DE678032C - Elektrischer Leistungsschalter nach dem Expansionsprinzip mit einer Dampfkammer - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektrischen Leistungsschalter nach dem Expansionsprinzip mit einer Dampfkammer, die besondere von der Schaltstiftöffnung unabhängige Ausströmungsstellen für den Dampf hat, welche erst bei Erreichen eines bestimmten Expansionsdruckes freigegeben werden, und stellt eine Verbesserung des Gegenstandes des Patents 622 733 dar. Gemäß dem Hauptpatent setzt die Dampfausströmung sprunghaft ein, wodurch eine Expansion des Dampfes innerhalb der Kammer hervorgerufen wird, so daß der Lichtbogenraum während des Stromnulldurchganges in so hohem Maße entionisiert wird, daß die wiederkehrende Spannung den Lichtbogen nicht mehr zünden kann. Die Wirkung hängt innig mit der Kühlung des dampf förmigen Kammerinhaltes zusammen, und diese Kühlung wird beim Expansionsschalter ausschließlich durch die mit außergewöhnlicher Geschwindigkeit erfolgende Expansion des Dampfes bewirkt, nicht aber durch irgendeine Wärmeabgabe des Dampfes an ein Kühlmittel. Diese letztere Form der Kühlung geht viel zu langsam vor sich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Expansion bei Anwendung einfacher Mittel noch weiterhin zu steigern. Dies wird erfindungsgemäß im wesentlichen dadurch erreicht, daß die Ausströmungsstellen für den Dampf und deren Verschlußteile so ausgebil-

*) "Von dem Patentsucher ist als der Erfinder angegeben worden:

det sind, daß sie nach ihrem Ansprechen auf einen bestimmten Überdruck geöffnet bleiben, während der Dampfdruck auf einen Bruchteil seines Anfangsbetrages sinkt. Im Gegensatz zu den Anordnungen, bei denen die Ausströmungsstellen ventilartig gesteuert werden, indem sie bei einem bestimmten Druck geöffnet und bei einem nur unwesentlich unterhalb des Ansprechdruckes liegenden Druck abgeschlossen werden, werden die Ausströmungsöffnungen bei dem Schalter nach der Erfindung somit bei einem hohen Druck geöffnet ■ und bei einem kleinen Druck abgeschlossen. Gegenüber einer Steuerung der Ausströmungs-Öffnungen, die auf ein Konstanthalten des Druckes hinausläuft, wird somit bei dem Erfindungsgegenstand eine für die gewünschte Expansionswirkung maßgebende Druckentlastung weitgehendst ausgenutzt. Da die Dampfkammer hierbei in kürzester Zeit einen großen Expansionsquerschnitt freigibt, so werden die Ausströmungswiderstände vermindert, wodurch der Grad der Expansion noch weiterhin beträchtlich, gesteigert wird. Die Schließkräfte werden auf den gewünschten, einen entsprechend hohen Expansionsgrad gewährleistenden Expansionsdruck eingestellt, und da ihr Ansprechen unabhängig von der jeweiligen Stromstärke des Lichtbogens immer erst bei Erreichen dieses Druckes erfolgt, so ist ein solcher Expan-

Werner Kaufmann in Berlin-Siemensstadt.

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sionsschalter auch für die Unterbrechung aller Ströme von den verschiedensten Stromstärken gleich gut geeignet. Bei sehr hoher Schaltleistung kann dabei der Druck innerhalb der Kammer auf einen unzulässig hohen Wert nicht ansteigen' Bei kleiner Schaltleistung dagegen reicht die Zeit, die der Schaltstift bis zur Erreichung der Kammeröffnung zurücklegt, aus, um die für die Expansion genügende Dampf menge zu entwickeln.

Man kann die den Expansionsvorgang ,steuernden Teile, welche auf den Innendruck ansprechen, bei Erreichung des Expänsionsdruckes die Expansionsöffnungen unverzögert oder mit einer ganz bestimmten Verzögerung freilegen lassen. Wenn die Verzögerung etwa eine Viertelwellendauer des Wechselstromes groß ist, wird, da das Ansprechen der Steuereinrichtung im Strommaximum erfolgt, die Öffnung des Expansionsquerschnittes beim Stromnulldurchgang erfolgen.

