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Flüssigkeitsfreier Schalter mit Lichtbogenlöschung durch strömendes
Druckgas Es sind Druckgasschalter bekannt, bei denen der zur Beblasung des Lichtbogens
erforderliche Gasdruck durch Erwärmung einer in einem Raum (Gasraum) eingeschlossenen
Gasmenge erfolgt; wobei die Erwärmung vom Lichtbogen selbst bewirkt wird. Bei derartigen
Schaltern wird eine gute Löschung des Lichtbogens nur in einem verhältnismäßig engen
Strombereich erreicht. Außerhalb dieses Bereiches ist einerseits bei geringen Strömen
der erzeugte Gasdruck zu niedrig, um eine ausreichende Beblasung und damit Lichtbogenlöschung
sicherzustellen; während andererseits bei großen Strömen das Gas so weit erwärmt
wird, daß seine Isolierfähigkeit nach dem Stromnulldurchgang zu gering ist; um eine
Wiederzündung zu verhindern.
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Eine einwandfreie Löschung ist bei einem derartigen Schalter also
nur möglich, wenn der Schaltraum in seiner Form und Bemessung dem jeweils abzuschaltenden
Strom angepaßt ist. Besonders wichtig ist die richtige Dosierung der erwärmten Gasmenge.
Da im Gegensatz zum Flüssigkeitsschalter das gesamte Löschmedium im Gasraum erwärmtwird,
hängt die Temperatur und der Druck des Gases sehr stark von der zugeführten Energie
ab. Da einerseits der Druck des Gases nicht unter einen bestimmten Wert sinken darf,
um eine Blasung mit :ausreichenden Gasgeschwindigkeiten sicherzustellen, andererseits
die Temperatur des Gases nicht zu hoch werden darf, da infolge der Ionisierung die
Isolierfähigkeit des Gases mit hoher Temperatur stark naehläßt, ist ein. derartiger
Schalter in der bekannten Form nur für einen engen Stromstärkenbereich brauchbar.
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Es wurde bereits vorgeschlagen, die Löschung durch Zufuhr von Druckgas.
zu,Lmterstützen' Die Erfindung ergibt die Möglichkeit, die Nachteile der bisherigen
Anordnungen auf andere Weise zu vermeiden. Erfindungsgemäß werden Teile des Schaltraumes,
der in der Regel ,aus dem Gasraum, dem Blasraum, der Verbindung zwischen beiden
und den Kontakten besteht, in Abhängigkeit vom abzuschaltenden Strom derart verändert,
daß bei jeder Stromstärke günstige Löschverhältnisise vorliegen. Dabei wird unter
dem Gasraum der Raum verstanden, in dem das Gas erwärmt wird, wodurch sein Druck'
erhöht wird. Unter dem Blasraum wird der finit der freien Luft in der Regel in Verbindung
stehende Raum, .durch den das. im Gasraum gespeicherte Gas strömt, den Lichtbogen
beblasend, verstanden. Zu diesem Zweck können der Gasraum und Gasaustritte aus beweglichen
Teilen .entsprechend den Patenten 555 83o und 597 038 bestehen, die unter.
dem Einfluß des Stromes in gewünschter
Weise bewegt werden. Dies
kann durch elektromagnetische Vorrichtungen erfolgen, die die Einstellung dauernd
oder unmittelbar vor dein Ausschalten vornehmen. Am einfachsten erfolgt dies -durch
den Druck des Gases im Gasraum. Im eingeschalteten Zustand ist der Gasraum für die
Löschung kleinster Stromstärken eingestellt, die nicht infolge der Kontakttrennung
allein an sich erlöschen würden.
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Die Anpassung des Gasraumes an den Strom erfolgt dadurch, daß dieser
mit dem Strom vergrößert wird. Bei kleinen Strömen erfolgt die Erwärmung des Gases
beim konstanten Volumen, wodurch möglichst große Druckerhöhung erzielt wird. Bei
großen Strömen kann der Gasdruck bei gleichbleibender Gasmenge vergrößert werden.
Erfolgt dies, wie zweckmäßig ist, durch den Gasdruck selbst, so entspricht es einer
Ausdehnung des Gases, setzt also die Temperatur herab. Ein Teil der dem Gas zugeführten
Energie wird also zur Raumschaffung verwendet. Da als Gegenkräfte in der Regel Federkräfte
verwendet werden, wird ein Teil der Gasenergie in den Federn gespeichert und ermöglicht
unmittelbar nach der Löschung des Lichtbogens durch Wiederverkleinerung des Gasraumes
ein Nachblasen. Es kann ,auch der Gasraum vor dem .Ausschalten bei gleichbleiben:
dem Gasdruck vergrößert werden; dies setzt eine dauernde -Nachregelung .des Volumens
des Gasraumes voraus, ergibt jedoch die beste Möglichkeit, den Gasdruck und die
Gastemperatur in gewünschten Grenzen zu halten.
