DE682717C - Hochspannungsumformer mit mechanisch angetriebenen Kontakten fuer Starkstrom - Google Patents

Hochspannungsumformer mit mechanisch angetriebenen Kontakten fuer Starkstrom

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DE682717C
DE682717C DES117712D DES0117712D DE682717C DE 682717 C DE682717 C DE 682717C DE S117712 D DES117712 D DE S117712D DE S0117712 D DES0117712 D DE S0117712D DE 682717 C DE682717 C DE 682717C
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DE
Germany
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DES117712D
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Dr Fritz Kesselring
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Siemens Schuckertwerke AG
Siemens AG
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Siemens Schuckertwerke AG
Siemens AG
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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02MAPPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00Details of apparatus for conversion
    • H02M1/20Contact mechanisms of dynamic converters
    • H02M1/26Contact mechanisms of dynamic converters incorporating cam-operated contacts

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Rectifiers (AREA)

Description

  • Hochspannungsumformer mit mechanisch angetriebenen Kontakten für Starkstrom Die Erfindung betrifft einen Hochspannungsumformer mit mechanisch angetriebenen, einerseits an ein mehrphasiges Wechselstromsystem, andererseits an ein einphasiges, insbesondere Gleichstromsystem angeschlossenen Kontakten für Starkstrom. Es ist eine Reihe von Vorschlägen zum Bau von mechanischen Umformungseinrichtungen bekanntgeworden. Diese beschränken sich jedoch, soweit sie überhaupt für Hochspannung bestimmt sind, :auf die schematische Angabe bestimmter Anordnungen oder auf Einzelheiten in der Ausbildung derSchaltstellen mitRücksicht auf die elektrischen Beanspruchungen, denen sie ausgesetzt sind, jedoch ohne nähere Angaben über den Gesamtaufbau und insbesondere über die Vereinigung mit der Antriebsvorrichtung. Die praktische Ausführung von längere Zeit betriebsfähigen Hochspannungsstromrichtern ist bisher nur für sehr kleine Ströme gelungen, wie sie z. B. in Röntgen- oder auch Gasreinigungsanlagen gebraucht werden, nicht dagegen für Starkstrom zur allgemeinen Versorgung bzw. zur Verwendung in Kraft-, Licht- und Wärmeanlagen o. dgl.
  • Mit der vorliegenden Erfindung wird nun ein Weg zur Schaffung eines Hochspannungsumformers für Starkstrom gezeigt, in dem eine Reihe von an sich bekannten Merkmalen, die insbesondere im Schalterbau angewendet werden, vereinzelt auch f4r periodisch arbeitendeUnterbrechungseinrichtungen empfohlen wurden, in solcher Weise miteinander kombiniert sind, daß die einander in mancher Beziehung entgegengesetzten Anforderungen sowohl hinsichtlich der elektrischen als auch der mechanischen Verhältnisse in Einklang miteinander gebracht werden. Das ist deswegen nicht ohne weiteres möglich, weil einerseits die hohen Spannungsbeanspruchungen weitere Isolierabstände und somit große Abmessungen der einzelnen Teile erfordern, andererseits die rasche Bewegungsfolge der beweglichen Kontakte und ihrer Antriebsteile möglichst geringe Geschwindigkeiten und infolgedessen möglichst kleine Abmessungen dieser und der damit in Verbindung stehenden Einrichtungen erwünscht erscheinen lassen.