Es ist vorteilhaft, den Mantel der Dampfkammer aus mehreren axial beweglich geführten Teilen zusammenzusetzen, die durch elastische Kräfte zusammengepreßt werden. Die elastischen Verschlußkräfte können auf das genaueste auf den günstigsten Expansionsdruck eingestellt werden. Ferner erreicht man mit dieser Ausbildung, daß eine ganze Anzahl von Dampfausströmstellen im Mantel der Dampfkammer längs des Lichtbogens verteilt sind, wodurch sich diese immer an der durch die jeweilige Stellung des Schaltstiftes gegebenen günstigsten Stelle öffnen können. Man kann die Anordnung auch so treffen, daß die Angriffsflächen, welche die die Expansionsöffnungen steuernden Teile dem Innendruck darbieten, unmittelbar nach Erreichung des Expansionsdruckes durch die dann einsetzende Anfangsbewegung dieser Teile wesentlich vergrößert werden. Die den Expansionsvorgang steuernde Wirkung des Innendrucks wird also auf diese Weise im Augenblick, wo die Expansion einsetzt, vervielfacht. Infolge der Geschwindigkeit, mit welcher sich der Druck in der Kammer fortpflanzt, ist diese Wirkung eine augenblickliche, und der vergrößerte Expansionsquerschnitt kommt daher für die Löschung voll zur Geltung. Wenn die die Expansionsöffnung steuernden Teile dem Innendruck zugängliche Spalten mit großen Grenzflächen öffnen, dann entstehen in kürzester Zeit große Angriffsflächenfür den Druck, weil zur öffnung eines Spaltes eine sehr kleine Zeit erforderlich ist.

Man kann die Dampfkammer durch parallele Isolierplatten in Einzelkammern unterteilen, deren jede von ihrem eigenen abhebbaren Bauelement ummantelt wird und ihre eigene Ausströmstelle hat, welche sich durch Abheben des betreffenden Bauelementes bildet. Man kann auch den Deckel der Dampfkammer abhebbar führen und durch Federn an die Sitzfläche des Mantels anpressen lassen. Man ■ kann ferner die ganze Dampfkammer durch ' den Innendruck von einer Sitzfläche gegen die Wirkung von Federn abheben lassen und dabei die Ausströmung zwischen Sitzfläche und Kammerrand stattfinden lassen. In vielen Fällen wird es sich empfehlen, die abhebbaren Bauteile so auszuführen, daß sie sich während des Anfangshubes überdecken.

In Abb. ι besteht die Expansionskammer aus dem Metallgefäß 10, das einen dicken Flansch 11 hat, und aus einem Isolierdeckel 14. Der Isolierdeckel wird durch die Spannbolzen 12, 13 mit dem Gefäß 10 verbunden. Die Spannbolzen stützen sich mittels Teller 15, 16 gegen Federn 17, 18, die sich ihrerseits gegen den Flansch Ii abstützen, und können in Bohrungen dieses Flansches gleiten. Der Deckel 14 ist mit einer Dichtungsleiste 19 ausgerüstet. 20 ist ein Stützisolator, auf dem die Expansionskammer befestigt ist. 21 ist das feststehende Schaltstück, 22 der Schaltstift, der durch eine entsprechende öffnung im Deckel 14 hindurchgeht. 23 ist der Spiegel der Schaltflüssigkeit in der Expansionskammer.