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Ähnliches wird erreicht bei Regelung durch den Druck des erwärmten
Gases dadurch, daß bei bestimmten Gasdrücken, also unstetig, Zusatzräume mit dem
Gasraum in Verbindung gebracht werden, die nicht erwärmtes Gas von niedrigerem Druck
und Temperatur enthalten.
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Die Vorgänge beim Blasen sind von der Ausbildung der Gasräume abhängig.
Hierbei sind drei grundsätzliche Ausführungsarten zu unterscheiden: I. Der Schalter
mit nur einem Gasraum, der gleichzeitig als Heizraum dient: Das gesamte Gas wird
auf die der Lichtbögenenergie entsprechende Temperatur gebracht.
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Il. Neben dem Heizraum ist ein zweiter Raum als sog. Nebenraum angeordnet,
der mit dem Heizraum zusammen den gesamten Gasraum bildet. Die Ausströmung aus diesem
Raum zur Düse erfolgt- durch den Heizraum hindurch.
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III. Ebenso wie II. Die Ausströmung zur Düse erfolgt jedoch aus der
der Verbindung mit dem Heizraum entgegengesetzten Seite durch Kanäle, die direkt
in die Düse münden.
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Im Falle II dient die Energie des Licht-Bogens zu zwei verschiedenen
Effekten, nämlich erstens zur unmittelbaren Beblasung des Lichtbogens durch das
Lichtbogengas, zweitens zur Energiespeicherung im Gas des Nebenraumes.
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Die kinetische und die Druckenergie des in den Nebenraum strömenden
Lichtbogengases wird vorübergehend. als Druckenergie `(potentielle, elastische Energie)
im Gas des Nebenraumes gespeichert. Sind die Wandungen des Nebenraumes elastisch
(elastische Baustoffe bzw. federnd nachgebende Teile), so können sie gleichfalls
zur Energiespeicherung verwendet werden.
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Die Zeit, in der das Frischgas nach der Freigabe des Austritts durch
Absinken des Druckes des Lichtbogengases beschleunigt wird; hängt wie bei einem
Schwingungsvorgang- von der zu beschleunigenden Masse und der Elastizität der elastischen
Stoffe ab. Das Nachblasen setzt also um so plötzlicher ein, je höher das Gas durch
den Lichtbogen komprimiert worden ist. Bei Beteiligung der Wandungen des Nebenraumes
an .der Speicherung muß darauf geachtet werden, daß sie infolge ihrer relativ hohen
Masse die Energie nicht zu spät zurückgeben. In der Regel werden durch Mitverwendung
von elastischen Wandungen der Druck und die Geschwindigkeit des Gases bei Beginn
der Bl,asung erniedrigt, jedoch die Blaszeit erhöht.
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Damit dieses Verfahren wirkungsvoll arbeitet, muß der Wirkungsgrad
der Speicherung hoch sein. Die Wandungen dürfen dem Gas nicht viel Wärme abnehmen
(isolierende Wandungen bzw. isolierende Überzüge): Der Raum soll strömungstechnisch
günstig geformt sein, insbesondere in der Nähe des Heizraumes. Ecken, plötzliche
Querschnittsveränderungen usw. sind zu vermeiden. Die elastischen Wandungen müssen
so hart federn, daß ,die Energie noch während des Blasvorganges zurückgegeben wird.
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Der Erfindungsgedanke läßt sich auf alle 1 Konstruktionen der Druckgasschalter
anwenden. Besondere Vorteile bietet jedoch der Düsenschalter, der in seiner Grundform
in den meisten Beispielen zur Veranschaulichung des Erfindungsgedankens dient. Die
besondere Eigenart, die den Düsenschalter vor den anderen Schalterbauarten auszeichnet
und zur Ausfuhrurig des Erfindungsgedankens geeignet macht, ist die Lage des Lichtbogens.