  • Die Erfindung besteht darin, daß an einem Umformer der bezeichneten Art für jede der mit hin und her bewegten Stiftkontakten ausgerüsteten und mit Einrichtungen zur Lichtbogenlöschung mit Hilfe eines strömenden Löschmittels versehenen Schaltstellen ein besonderes sie umschließendes und unter statischem Überdruck stehendes Isolierrohr eine tragende mechanische Verbindung zwischen den am Lagergerüst der Antriebsvorrichtung befindlichen Kontakt- und Anschlußteilen eines Poles des einen Systems und den entsprechenden Teilen .des zugehörigen und mit einem Pol des anderen Systems verbundenen ruhenden Kontaktes bildet. Dadurch wird der weitere Vorteil .erreicht, daß isolierende Wellen, Pleuelstangen u. dgl. nicht erforderlich sind. Die Einführung des Wechselstromanschlusses in das Innere des Isolierrohres verhindert 'ferner Glimmerscheinungen Wechselstrompol.
  • Nach der weiteren Ausbildung der Er@@Jung sind die Kontakt- und Anschlußteile'je°i eines Poles des einen Systems mit den Gegenkontakten und den Anschlußteilen mehrerer zugehöriger Pole des anderen Systems in der Weise zu einer baulichen Einheit zusammengefaßt, daß die verlängerten Achsen der Isolierrohre mindestens paarweise in V-Form zürAntr.iebsvorrichtunghin zusammenlaufen. Der ganze Umformer erhält so äußerlich das Aussehen eines Verbrennungskraftmotors in V-Form oder Sternform. Er zeichnet sich durch erschütterungsfreien Lauf und besonders geringe Abnutzung der mechanisch bewegten Teile aus.
  • Besondere Vorteile bietet eine solche Anordnung, bei der von den verschiedenen Kontakt- und Anschlußteilen sämtlicher Pole je einer Baueinheit nur diejenige eines der beiden Systeme mit der Grundfläche des Aufstellungsplatzes unmittelbar durch Isolierträger in Verbindung stehen, während diejenige des anderen Systems freitragend auf jenen angeordnet sind. Hierdurch wird mit geringem Aufwand eine gute Isolation aller spannurigführenden Teile, insbesondere der Anschlüsse für die abgehenden Leitungen gegen Erde, erzielt. Vie Isolierrohre kennen konzentrisch in je einem Durchführungsisolator angeordnet sein, z. B. in den Durchführungsisolatoren eines zugehörigen Speisetransformators. Diese Maßnahme führt insbesondere bei Geräten für sehr hohe Spannungen zu einer wesentlichen Ersparnis anHochspannungsisolationsmaterial.
  • In den Fig. i und 2 ist je ein Schaltungsschema einer Gesamtanordnung zum Umformen von mehrphasigem Wechselstrom in Gleichstrom oder umgekehrt dargestellt: Fig. 3 zeigt die Ausbildung einer einzelnen Schaltstelle. Die Fig. q. und 5 zeigen den konstruktiven Zusammenbau mehrerer Schältstellen zu einer baulichen Einheit.
  • In Fig. i ist die normale Sechsphasenschalteng für einen Gleich- bzw. Wechselrichter dargestellt. Die Schalter S1 . . . SB, welche synchron angetrieben sind und der Reihe nach Kontakt machen, verbinden die Transformatorenwicklung jeweils mit dem einen Gleichstrompol, während der andere Gleichstrompol durch den Nullpunkt des Transformators gegeben ist. Im gezeichneten Augenblick fließt der Strom von O über den Schalter S1 nach dem Punkt A, von da über die Ringleitung nach B über .die Gleichstrombelastung CD und von hier zurück nach dem Nullpunkt O. Etwas später wird der Schalter S2 eingeschaltet. Es arbeiten dann die .Wicklungen OSi und 0S2 für kurze Zeit par-Darauf wird der Schalter S, geöffnet. @'er Strom fließt dann nur über S2. Diese 4.Unordnung wird man dann verwenden, wenn ein Punkt des. Systems geerdet wird, d. h. vor allem dann, wenn die Erde als Rückleitung benutzt wird.