Diese Expansionskammer wirkt folgendermaßen:

Der nach der Kontaktöffnung unter der Schaltflüssigkeit gezogene Unterbrechungslichtbogen verdampft Flüssigkeit, welche je nach der Leistung des Unterbrechungslichtbogens in kürzerer oder längerer Zeit die Expansionsspannung erreicht, d. h. einen solchen Überdruck, der hinreicht, um bei dem gegebenen Außendruck die für die Löschung erforderliche plötzliche Druckabsenkung zu ioo erzeugen. Der Raum, in den der Dampf expandiert, kann etwa ein' Kondensationsgefäß sein, in welchem etwa normaler Atmosphärendruck herrscht. Die Federn 17, 18 sind nun so eingestellt, daß, sobald dieser Expansionsdruck erreicht ist, der Deckel 14 vom Rand der Expansionskammer 10 abgehoben wird, so daß der in der Kammer befindliche Flüssigkeitsdampf durch den freigegebenen Ringquerschnitt unter dem herrsehenden Druckgefälle mit großer Geschwindigkeit ausströmt, so daß sich beim Stromnulldurchgang der durch die Expansion gekühlte, daher übersättigte Dampf an den im Lichtbogenpfad befindlichen elektrischen Ladungsträgern kondensiert und dadurch die Löschung des Lichtbogens bewirkt. Für die Geschwindigkeit der Druckverminderung bei der Expansion ist auch die Geschwindigkeit maßgebend, mit welcher der Expansionsquerschnitt geöffnet wird. Um eine möglichst plötzliche Öffnung zu erreichen, sind die zusatz-

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lichen Druckflächen zwischen Flansch ii und dem überstehenden Teil des Deckels 14 und um eine Vorausströmung vor der Erreichung des Expansionsdruckes zu vermeiden, ist die Dichtungsleiste 19 am Deckel vorgesehen. Die Dichtungsleiste verhindert das Ausströmen des Dampfes durch die immer vorhandenen Undichtigkeiten und damit ein vorzeitiges Abheben, welches durch die Undichtigkeitsverluste bewirkt werden könnte. Die Expansion setzt daher in vollem Maße in dem Augenblick ein, wenn beim Abheben des Deckels die untere Kante der Dichtungsleiste die Oberkante des Flansches 11 erreicht. In diesem Augenblick ist nun ein ringförmiger Spalt zwischen Flansch 11 und Deckel 14 geöffnet, der sofort von dem gespannten Dampf gefüllt wird. Die Dampfspannung wirkt von diesem Augenblick an auf eine um diese Ringfläche vergrößerte Angriffsfläche, so daß der Deckel 14 mit vervielfachter Kraft in die Höhe getrieben wird und rasch einen verhältnismäßig großen Ringquerschnitt für die Expansion' freigibt. Gleichzeitig wird durch diese Vergrößerung der Angriffsfläche für den gespannten Dampf verhindert, daß sich der Deckel unter der Wirkung der Federn 17, 18 nach einer geringen Absenkung des Drucks wieder schließt. Erst bis der Dampfdruck auf einen Bruchteil des Betrages gefallen ist, den er bei der Öffnung des Expansionsquerschnittes hatte, reicht die Federkraft aus, den Deckel wieder auf die Expansionskammer 10 aufzusetzen.

In Abb. 2 bedeuten 26 die Expansionskammer aus Isoliermaterial, die mittels der Stifte 27, 28 an einem Metallring 29 festgemacht ist. Dieser Metallring ist am Boden des Kondensationsgefäßes 25 durch die Schrauben 30, 31 befestigt. In dem Ringflansch sind für die Schraubenbolzen solche öffnungen vorgesehen, daß der Ring 29 mitsamt der Löschkammer auf den Schraubenbolzen nach oben gleiten kann. Federn 32, 33, die sich gegen die Schraubenköpfe und den Ringflansch abstützen, drücken die Löschkammer in der Ruhelage nach unten gegen die Sitzfläche am Boden. 34 ist das feststehende Schaltstück, 35 ist der bewegliche Schaltstift, 36 ist der Spiegel der Schaltflüssigkeit, welche innerhalb und außerhalb der Expansionskammer im Kondensationsgefäß 25 gleich hoch steht, da die beiden Gefäße durch eine kleine Öffnung 37 miteinander kommunizieren.

