendurchmesser des Dichtungselements, der Nutgrunddurchmesser ist also an diesen Stellen kleiner als der Innendurchmesser des Dichtringes, wodurch der erwähnte mehrzügige Spalt gewährleistet ist. Dieser Spalt geht in Achsrichtung an diesen Stellen in je einen Durchbruch über, der sich in derjenigen Nutflanke befindet, die dem Kompressionsraum zwischen der Kolbenscheibe und der Trennwand zugewandt ist. Radial bleiben von dieser Nutflanke noch Teile stehen, welche als Mitnehmer der Schleppverbindung bei der Einschaltbewegung des beweglichen Schaltkontakts dienen. Vorzugsweise wird der Übergang von der undurchbrochenen Nutflanke über den Spalt zum Durchbruch in der anderen Nutflanke als Bogen ausgebildet, der zur Erzeugung eines möglichst laminaren Gasstroms ausgebildet ist und axial in den Kompressionsraum ausläuft.

Es ist jedoch auch möglich, das reibschlüssig an der Innenmantelfläche sitzende Dichtungselement mit einer radial nach innen gerichteten umlaufenden Dichtflanke und axial entfernt mit mehreren über den Umfang verteilten ebenfalls nach innen weisenden Mitnehmern zu versehen. Dann greift die Kolbenscheibe mit axialem und radialem Spiel zwischen die Dichtflanke und die Mitnehmer, so daß auch hier eine dichtende Anlage zwischen der Dichtflanke und der Kolbenscheibe nur in einer Bewegungsrichtung gegeben ist, während die Kolbenscheibe in der Gegenbewegungsrichtung erst nach einem dem axialen Spiel entsprechenden Verstellweg in Anlage mit den Mitnehmern kommt und das Dichtungselement unter Freihaltung des Bypass-Strömungsweges mitschleppt.

Weiter vorteilhafte Einzelheiten der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand der Zeichnungen von teilweise dargestellten Leistungsschaltern für Mittelspannung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Leistungsschalter-Pol im Längsschnitt,

Fig. 2 eine Teilansicht eines Ventils und

Fig. 3 einen Leistungsschalter-Pol mit geändertem Ventil.

Ein Leistungsschalter für Mittelspannungen von vorzugsweiser 12 kV bis 72 kV weist ein isolierendes Schaltpolgehäuse 1 auf, das als Kapselung einen vorzugsweise mit SF6-Isoliergas gefüllten Raum umschließt, der durch eine Trennwand 2 in einen nicht näher dargestellten Antriebsraum 3 und einen Schaltraum 4 unterteilt ist. In dem den Antriebsraum 3 umschließenden Antriebsgehäuseteil 8 ist in einer metallischen Stützwand 5 ein Gleitkontakt 6 und eine nicht dargestellte Antriebsvorrichtung für einen beweglichen Schaltkontakt 7 gelagert, der vom Antriebsraum 3 durch den Gleitkontakt 6 und die Trennwand 2 in den Schaltraum 4 reicht. Der bewegliche Schaltkontakt 7 ist dabei axial durchbohrt, so daß ein Druckausgleich zwischen dem Schaltraum 4 und dem Antriebsraum 3 für das darin eingeschlossene Isoliergas möglich ist. Der Schaltraum 4 ist in einem ggf. prismatischen, insbesondere zylindrischen Schaltgehäuseteil 8a ausgebildet, der auf dem Antriebsgehäuseteil 8 sitzt und in den axial der bewegliche Schaltkontakt 7 eingeführt ist. In den Schaltraum 4 ragt von der Gegenseite in Achsrichtung ein feststehender, ebenfalls axial durchbohrter und mit dem beweglichen Schaltkontakt 7 fluchtender feststehender Schaltkontakt 9 hinein, der wie der Gleitkontakt 6 über ein radial nach außen geführtes Anschlußstück 10 in den zu schaltenden Stromkreis eines Mittelspannungsnetzes gelegt werden kann. Die Trennwand 2 schließt dicht mit der Innenmantelfläche des Schaltpolgehäuses ab und umschließt auch dicht den verstellbaren Schaltkontakt 7.

Innerhalb des Schaltraums 4 sitzt im Bereich des aktiven, gefederten abbrandfesten Endstücks 11 des beweglichen Schaltkontakts 7 am Schaltkontakt 7 eine unverschiebbar festgesetzte Kolbenscheibe 12, die eine das Endstück 11 mit radialem Spiel umgreifende und in axialer Richtung überragende Düse 13 trägt. In der Kolbenscheibe 12 befindet sich wenigstens ein Durchbruch 13.1, der mit dem von der Düse 13 umschlossenen Düsenraum 14 und dem zwischen der Kolbenscheibe 12 und der Trennwand 2 gebildeten Kompressionsraum 15 des Schaltraums 3 kommuniziert. Außerdem ist die Kolbenscheibe 12 mit einem Dichtungselement 16 versehen, das als Ring ausgebildet ist und um den Umfang der Kolbenscheibe 12 herumläuft.