  • Eine andere Schaltungsart ist in Fig.2a und 2b dargestellt. Man erkennt, däß in diesem Fall je zwei Schalter zu einer Einheit zusammengefaßt sind und daß nicht wie in Fig. i die Phasenspannung; sondern die verkettete Spannung auf den Gleichstromkreis geschaltet wird. In dem gezeichneten Augenblick fließt der Strom, hervorgerufen durch die Spannung U12, über S2, A2, B2, CD" Bi, A3, S3. Es folgt dann die um 6o° elektrisch verschobene, umgeklappte Spannung U13, wie sie punktiert dargestellt ist. Der Sehalter So bleibt geschlossen. Der Schalter S3 öffnet sich, dafür schließt sich jedoch, wie punktiert angedeutet, der Schalter S5. Es fließt dann der von U13 erzeugte Strom über S2, A2, B2, CD; B1, A5, S5. Man erkennt, daß die Stromrichteng in der Gleichstrombelastung CD die gleiche geblieben ist. Die Schaltung hat den besonderen Vorteil, ,daß zum Betrieb des Umformers kein gesonderter Transformator notwendig ist. Man erkennt dies am besten aus der Darstellung der Schaltung in Fig. 2b, wo auf der einen Seite das Drehstromsystem ic, v, w, auf der anderen ' Seite des Gleichstromsystem +, -dargestellt ist. Neben den synchron betätigten Schaltern S1 . . . S, ist noch ein Schalter S vorgesehen, .der Kurzschlüsse abschälten soll. Der Synchronmotor M treibt die punktiert angedeutete Kurbelwelle an, ' durch welche die Schalter S1 ... S, betätigt werden. Bei dieser Schaltung wird man im allgemeinen die Gleichstromübertragungsleitung -als Doppelleitung ausführen, was für den Aufbau des Umformers von Bedeutung ist.
  • In Fig. 3 ist ein einzelner Pol eines mehrphasigen Umformers dargestellt. Es bedeutet darin i das Isolierrohr, welches auf einem Stutzer 2 befestigt ist. Die Schaltstelle ist vorteilhaft in der Nähe des einen Endes des Isolierrohres, also tief in letzteres hineinragend, anzuordnen, wobei die Zuleitung zum feststehenden Kontakt größtenteils freitragend ausgeführt ist, so däß ein langer Kriechweg im Innern des Isolierrohres entsteht. Demgemäß ist der Hochspannungswechselstromanschluß 3 am unteren Ende ,des Isolierrohres angeordnet. Der feststehende Kontakt q: sitzt am oberen Ende des Metallrohres 5. 6 sind Isolierstücke, welche das Metallrohr 5 zentrieren, Das obere Ende des Isolierrohres trägt die Kappen 7 und 15, die gleichzeitig den einen Gleichstrompol bilden. Die Kappe 7 trägt den mechanischen Antrieb, die Kappe 15 den Kontakt für die Stromabnahme vom Schaltstift g. 8 ist die Kurbelwelle, welche den beweglichen Kontakt 9 antreibt. Die Kappe 7 ist auf der dem feststehenden Kontakt zugewendeten »Seite io verrundet. Weiterhin sind noch Abschirmelektroden ii vorgesehen, um eine günstige Feldverteilung zu erzielen. Die Löschflüssigkeit wird der Kappe 7 durch ein Rohr 13 zugeführt. Sie fließt dann an dem beweglichen Kontakt 9 vorbei in das Rohr 5 und fließt von da durch das Isolierrohr 14, welches im Innern des Stützers z angeordnet ist, ab. Man erkennt aus dieserAnordnung, daß im Innern des Isolierrohres i zwischen dem Kontakt 4 und dem beweglichen Kontakt 9 sehr lange Kriechwege vorhanden sind, daß ferner einerseits der Kontakt 4, andererseits der bewegliche Kontakt 9 und die Kappe 7 auf den einander zugekehrten Seiten allseitig von flüssigem Isoliermittel umgeben sind, wodurch eine sehr sichere Isolation bei Vermeidung von Vorentladungen erreicht wird. Der Antrieb selbst ist kraftschlüssig mit dem Isolierrohr und mit dem feststehenden Kontakt verbunden.
  • In Fig.4 bedeutet 21 ein Metallgefäß, in dem der Kurbelmechanismus 27 untergebracht ist. Dieses Gefäß sitzt auf einem Stützer 22. Die Isolierrohre 23 sind mit Porzellanüberwürfen 24 versehen. Die Hochspannungsanschlüsse 25 liegen am oberen Ende der Isolierrohre 23. Die beweglichen Kontaktstifte 26 sind schräg nach oben gerichtet. Diese Anordnung eignet sich besonders für Aufstellung im Freien.