Ein Teil des Lichtbogens befindet sich im Gasraum und dient zur Heizung des Gases;
der .damit in Reihe liegende zweite Teil, der von dem ersten durch die Düse getrennt
wird, liegt im Blasraum und wird vom sich entspannenden Gas mit überschallgeschwindigkeit
beblasen. Durch die Längung des Lichtbogens wird die Energieübertragung
vom
Lichtbogen ,auf das Gas zur Druckerzeugung eine besonders günstige. Diese Trennung
der Funktionen ergibt eindeutige reproduzierbare Verhältnisse,- was die Anpassung
an die jeweilige Stromstärke erleichtert. Die gute Ausnutzung des entstandenen Druckgases,
das durch die Düse strömend den darin brennenden Teil des Lichtbogens in dessen
Längsrichtung bebläst, ermöglicht eine Beschränkung auf geringe D r uckgasmengen.
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In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung :dargestellt.
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Die Abb. i zeigt eine aus dem Druckgasschalterbau bekannte Form, wobei
jedoch keine Gaszufuhr zur Löschung erforderlich ist. Der Lichtbogen beim Ausschalten
eiitsteht zwischen den Kontakten i und a. Die Beblasung erfolgt aus dem Gasrahm
4 durch die Düse 5 im Blasraum 6. Der Blasraum ist in der Regel als eine erweiterte
Düse, ausgebildet. Die ganze Schaltkammer ist mit 3 bezeichnet. Zunächst entsteht
der Lichtbogen im Blasraum 6: Der eine Fußpunkt an der Spitze des Stiftes z wird
in den Gasraum 4 durch die Düse 5 hineingezogen. Der andere Fußpunkt bleibt an dem
festen Kontakt i. Es können jetzt beim Lichtbogen drei Teile unterschieden werden.
Der innere Teil in dem Gasraum 4 dient durch Erwärmung zur Steigerung des Druckes
in diesem Raum. Der Lichtbogenteil in der Düse 5 verursacht eine lokale Erhitzung,
durch die das Austreten des Gases aus dem Raum 4 so lange behindert wird, bis das
Gas in dem Raum einen ausreichenden Druck erreicht hat. Der äußere Teil des Lichtbogens
wird urch das austretende Gas im expandierenden Teil mit hoher Geschwindigkeit beblasen.
Hierdurch erfolgt zunächst eine Längung des -Bogens. Beim Nulldurchgang des Stromes
sinkt die absperrende Wirkung des Lichtbogenteiles in der Düse kurzzeitig, so daß
die Beblasung besonders intensiv wird, wodurch die Wiederzündung des Bogens verhindert
wird. Die Löschung des Lichtbogens erfolgt im Blasraum. Der Heizlichtbogen erlöscht-dadurch
selbsttätig. Die Stromzuleitung ist mit bezeichnet.
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Die besondere Neuerung der Ausführungsform nach Abb. i besteht darin,
daß .die Wände des Gasraumes 4 herausklappbar angeordnet sind. Bei hohem Druck im
Gasraum wird also ein Teil der Lichtbogenenergie in den gespannten Federn 9 gespeichert
und nach- dem Erlöschen des Bogens durch Zurückgehen ihrer Wandungen 37, 38 ein
Nachblasen bewirkt. Gleichzeitig mit der Vergrößerung des Gasraumes 4 ändert sich
die Austrittsöffnung 5 im Sinne einer Vergrößerung des Ausströmquerschnittes. In
Abb. a wird der Lichtbogen aus dem Gasraum 4 durch die Düse 5 in den B1asraum 6
gezogen. Auch hier findet ein ähnlicher Löschvorgang statt. Der äußere Lichtbogenfußp,ttnkt
wandert ,an dem Stift 2 in die Höhe. Hier wird zunächst der Heizteil des Lichtbogens
erzeugt, so daß die Blasung sofort nach der Freigabe der Düsenöffnung 5 einsetzt.
Die Vergrößerung des Gasraumes 4 erfolgt hier durch die Abwärtsbewegung des Abschlußkolbens
39 gegen die Kraft der Feder 9. Der Kolben 39 trägt den Kontakt i, so daß bei großen
Strömen auch die Kontakttremigeschwindigkeit erhöht wird. Nach dem Erlöschen des
Lichtbogens kehrt der Kolben 39 in seine Ausgangslage zurück,' wodurch ein Nachblasen
bewirkt wird.