Die Kolbenscheibe 12 und das Dichtungselement 16 bilden ein Ventil, das zusätzlich zum Strömungsweg für das Lichtbogen-Löschfluidum vom Schaltraum 4 zum Kompressionsraum 15 durch die Düse 13 und den Durchgang 13.1 einen Bypass-Strömungsweg freigibt, wenn der bewegliche Schaltkontakt 7, 11 aus der dargestellten Ausschaltstellung zum fest stehenden Schaltkontakt 9 in Einschaltstellung bewegt wird. Dabei liegt das Dichtungselement 16 reibschlüssig aber axial verschiebbar an der Innenmantelfläche des Schaltraums 4 bzw. des Kompressionsraums 15 mit solcher Kraft an, daß es nicht selbsttätig seine axiale Lage durch sein Eigengewicht verändert. Dabei ist das Dichtungselement 16 und die Kolbenscheibe 12 über eine in axialer Verstellrichtung mit Spiel verstellbare Schleppverbindung so gekoppelt, daß die Kolbenscheibe 12 mit dem Dichtungselement 16 nur in der Ausschaltbewegungsrichtung des beweglichen Schaltkontakts 7 in dichtende Anlage tritt und in der gegenläufigen Einschaltbewegungsrichtung ein freier Durchgang für den Bypass-Strömungsweg offen ist.

Gemäß Fig. 1 ist die Kolbenscheibe 12 an ihrer Außenmantelfläche mit einer radial eingestochenen, umlaufenden Nut 18 versehen, deren axiale Breite größer als die des ebenfalls ringförmigen Dichtungselements 16 ist. Zusätzlich ist die radiale Tiefe der Nut an mehreren über den Umfang verteilten Stellen bis zum Nutgrund 19 größer als der Innendurchmesser des Dichtungselements 16, so daß zwischen Nutgrund 19 und Dichtungselement 16 mehrere radiale Spalte 20 gebildet sind. Vom jeweiligen Spalt 20 geht ein Durchbruch 21 aus, der frei in den Kompressionsraum 15 ausmündet. Dabei ist der Übergang von der undurchbrochenen, dem feststehenden Schaltkontakt 9 zugewandten Nutflanke 22 über den Nutgrund 19 zum Durchbruch 21 als Bogen 23 ausgebildet, der axial zum Kompressionsraum 15 hin ausläuft. Die untere, dem Kompressionsraum 15 zugewandte Nutflanke 24 der Nut 18 ist vorliegend im Bereich des Durchbruchs 21 radial nach außen hin ausgeschnitten, so daß lediglich über den Umfang verteilte Mitnehmer 24.1 stehen bleiben. Dadurch wird der Strömungswiderstand für den Bypass-Strömungsweg vermindert. Dabei ist entweder der Durchmesser der Nutflanke 22 insgesamt kleiner als der Innendurchmesser des Innenmantels 17 oder er weist im Bereich der Durchbrüche 21 radial nach innen gerichtete Vertiefungen auf, die jedoch insgesamt in radialer Richtung nicht weiter nach innen reichen dürfen, als der Dichtungsring 16.

In der in Fig. 1 dargestellten Lage befindet sich die Kolbenscheibe 12 zusammen mit dem beweglichen Schaltkontakt 7 im Endbereich der Ausschaltbewegung, in deren Verlauf das im Kompressionsraum 15 vorhandene Löschfluidum komprimiert worden ist und nur durch die Durchgangsbohrungen 13.1 in die Düse 13 und weiter in den Abschalt-Lichtbogen zwischen den Schaltkontakten 7, 9 geblasen wird. Bei dieser Ausschaltbewegung liegt nämlich die obere Nutflanke 22 als Dichtfläche in dichtender Anlage mit dem Dichtungsring 16, der durch den Gasdruck noch gegen die Verstellrichtung an die Nutflanke 22 angepreßt wird. Wird danach für einen Einschaltvorgang der bewegliche Schaltkontakt 7 zum feststehenden Schaltkontakt 9 hin verstellt, dann bleibt der Dichtungsring 16 aufgrund seiner Massenträgheit und auch seiner Reibungshaftung am Innenmantel 17 zunächst stehen, bis die durchbrochene Nutflanke 24 mit ihren Mitnehmern 24.1 diesen Dichtungsring mitschleppt. Da die axiale Breite des Dichtungsringes 16 kleiner als die axiale Breite der Nut 18 ist, wird gemäß der Ausschnittzeichnung 2 der durch den Strömungspfeil 25 angedeutete Bypass-Strömungsweg zwischen der Innenmantelfläche 17 und der Kolbenscheibe 12 und weiter zwischen der sonst als Dichtungsfläche ausgebildeten Nutflanke 22 und dem Dichtungsring 16 durch die mehreren Spalte 20 und die Durchbrüche 21 vom Schaltraum 4 zum dann dekomprimierten Kompressionsraum 15 freigegeben. Dieser Strömungsweg bleibt somit auch dann offen, wenn der obere, dem Schaltkontakt 9 im Durchmesser angenäherte Düsenhals 13.2 bereits über den feststehenden Schaltkontakt 9 greift und der Strömungsweg über die Düse 13 und die Durchgangsbohrungen 13.1 verschlossen ist.

