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Elektrischer Wechselstromschalter Man hat bisher für die Unterbrechung
hoher Leistungen fast ausschließlich Ölschalter verwendet. An Ölschalterbauforinen
sind vorhanden: Schalter mit frei im Öl angeordneten Unterbrechungskontakten und
weiter Schalter,-bei denen die Kontakte von einer Löschkammer umgeben sind. Eine
dritte Gattung stellt der sog. Nadelschalter dar, bei dem der Schaltstift aus dem
feststehenden Kontakt nach oben gezogen wird und dabei entweder aus der Öffnung
einer Lochscheibe oder aus der Deckelöffnung einer die feststehenden Kontakte umgebenden
Kammer herausgezogen wird. Die Löschung des Lichtbogens beruht beim Löschkammerschalter
und beim Nadelschalter auf der Druckerhöhung in der Kammer und einer damit im Zusammenhang
stehenden Ölströmung. Die Brennbarkeit des Öles stellt jedoch eine schwere Gefahr
für die Schaltanlagen dar. Man ist daher bestrebt, ölfreie Schalter für die Abschaltung
großer Leistungen zu schaffen. Die Erfindung betrifft einen Schalter, bei dem der
Lichtbogen vermöge der Anwendung eines neuen Löschprinzips, des sog. Expansionsprinzips,
ohne Zuhilfenahme einer Isolierflüssigkeit, also insbesondere ohne die Notwendigkeit
der Anwendung von Öl, gelöscht wird. Das Expansionsprinzip beruht darauf, daß für
die durch den Lichtbogen entstehenden und ihn dann umgebenden Flüssigkeitsdämpfe
während des Bestehens des Lichtbogens eine plötzliche sprunghafte Druckentladung
in dem Maße herbeigeführt wird, daß hierdurch die Löschung des Lichtbogens erfolgt.
Bei dem Schalter gemäß der Erfindung wird die eine leitende bzw. halbleitende Schaltflüssigkeit
enthaltende Dampfkammer zunächst während des Dampfbildungsprozesses bei tunlichst
konstant gehaltenem Rauminhalt dicht geschlossen gehalten, - bis sich ein Teil der
Schaltflüssigkeit in isolierenden Dampf von hohem Druck verwandelt hat. Dieser Dampf
wird dadurch plötzlich entlastet, daß die Dampfkammer durch das Austreten des Schaltstiftes
gegen den umgebenden Luftgefüllten Raum:, in dem während des Löschvorganges ein
geringerer Druck als im Dampfraum herrscht, geöffnet wird. Die Möglichkeit, hohe
Leistungen auch bei hohen Spannungen durch Herbeiführen einer entsprechend starken
Expansion betriebssicher auf kurzem Abschaltweg und ohne Entwicklung brennbarer
Gase abschalten zu können, gibt diesem Schalter eine große Überlegenheit gegenüber
bisher bekannten Hochleistungsschaltern. Als Schaltflüssigkeiten kommen leitende
Flüssigkeiten, wie beispielsweise Quecksilber, und halbleitende, wie beispielsweise
Wasser, in Frage. Die Anwendung solcher elektrolytischer Schaltflüssigkeiten
bringt
den Vorteil mit sich, daß der Schalter bei betriebsmäßigen Schaltungen (also bei
verhältnismäßig kleinen Stromstärken) als Widerstandsschalter; also lichtbo:eenfrei,
arbeitet. Die beweglichen Teile werden zweckmäßigerweise reit kleiner Masse ausgeführt,
so daß sie durch zaen Dampfdruck besonders stark beschleunigt werden.
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Schalter, die mit Wasser als Schaltflüssigkeit arbeiten sollen, sind
bereits ,früher vorgeschlagen worden, jedoch erwiesen sich diese Wege als unbrauchbar.
Es ist z. B. ein Wasserschalter bekanntgeworden, bei dem das bewegliche Schaltstück
.an einem Kolben befestigt ist, der durch den Dampf; welcher in einer langeestreckten
zylinderförmigen Lichtbogenkammer vom Lichtbogen entwickelt wird, vorwärts getrieben
wird. Der Rauminhalt nimmt also während des Dampfbildungsprozesses :ständig stark
zu. Der gebildete Dampf kann eine nennenswerte Spannung nicht bei:behalten,"&
er sich ständig in den fast #widerstandsdos - wachsenden Raum hineinentspannt. Der
Lichtbogen soll bei diesem Schalter hautpsächlnch dadurch .gelöscht -werden, daß
der Dampfdruck dem beweglichen Kontakt eine hohe Ausschaltgeschwindigkeit erteilt,
wodurch - in bekannter Weise der Lichtbogen zerrissen wird: _ Es ist weiter «der
Vorschlag gemacht worden, in den eingangs erwähnten Schaltern mit frei :angeordnete,
Unterbrechungskontakten oder mit der bekannten Löschkammer Wasser als Schaltflüssigkeit
zu verwenden. Die sich bei diesen Schaltern insbesondere aus der Leitfähigkeit der
verwendeten Schaltflüssigkeit ergebenden Schwierigkeiten konnten bisher in zufriedenstellender
Weise nicht behoben werden. Sie haben sich infolgedessen bisher nicht in die Praxis
eingeführt.