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In Abb.3 erfolgt die Änderung des Volumens des Gasraumes 4 durch einen
Hubmagneten, der vom abzuschaltenden Strom betätigt wird. Der Magnet besteht aus
einer Spule 44, einem Joch 43- und einem beweglichen. rohrförmigen Kern 42, der
mit dem Kolben 39 verbunden ist, Die Änderung der Lage des Kolbens, die ,gegen die
Kraft der Federn 9 erfolgt, findet dauernd, also auch wenn der Schalter nicht abgeschaltet
werden soll, statt. Durch die öffnungen 41, die den Raum 4 -mit dem Blasraum 6 verbinden,
wird erreicht, daß der Druck im Raum 4 sich dauernd ausgleicht: Im Gegensatz zu
den in den Abb. i und z beschriebenen Ausführungsformen wird hierbei bei größerem
Strom das Luftgewicht vergrößert. Dadurch wächst auch die Wärmekapazität der eingeschlossenen
Luftmenge, so daß bei größeren Strömen zur Erreichung einer bestimmten Gastemperatur
eine größere Energiemenge erforderlich ist. Durch richtige Bemessung kann erreicht
werden, daß mit wachsendem Strom die Temperatur und der Druck des Gases in der Weise
steigen, daß immer gleich günstige Löschverhältnisise geschaffen werden. Durch die
Stetigkeit der Bewegung des Kernes 42 ist es möglich und vorteilhaft, den
Hubmagpeten gleichzeitig als überstromrelais zu verwenden. Das Üb@ertragungsgestänge
zur Schalterauslösung ist durch die Teile 45 bis 48 dargestellt. Die evtl. erforderliche
Einrichtung zur Verzögerung der Auslösung ist im Zuge dieses Gestänges angeordnet.
Es kann natürlich eine Einrichtung vorgesehen werden, die beim Abschalten den Kolben
39 in einer bestimmten Lage fixiert, wodurch die Größe des Raumes während des Abschaltvorganges
konstant bleibt. Durch die Tatsache jedoch, .daß der Gasdruck im Raum 4 und die
Zugkraft des Magneten in gleicher Richtung gegen die Kraft der Feder g am Kolben
wirken, wird ein zusätzlicher besonderer Löscheffekt erzielt;
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der insbesondere bei Gleichstromschaltern für mittlere Spannungen die
Ab-
schaltung erleichtert.
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In Abb. q. ist eine Ausführungsform dargestellt, bei welcher bei der
Abschaltung der Schaltstift 5z zunächst den Kolben 39 mitnimmt, der .gleichzeitig
als Zwischenkontakt dient. Durch den Lichtbogen zwischen den Kontakten 39 und 2
wird der Druck im Raum q. so weit erhöht, da.ß sich der Schaltstift 2 abhebt: Der
zwischen seinem Verschlußstück 75 und der Metalldüse i entstehende zweite Lichtbogen
-wird durch die ,Gase, die. vom Lichtbogen zwischen 39 und 2 erhitzt sind, beblasen
und gelöscht. Die Wiederzündung wird dadurch verhindert, daß inzwischen der Stift
52 den Kontaktkolben 39 verlassen hat und zwischen ihnen eine ausreichende Luftstrecke
.entstanden ist.
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Allgemein ist darauf zu ,achten, daß beim Abschalten kleinster, noch
nicht selbständig löschender Ströme der Gasraum ausreichend klein ist, damit das
Gas darin einen ausreichend hohen Druck annimmt. Günstig wirkt hierbei, da,ß dadurch
eine gewisse Angleichung stattfindet, daß andererseits kleinere Ströme einen geringeren
Löschdruck erfordern.
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Damit beim Abschalten von Kurzschlußströmen der Gasraum nicht überbeansprucht
wird, kann er in der Art der Abb.2 mit federnden Wandungen versehen werden; die
erst bei hohen Strömen bewegt werden. Statt eines Kolbens kann auch der Gasraum
geteilt und senkrecht zu seiner Achse durch Bewegen :der beiden Zylinderhälften
erweitert werden. Der Raum kann durch Gasdruck oder Relais sowohl stetig als auch
stufenweise verändert werden. Dann sind in der Regel drei Stufen erforderlich. Die
erste Stufe, bei der evtl. nur das Gas im Heizraum. von dem Lichtbogen erwärmt wird,
dient zum Löschen von kleinsten Strömen: Die zweite Stufe dient zur Löschung der
Ströme in der Größenordnung des Nennstromes, während die dritte zum Löschen von
Überströmen dient. Es ist auch möglich, die beiden ersten Stufen bei geeigneter
Ausbildung zu vereinigen.