Das ringförmige Dichtungselement 16 weist einen trapezförmigen, radial nach innen sich verjüngenden Querschnitt auf, an dessen Neigung wenigstens die als Dichtfläche ausgebildete Nutflanke 22, aber auch die Nutflanke 24 angepaßt ist. Es ergibt sich dadurch eine verkantungsfreie Führung des Dichtungselements 16 in der durch die größere Nut gebildeten Schleppverbindung. Dabei ist noch in der axialen Verlängerung der Durchbrüche 21 auf der Trennwand 2 eine Gasstrom-Umlenkvorrichtung 26 angeordnet, die als eine um den beweglichen Schaltkontakt 7 herumlaufende Umlenkrinne ausgebildet ist.

Eine abgeänderte Schleppverbindung zwischen einem Dichtungselement 16 und einer Kolbenscheibe 12 ergibt sich aus Fig. 3. Dort ist das Dichtungselement 16 als Zylinderring ausgebildet, der an seinen dem Kompressionsraum 15 zugewandten Ende eine radial nach innen gerichtete, umlaufende Dichtflanke 28 aufweist. Mit axialem Abstand davon sind am Dichtungselement 16 zum feststehenden Schaltkontakt 9 hin versetzte Mitnehmer 24.1 am Dichtungselement 16 vorgesehen, die wie die Dichtungsflanke 28 radial nach innen weisen und über den Umfang verteilt sind. Zwischen die Dichtungsflanke 28 und die Mitnehmer 24.1 greift die Kolbenscheibe mit ihrem geschlossenen Außenumfangsrand 27, dessen Durchmesser kleiner als der Innendurchmesser des Dichtungselements 16 aber größer als der Innendurchmesser der Dichtungsflanke 28 ist. Der Außenumfangsrand 27 ist dabei in axialer Richtung kleiner als der freie Abstand zwischen der Dichtungsflanke 28 und den Mitnehmern 24.1. Die Dichtungsflanke 26 greift somit axial vor den Außenumfangsrand 27 der Kolbenscheibe 12.

Wird bei dieser Anordnung der bewegliche Schaltkontakt 7 in Ausschaltstellung gezogen, dann legt sich gemäß Fig. 3 der Außenumfangsrand 27 gegen die Dichtungsflanke 28, so daß ein dichter Abschluß der Kolbenscheibe zur Innenmantelfläche 17 des Schaltraums 4 gegeben ist. Das im Kompressionsraum 15 sich verdichtende Löschfluid wird somit allein über die Durchgangsbohrung 13.1 und die Düse 13 in den beim Ausschaltvorgang entstehenden Lichtbogen eingepreßt. Wird der bewegliche Schaltkontakt 7 dagegen in Einschaltrichtung bewegt, dann legt sich der Außenumfangsrand 27 der Kolbenscheibe 12 nach einem gewissen Schalthub an die Mitnehmer 24.1 an, so daß das Dichtungselement 16 beim weiteren Schalthub mitgenommen wird. Dabei löst sich der Außenumfangsrand 27 von der Dichtflanke 28, das so gebildete Ventil öffnet sich also und gibt den Bypass-Strömungsweg frei, der zwischen den Mitnehmern 24.1 durch den Spalt 20 und zwischen der Dichtflanke 28 sowie der benachbarten Flanke des Außenumfangsrandes 27 gebildet ist. Bei der Einschaltbewegung des beweglichen Kontakts 7 kann somit zum schnellen Druckausgleich über dieses Zusatzventil Löschfluid in den Kompressionsraum 15 zusätzlich überströmen. Die Nutflanken 22, 24, 24.1 bzw. die Dichtflanke 28 und die Mitnehmer 24.1 können auch als eigenständig hergestellte funktionell angepaßte Bauteile an der Kolbenscheibe 12 festgesetzt sein.