Die Öffnung 37 ist so klein, daß der Druckverlust, der durch das Ausströmen aus ihr bei der Dampfbildung stattfindet, keine Rolle spielt. 38 ist eine Dichtungsleiste, die der Dichtungsleiste 19 im vorhergehenden Aus-

Rd führungsbeispiel entspricht. Diese Expansionskammer wirkt ähnlich der im vorigen Ausführungsbeispiel geschilderten, mit dem Unterschied, daß der Dampf aus der Kammer nicht unmittelbar in den Gasraum des umgebenden Kondensationsgefäßes 25 expandiert, sondern durch die Schaltflüssigkeit hindurch, die den unteren Teil von 25 füllt. Die Expansion wird durch die intensive Kühlung unter Kondensation des ausströmenden Dampfes in der umgebenden Flüssigkeit wirksam unterstützt.

Die Expansionskammer nach Abb. 3 besteht aus einem Isoliergefäß, dessen Zylinderwandung teilweise aus Ringen zusammengesetzt ist, welche sich in Richtung der Zylinderachse gegeneinander bewegen können. Das Zylindergefäß ist mit dem an einem Isolator 40 befestigten Isolierboden 41 verbunden und besteht aus dem kurzen Isolierzylinder 42, der mit dem Boden 41 und dem Isolierring 43 fest verbunden ist, und den lose aufeinandergeschichteten Isolierringen 44 bis 48 mit den dazwischenliegenden scheibenartigen Isolierringen 49. 50 ist der Deckel der Kammer, der ebenfalls aus Isoliermaterial besteht und die Öffnung 51 für den Schaltstift 52 hat. Der Deckel 50 ist durch die in ihm verankerten Spannbolzen 53, 54 mit dem Boden 41 verbunden. Die Spannbolzen können im Boden 41 gleiten und sind mit Isolier- go hülsen 55, 56 umgeben und halten zwischen sich die Ringe 44 bis 49 fest. Gegen die Teller 57, 58 der Bolzen 53, 54 stützen sich die Federn 59, 60, welche die Bolzen nach unten ziehen und dadurch die Expansionskammerringe und den Deckel zusammenpressen. 61 ist das feststehende Schaltstück. 62 ist der Boden des die Expansionskammer umgebenden Flüssigkeitsbehälters (Kondensationsgefäß), der durch die Öffnung 51 für ico den Schaltstift mit der Schaltkammer kommuniziert. 63 ist der Spiegel der Schaltflüssigkeit.

Diese Expansionskammer wirkt folgendermaßen:

Nach der Kontaktöffnung kann sich in der vollständiggefüllten Expansionskammer unterhalb des kritischen Drucks nur dann Dampf entwickeln, wenn Flüssigkeit durch die Undichtigkeiten der Kammer nach außen gedrängt wird. Der Dampfdruck richtet sich daher einerseits nach dem Strömungswiderstand der Undichtigkeiten (d. i. hauptsächlich der Schaltstiftöffnung) und wird anderseits den Expansionsdruck je nach der Leistung ,,j des Lichtbogens, d. i. je nach der sekundlich erzeugten Dampfmenge, früher oder später erreichen. Der nach der Kontaktöffnung entstehende Dampfdruck wirkt zunächst nur auf den kleinen Innendurchmesser d der Kammer. , Bei großer Schaltleistung wird die Dampfspannung schon nach einem kurzen Weg des

Schaltstiftes die Expansionsspannung erreichen, beispielsweise dann, wenn die Schaltstiftspitze die unterste Platte 49 erreicht hat. Der Schaltdampf füllt also nur den untersten Teil der Kammer. Die Federn 59, 60 sind so bemessen, daß die vom Expansionsdruck auf die Kreisfläche vom Durchmesser d ausgeübte Kraft ihre Gegenkraft überwindet, mithin wird der Deckel 50 nach oben bewegt, die Ringe lockern sich, indem die Bolzen im Boden 41 gleiten und die Federn 59, 60 zusammendrücken. Da der im unteren Teil der Kammer befindliche Dampf zunächst die untersten Ringspalten, die sich zu beiden