  • In Fig. 5 ist der Zusammenbau eines Umrichtertransformators; der nach Fig. i geschaltet ist, mit den Isolierrohren und dem Schaltmechanismus für die Kontaktbetätigung aufgezeichnet. Es bedeutet darin 31 den Transformatorkessel, 32 Durchführungen, in deren Innerm _ die Isolierrohre 33 untergebracht sind, 34 sind die feststehenden, 35 die beweglichen Kontakte, 36 Pleuelstangen. 37 ist die Kurbelwelle, die mit Hilfe der Kurbel 38 nach oben und unten in den Pfeilrichtungen 5i, 52 verstellbar ist. « 39 sind Rollkontakte, welche den Strom auf die beweglichen Schaltstücke 35 übertragen. Durch das Rohr 4o wird Öl in das Innere der Isolierrohre 33 hineingepreßt. Bei geöffnetem Kontakt, wie es links dargestellt ist, fließt das Öl durch das Metallrohr 41 nach unten und von da über die Rohre 42, welche im allgemeinen aus Isoliermaterial bestehen, nach dem geerdeten Sammelrohr 43. Die Metallkappe 44 stellt den Gleichstrompol dar. Ihre unteren Enden 45 sind verrundet und in Isoliermasse 46 eingebettet. Die Wirkungsweise der Anordnung ist folgende: Solange der Kontakt geschlossen ist (vgl. Darstellung rechts); fließt der Strom von der Wicklung 47 über das Metallrohr 41 zum feststehenden Kontakt 34, dann über den beweglichen Kontakt 35 nach dem Rollenkontakt 39, von da über die den Gleichstrompol bildende Metallkappe 44 zur Anschlußfahne 48, von da über die punktiert angedeutete Gleichstrombelastung 49 zurück nach dem Nullpunkt 5o des Transformators. Kurz vor dem Stromnulldurchgang verläßt der Kontakt 35 den feststehenden Kontakt 34. Infolge der Ölströmung wird der evtl. entstehende Licht: bogen sofort gelöscht. Der Kontakt 34 und der Kontakt 35 sind durch Öl unter überdruck getrennt und voneinander isoliert. Der Kontaktabstand wächst in dem. Maße wie die Spannung zwischen dem Wechselstromkontakt 34 und dem Gleichstrompol 44 sich verändert.
  • Zur Verstellung des Zeitpunktes der Kontaktberührung und des Kontakteingriffes kann die Kurbelwelle selbst verstellbar, z. B. schwenkbar gelagert und mit dem treibenden Synchronmotor entweder durch eine Zahnradübersetzung oder durch eine Kardanwelle verbunden sein.
  • Der Kontakteingriff kann bei .der Ausführungsform nach Fig. 5 durch Steuerung des Hebels 38 nach Wunsch verändert werden.
  • Es wird im allgemeinen zweckmäßig sein, den Kontakteingriff in Abhängigkeit von elektrischen Größen, wie Strom, Phasenverschiebung u.,dgl., selbsttätig zu verändern. Wird der Umformer z. B. mit umlaufendem Öl betrieben, so kann zur Verringerung des Kontaktabbrandes und der Ölverrußung der Kontakteingriff so gesteuert sein, @daß die Gasmenge, welche je Sekundie durch Zersetzung der Isolierflüssigkeit entsteht, ein Minimum wird, z. B. dadurch, daß das Gas in einem Auffanggefäß gesammelt wird, das eine kleine Öffnung besitzt. Je mehr Gas nun je Sekunde entsteht, desto größer wird der Druck in dem Auffanggefäß sein. Der Druck bewirkt über ein Kontaktmanometer unmittelbar die Verstellung der Kurbelwelle.
  • Damit der Umformer bei unzulässiger Belastung; insbesondere bei Kurzschluß, keinen Schaden erleidet, wird eine bei der unzulässigen Belastung selbsttätig ansprechende Einrichtung vorgesehen, welche die Kontakte so weit verschiebt, daß sie überhaupt nicht mehr zum Eingriff kommen. Vorteilhaft ist es, in der Umgebung der Kontaktstellen noch an sich bekannte Einrichtungen zur sicheren Abschaltung des Kurzschlußstromes anzubringen, indem man z. B. in das Isolierrohr eine elastische Expansionskammer; Deion-Grid, eine Ölströmungskammer o. dgl. einbaut. Unter Umständen kann es zweckmäßig sein, bei unzulässiger Belastung die Kurbelwelle nach der anderen Seite hin zu verschieben, derart, daß die Kontakte dauernd in Eingriff bleiben. Dadurch wird erreicht, daß keinerlei Gasentwicklung und Lichtbogenbildung im Gleichrichter selbst mehr auftritt. Der Kurzschluß muß dann aber durch einen dävorliegenden Hochleistungsschalter abgeschaltet werden.