Claims (12)

1. Leistungsschalter für Mittelspannung mit einem geschlossenen, mit einem Isoliergas, z. B. SF6, gefüllten Gehäuse, in dem in einem hohlen prismatischen, insbesondere zylindrischen Schaltgehäuseteil ein feststehender Schaltkontakt und ein axial verstellbarer, in Achsrichtung durchbohrter Schaltkontakt angeordnet ist, mit einer im Gehäuse feststehenden, den verstellbaren Schaltkontakt umschließenden und dicht am Innenmantel des Gehäuses anliegenden Trennwand sowie mit einer zwischen der Trennwand und dem aktiven Schaltstückende des verstellbaren Schaltkontakts angeordneten, auf dem verstellbaren Schaltkontakt festgesetzten Kolbenscheibe, die nahe am Schaltkontakt wenigstens einen Durchgang und am Außenumfang ein am Innenmantel gleitbar und dicht anliegendes Dichtungselement aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolbenscheibe (12) ein Ventil (16, 18) zugeordnet ist, das bei einer Bewegung der Kolbenscheibe (12) von der Trennwand (2) weg selbsttätig öffnet.

2. Leistungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Dichtungselement (16) und die Kolbenscheibe (12) das Ventil bilden.

3. Leistungsschalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Dichtungselement (16) und die Kolbenscheibe (12) über eine in axialer Verstellrichtung mit Spiel versehene Schleppverbindung (22, 24) miteinander gekoppelt sind, daß die Querschnittsfläche der Kolbenscheibe (12) zumindest teilweise kleiner als der Innenquerschnitt des Innenmantels (17) ist, daß die Kolbenscheibe (12) mit dem Dichtungselement (16) nur in einer Bewegungsrichtung in dichtende Anlage tritt und daß in der gegenläufigen Bewegungsrichtung zwischen der Kolbenscheibe (12) und dem Dichtungselement (16) ein freier Durchgangsweg gebildet ist.

4. Leistungsschalter nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenscheibe (12) einerseits eine nur in einer Bewegungsrichtung mit dem Dichtungselement (16) in dichtende Anlage tretende Dichtflanke (22) aufweist und auf der Gegenseite des Dichtungselementes (16) über den Umfang verteilte Mitnehmer (24.1) trägt, die radial in den Bereich des Dichtungselementes (16) reichen.

5. Leistungsschalter nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß in der Mantelfläche der Kolbenscheibe (12) eine umlaufende Nut (18) vorgesehen ist, deren axiale Breite größer als die des ringförmigen Dichtungselements (16) und deren radiale Tiefe zumindest partiell so groß ist, daß der Nutgrunddurchmesser dort kleiner als der Innendurchmesser des Dichtungselements (16) ist und daß eine Flanke (24) der Nut (18) zumindest im Bereich des vertieften Nutgrundes (19) wenigstens einen axial gerichteten Durchbruch (21) aufweist.

6. Leistungsschalter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchbruch (21) vom Außenumfang der Nutflanke (24) bis über den Nutgrund (19) zu einem durch die Vertiefung gebildeten Spalt (20) reicht.

7. Leistungsschalter nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Übergang von der undurchbrochenen Nutflanke (22) über den Nutgrund (19) zum Durchbruch (21) als Bogen (23) ausgebildet ist, der axial ausläuft.

8. Leistungsschalter nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß das Dichtungselement (16) einen trapezförmigen, radial nach innen sich verjüngenden Querschnitt aufweist, an dessen Neigung wenigstens eine Nutflanke (22) angepaßt ist.

9. Leistungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Dichtungselement (16) eine radial nach innen gerichtete umlaufende Dichtflanke (28) und axial entfernt mehrere über den Umfang verteilte Mitnehmer (24.1) aufweist und daß zwischen die Dichtflanke (28) und die Mitnehmer (24.1) die Kolbenscheibe (12) mit ihrem geschlossenen Außenumfangsrand (27) eingreift, der in axialer Richtung schmaler als der freie axiale Abstand zwischen der Dichtflanke (28) und den Mitnehmern (24.1) und zusätzlich im Durchmesser kleiner als der lichte Innendurchmesser des Dichtelements (16) zwischen der Dichtflanke (28) und den Mitnehmern (24.1) aber größer als der lichte Innendurchmesser der Dichtflanke (28) ist.

10. Leistungsschalter nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtflanke (28) in Öffnungsrichtung des beweglichen Schaltkontakts (7) axial vor dem Außenumfangsrand (27) der Kolbenscheibe (12) liegt.

11. Leistungsschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß in der axialen Verlängerung der Durchbrüche (21) der Kolbenscheibe (12) an der Trennwand (2) eine Gasstrom-Umlenkvorrichtung (26) vorgesehen ist.

12. Leistungsschalter nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß das Dichtungselement (16) reibschlüssig an dem Innenmantel (17) des Schaltgehäuseteils (8) anliegt.