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