Claims (12)

  1. PATENTANSPRÜCHE: i. Hochspannungsumformer mit mechanisch angetriebenen, einerseits an ein mehrphasiges Wechselstromsystem, andererseits an ein einphasiges; insbesondere Gleichstromsystem angeschlossenen Kontakten für Starkstrom, dadurch gekennzeichnet, daß für jede der mit hin und her bewegten Stiftkontakten ausgerüsteten und mit Einrichtungen zur Lichtbögenlöschung mit Hilfe eines strömenden Löschmittels versehenen Schaltstellen ein besonderes, sie umschließendes und unter statischem Überdruck stehendes Isolierrohr eine tragende mechanische Verbindung zwischen den am -Lagergerüst der Antriebsvorrichtung befindlichenKontakt-und Anschlußteilen eines Poles des einen Systems und den entsprechenden Teilen des zugehörigen und mit einem Pol des anderen Systems verbundenen ruhenden Kontaktes bildet.
  2. 2. Hochspannungsumformer nach Anspruch r, dadurch gekennzeichnet, .daß die Kontakt- und Anschlüßteile je eines Poles des einen Systems mit den Gegenkontakten und den Anschlußteilen mehrerer zugehöriger Pole des anderen Systems in der Weise zu einer baulichen Einheit zusammengefaßt sind, daß die verlängerten Achsen der Isolierrohre mindestens paarweise in V-Form zur Antriebsvorrichtung hin zusammenlaufen.
  3. 3. Hochspannungsumformer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß von,den leitenden Kontakt- und Anschlußteilen sämtlicher Pole je einer Baueinheit nur diejenigen eines der beiden Systeme mit der Grundfläche des Aufstellungsplatzes unmittelbar durch Isolierträger in Verbindung stehen, während diejenigen des anderenSystems freitragend auf jenen angeordnet sind. q..
  4. Umformer nach Anspruch i und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierrohre in .die nach oben zusammenlaufenden Durchführungsisolatoren eines zugehörigen Speisetransformators eingebaut sind.
  5. 5. Umformer nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß der ruhende Kontakt tief in das Innere des Isolierrohres großtenteils freitragend hineinragt.
  6. 6. Umformer nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die außen an einem Ende des Isolierrohres angebrachten ruhendenAnschlußteile des bewegtenKontaktstiftes ganz oder teilweise in festen oder flüssigen Isolierstoff eingebettet sind.' 7.
  7. Umformer nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die ruhenden Anschlußteile der Kontakte außerhalb oder innerhalb der Isolierrohre zu Abschirinelektroden ausgestaltet sind. B.
  8. Umformer nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingriffsweg der beweglichen Kontaktstifte gegenüber den Gegenkontakten, z. B. mittels verstellbarer Lagerung einer sie antreibenden Kurbelwelle, verschieden einstellbar ist. g.
  9. Umformer nach Anspruch 8; dadurch gekennzeichnet, daß die Verstellung des Eingriffes der beweglichen Kontaktstifte in Abhängigkeit von einer oder mehreren der am Umformer auftretenden elektrischen Größen (Strom, Spannung, Phasenverschiebung) selbsttätig erfolgt. io.
  10. Umformer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das durch den Abschaltvorgang entstehende Gas auf eine Einrichtung wirkt, welche den Kontakteingriff in dem Sinne beeinflußt, daß die sekundlich entstehende Gasmenge einen Mindestwert annimmt. i i.
  11. Umformer nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch eine Schutzeinrichtung, welche bei unzulässiger Belastung, insbesondere bei Kurzschluß, die Kontakte so weit verschiebt, daß sie nicht mehr zum Eingriff kommen, oder umgekehrt so weit, daß sie dauernd bei umlaufendem Schaltmechanismus in Eingriff bleiben, wobei dann ein zusätzlicher, die Abschaltung des Umformers selbsttätig bewirkender Schalter vorgesehen ist.
  12. 12. Umformer nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltstel- i len von zusätzlichen, an sich bekannten, die Unterbrechung von Kurzschlußströmen bemessenen Löscheinrichtungen umgeben ist, z. B. elastischen Expansionskammern, Deion-Grids, Ölströmungs- i kaminern..
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102013209223A1 (de) * 2013-05-17 2014-11-20 Zf Friedrichshafen Ag Gleichrichterschaltvorrichtung, Schalteinrichtung, Verwendung einer Gleichrichterschaltvorrichtung und Verfahren zur Spannungsgleichrichtung

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE102013209223A1 (de) * 2013-05-17 2014-11-20 Zf Friedrichshafen Ag Gleichrichterschaltvorrichtung, Schalteinrichtung, Verwendung einer Gleichrichterschaltvorrichtung und Verfahren zur Spannungsgleichrichtung

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