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In der Abb. i ist .eine Unterbrechungsstelle eines derartigen Schalters
schematisch dargestellt.
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.Auf dem Stützisolator fo ist die Dampfkammer zi befestigt. Der feste
Kontakt 12 der Dampfkammer steht durch den leitenden Boden 13 mit der Stromzuführungsklemme
14 in Verbindung. Durch diesen Boden 13 ist die Dampfkammer nach unten flüssigkeitsdicht
verschlossen., Durch die obere Öffnung 15 der Dampfkammer tritt der hohle Schaltstift
16 hin-durch : 17 ist die Unterbrechungsflüssigkeit, die durch den Lichtbogen 18
erhitzt und verdampft wind: Der obere Teil des Dampfkammerraumes ig ist in der gezeichneten
Schaltstellung mit ,dem Flüssigkeitsdampf _ gefüllt. Wenn der Schaltstift die Mündung
der Dampfkammer- bei seinem Aufwärtsgang erreicht, hat sich noch ein größerer Teil
der Flüssigkeit in Dampf verwandelt. Die plötzliche Entspannung dieses Dampfes beim
Austritt des Schaltstiftes aus der Öffnung veranlaßt die Löschung des Lichtbogens
unter der Einwirkung der Druckänderung und der gleichzeitigen Kondensation des Dampfes
um die elektrischen Ladungsträger im Lichtbogenraum beim Stromnull-durchgang.
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Erfindungsgemäß werden ferner die sich bei der Abschaltung bildenden
Dämpfe in eine Kondensationskammer geleitet. Bei kleinen Schaltleistungenwird man
dieKondensationskammer zweckmäßig aus Isoliermaterial, z. B. Porzellan, herstellen.
Für große Schaltleistungen empfiehlt es sich, .eine gegen Erde isolierte Kondensationskammer
.aus Metall zu verwenden. Die Kondensationskammer kann als konzentrischer Mantel
zur Dampfkammer angeordnet werden. Vielfach empfiehlt es sich jedoch, die Kondensationskammer
von der Dampfkammer vollkommen zu trennen und mittels Rohrleitungen damit zu verbinden.
Zweckmäßig ordnet man die Kondensationskammer- so :an, da ß .das Kondensat durch
die Dampfkammeröffnung wieder zurückfließen kann. Ist dies nicht möglich, so muß
die Rückleitungerfindungsgemäß ein Rückschlagventil erhalten, damit die Löschflüssigkeit
bei der Abschaltung nicht in die Kondensationskammer gepreßt wird.
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Eine Ausführungsform einer mit Dampf-und 1,Con:densationskammer in
konzentrischer Anordnung ausgerüsteten Unterbrechungsstelle ist in @derAbb.2 schematisch
dargestellt. Die Dampfkammer 2o, .deren oberer Teil aus Isoliermaterial und deren
unterer Teil 21 bis über den Flüssigkeitsspiegel ,aus Metall besteht, ist hierbei
in eine metallene Kondensationskammer 23 eingebaut. Diese ist gegen Erde 24 durch
einen kondensatorähnlichen Durchführungsisolator 25 isoliert, da die Kondensationskammer
23 durch :den Dampfkammerböden 26 in :leitender Verbindung mit dem festen Schaltstück
27 steht. Der andere Schalterpol ist mit Hilfe,des Durchführungsisolators 28 in
.das Innere der Kondensationskammer 23 eingeführt. Durch diese Durchführung tritt
der bewegliche Schaltstift 29 hindurch, der bei seinem Abwärtsgang aus der gezeichneten
Stellung durch die Öffnung der Dampfkammer 3o hindurchtritt. Dampf-und Kondensationskammer
sind teilweise mit der Unterbrechungsflüssigkeit 31 .gefüllt. Die Flüssigkeitsspiegel,
stehen. innerhalb und außerhalb der Dampfkammer auf gleicher Höhe, da sie durch
die Öffnung 32 in der Dampfkammer miteinander in Verbindung stehen. Vor dieser Öffnung
ist das Rückschl.agventil 33 eingebaut, welches verhindert, daß die` Flüssigkeit
aus der Dampfkammer unter der Wirkung des Überdruckes in die Kondensationskammer
hineingedrückt wird
34 ist die Klemme für die Stromzuführung zum
festen Kontakt.