¹S Seiten des Ringes bilden, füllen wird und die entstehenden Ringspalten durch die dem größeren Durchmesser D entsprechende vergrößerte Kraft erweitert werden, bleiben die oberen Ringe 45 bis 48 aufeinandergepreßt, und der Expansionsquerschnitt öffnet sich also im wesentlichen nur im unteren Teil der Kammer in Form von zwei Ringspalten. Aus diesen expandiert der Dampf sehr rasch durch die vorgelagerte Flüssigkeit hindurch in den umgebenden Raum. Auch hier wird also durch die zusätzliche Spaltfläche die auf die Vergrößerung des Expansionsquerschnittes hinwirkende Kraft, welche die nebeneinanderliegenden ringförmigen Scheiben voneinander zu entfernen sucht, im Sinne einer raschen Expansion vergrößert.

Bei Unterbrechung kleiner Leistungen wird der Schaltstiftweg länger sein müssen, um die sekundlich erzeugte Dampfmenge durch die

größere Lichtbogenlänge in dem Maße zu steigern, wie es für die Erreichung des Expansionsdruckes erforderlich ist. Infolge des größeren Schaltstiftweges werden sich auch die mittleren und oberen Teile der Kammer mit Dampf füllen. In diesem Fall wird bei Erreichung des Expansionsdruckes der Dampf aus allen Teilen der Kammer in die Spalten, die sich zwischen den Ringen 44 und 48 bilden, eindringen, die Spalten werden mehr oder weniger gleichmäßig geöffnet, und die Expansion erfolgt somit durch viele Ringquerschnitte aus allen Teilen der Kammer. Da hierdurch ein besonders großer Gesamtquerschnitt für die Expansion freigegeben und außerdem der Dampf unter Überwindung kleinster Widerstände ausströmen kann, ist die Druckabsenkung besonders kräftig. Die Platten 49 können auch so ausgeführt werden, daß ihr Innendurchmesser gleich demjenigen der Ringe 44 bis 48 ist.

Bei allen Beispielen ist vorausgesetzt^ daß der Expansionsvorgang bei jeder abzuschaltenden Leistung bereits vollendet ist, bevor der Schaltstift die öffnung in der Expansionskammer verläßt.

Als Schaltflüssigkeit kommen alle Flüssigkeiten in Frage, die unter der Einwirkung des Lichtbogens kondensationsfähigen Dampf bilden, also Wasser, öl o. dgl.

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Elektrischer Leistungsschalter nach dem Expansionsprinzip mit einer Dampfkammer, die besondere von der Schaltstiftöffnung unabhängige Ausströmungsstellen für den Dampf hat,; welche erst bei Erreichen eines bestimmten Expansionsdruckes freigegeben werden, nach Patent 622733, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausströmungsstellen für den Dampf und deren Verschlußteile so ausgebildet sind, daß sie nach ihrem Ansprechen auf einen bestimmten Überdruck geöffnet bleiben, während der Dampfdruck auf einen Bruchteil seines Anfangsbetrages sinkt.

2. Elektrischer Leistungsschalter nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel der Dampfkammer aus mehreren axial beweglich geführten Teilen zusammengesetzt ist, die durch elastische Kräfte zusammengepreßt werden.

3. Elektrischer Leistungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Angriffsflächen, welche die die Ausströmungsstellen steuernden Teile dem _go Innendruck darbieten, unmittelbar nach Erreichung des Expansionsdruckes durch die dann einsetzende Anfangsbewegung dieser Teile wesentlich vergrößert werden.

4. Elektrischer Leistungsschalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dampfkammer durch parallele Isolierplatten in Einzelkammern unterteilt ist, deren jede von ihrem eigenen abhebbaren Bauelement ummantelt wird und ihre eigene Ausströmstelle hat, welche sich durch Abheben des betreffenden Bauelementes bildet.

5. Elektrischer Leistungsschalter nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die ganze Dampfkammer durch den Innenüberdruck von einer Sitzfläche gegen die Wirkung von Federn abgehoben wird und dabei die Ausströmung zwischen Sitzfläche und Kammerrand stattfindet.

6. Elektrischer Leistungsschalter nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß sich die abhebbaren Bauteile während des Anfangshubes überdecken.

Hierzu ι Blatt Zeichnungen