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In dem Augenblick, in dem beim Ausschaltvorgang der Schaltstift 29
die Öffnung 3o der Dampfhammer verläßt, expandieren die Dämpfe in die Kondensationskammer.
Die kondensierte Flüssigkeit sammelt sich an ihrem Boden.
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Die Kondensationskammer 23 kann auch aus Isoliermaterial hergestellt
werden. In diesem Falle erübrigt sich eine besondere Isolierung .gegen Erde und
ein besonderer Durchführungsisolator für den anderenSchalterpol.
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Bei der in der Abb. a dargestellten Ausführungsform des Schalters
mitEinfachunterbrechung ist über ;der das feste Schaltstück enthaltenden Dampfkammer
2o eine Führungseinrichtung 28 für den beweglichen Schaltstift 29 aufgebaut, und
der Strom wird dem Schaltstift 29 über die Klemme 35 zugeführt und von der Dampfleammer
mit Hilfe der Klemme 34 abgenommen. Durch diese Bauart ist eine einfache geradlinige
Stromführung erzielt.
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Eine zweckmäßige Ausführungsform - des Schalters nach der Erfindung
ist in Abb. 3 dargestellt. Hierbei unterbricht der Hauptkontakt in Luft, während
:dieUnterbrechungskontakte von den Dampfkammern umgeben sind. Die beiden Schalterpole
sind wieder auf Stützisolatoren 4o, 41 befestigt, die ihrerseits auf einer Grundplatte
42 aufgebaut sind. 43, qq. sind die beiden Dampfkammern, 45, 46 dia Schaltstifte,
die an der Schaltertraverse 47 befestigt sind. Die Schaltstange 48 trägt an ihrem
unteren Ende den Kolben 49, der durch Druckluft in die Ausschaltstellung bewegt
wird. 50 ist der Druckluftzylinder. Die Druckluft tritt durch den Stutzen
51 ein. An der Schaltstange 48 ist die Schaltbrücke 52 in Form einer Bürste befestigt,
die zusammen mit den festen Schaltstücken 53, 54 den Hauptkontakt bildet. Die Stromzuführung
erfolgt durch die Zuführungsklemme 55 und die Stromableitung durch die Klemme 56.
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In Abb.4 ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung dargestellt,
bei der Dampf- und Kondensationskammer voneinander getrennt angeordnet sind. Die
Dampfkammer besteht aus einem Metallrohr 6o, gegen das am unteren Ende ein Deckel
61 geschraubt wird, welcher den feststehenden Kontakt 62- trägt. Das becherartige
Gebilde 6o und 61 ist :durch einen Dichtungsring 63 gedichtet. 64 stellt den Becher
aus Isolationsmaterial dar, welcher durch eine Kittung 65 indem Metallbecher befestigt
ist. Der Boden 66 der Dampfkammer wird zweckmäßig aus einem hartpapierähnlichen
Stoff hergestellt. Über der Dampfkammer befindet sich ein Raum 67, in den der Dampf
nach Austritt des beweglichen Schaltstiftes 68 aus .der Schaltkammer zunächst eintritt.
Dieser Raum hat saaitliche öffnungen 69, 70, an die .die Leitungen 71, 72 angeschlossen
sind, welche nach der Kondensationskammer 73 führen. Indem Raum 67 ist am oberen
Ende ein hitzebeständiges Isolierstück 74 befestigt.
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Die Wirkungsweise der geschilderten Anordnung ist folgende: Bei Auftreten
eines Kurzschlusses .bewegt sich die Schaltbrücke 75 mit dem beweglichen Schaltstift
68 nach oben und .erzeugt in der Flüssigkeit einen Lichtbogen, .der eine Dampfentwicklung
zur Folge hat. 'Mach Austritt des Stiftes 68 aus dem Boden-66 strömt der Dampf durch
die Rohre 69, 71 und 70, 72 nach der Kondensationskammer 73. Die Öffnung 76 ist
jedoch durch .den Schaltstift 68 zunächst noch verschlossen. Erst nachdem sich der
Schalt- und Kondensationsprozeß vollzogen hat, tritt der Schaltstift68 auch aus
der Öffnung 76 heraus, so daß eine isolierende Luftstrecke ohne Kriechpfad zwischen
Schaltkammer und Schaltstift entsteht..