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Bei der Anordnung nach Abb. q. kann man auch vorsehen, daß die Feder
9 den Kolben 39 nach unten bewegt und die Kontaktstelle 39, 52 für Normalabschaltungen
geeignet ausgeführt ist. Dann folgt bei der Abwärtsbewegung des Schaltstiftes 52
der Kolben 39 unter dem Einfloß der Feder g dem Schaltstift. Wo die Trennung zuerst
erfolgt= hängt von der Bemessung der Feder g und der Geschwindigkeit des Schaltstiftes
ab: Erhält der Kolben durch die Feder eine geringere Geschwindigkeit als die des
Schaltstiftes, so erfolgt zuerst die Trennung zwischen den Kontakten 39 und 5z.
Andernfalls erfolgt sie zuerst zwischen den Kontakten 39 und 2: In diesem Falle
wird der Kurzschlußstrom schneller gelöscht als der Normalstrom. Bei der zuerst
angegebenen Reihenfolge der Trennung erfolgt die Löschung vom Normalstrom schneller
als die vom Kurzschlußs:trom.
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Eine besondere Ausführungsart ist in Abb. 5 dargestellt. Der Raum
q. ist vom Raum 76 durch einen Kolben 39 getrennt, der einen Teil des Schaltkörpers
ioo bildet. Die Feder g ist ein wenig über die Nullage hinaus durch die Anpressung
des Kontaktstückes 52 an den Kontaktkörper ioo gedehnt. Die Abschaltung wird durch
die Abwärtsbewegung des Stiftes 52 eingeleitet: Dadurch führt der Kontaktkörper
ioo unter dem Einfluß der Feder g eine kleine Bewegung nach unten aus. Dabei entsteht
ein Lichtbogen im Raum4 zwischen den Kontakten i und ioo. Durch den Druck des von
ihm erwärmten Gases auf den Kolben 39 wird der damit verbundene Kontaktkörper ioo
nach unten über die Nullage der Feder g bewegt. Dabei wird die frische Luft im Raum
76 komprimiert. Der stiftartige innere Teil i o i des. Kontaktkörpers ioö und der
Kolben 39 werden so ausgeführt, daß Bein wesentlicher Unterschied zwischen den Flächen
des Kontaktkörpers und des Kolbens an den beiden Seiten besteht; die unter den Drücken
der Gase des Raumes 4 und des Raumes 76 stehen. Da die Angriffsfläche der Gase im
Raun 14 auf den Kontaktkörper und den Kolben größer ist als die Angriffsfläche der
im Raum 76 zusammengedrückten Luft auf diese Teile, so ist der Gasdruck im Räum
76 im Verhältnis dieser Flächen höher als im Raum q.. Diese Ausführungsform stellt
also ein Beispiel dar für die Übersetzung der Gasenergie zur Erzielung eines höheren
Druckes des Frischgases als der Druck des Lichtbogengases.
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Bei kleinen Strömen wird der Lichtbogen zwischen den Kontakten io3
des Kontakt- 1 körpers ioo und dem Stift 52 gelöscht, indem das Innere des Stiftes
ioi als Gasraum für diesen Lichtbogen dient. Bei größeren Strömen entsteht im Raum
76 ein zur Löschung ausreichend hoher Druck. Die Beblasung des oberen Lichtbogens.
zwischen den Kontakten i und ioo erfolgt einerseits in oben beschriebener Weise
durch das Lichtbogengas, das durch die öffnung i hinausströmt. Andererseits gelangt
das Frischgas höheren Druckes durch die Ringöffnung 1o2 unmittelbar an die Spitze
des Kontaktes i o i und bebläst den sich daran festsetzenden Fußpunkt des Lichtbogens
bei hoher Geschwindigkeit und stets höherem Druck als der Druck des Lichtbogengases.
Infolge des hohen Druckes genügt während des Stromnulldurchganges
eine
sehr kurze Zeit zur Reinigung und zur Verfestigung der Umgebung der Stiftspitze.
Die von der Spitze thermisch emittierenden Ladungsträger werden vom Frischgas umhüllt
und durch die Düse i ins Freie geblasen. Natürlich läßt sich das Verfahren der Drucksteigerung
durch Zwischenglieder, z. B. Doppelkolben verschiedenen Durchmessers, auch auf Anordnungen
mit zwei Schaltstellen anwenden, ebenso wie auch die Erzeugung einer lokalen Gasströmung
höheren Druckes als der Druck des Lichtbogen= gases auf alle Schalterformen vorteilhaft
angewandt werden kann. Es ist ,also allgemein möglich, den Druck des Lichtbogengasies
durch eine mechanische Anordnung einer Frischgasmenge unter gewünschter Vervielfältigung
mitzuteilen und dieses. Gas, welches stets einen höheren Druck als das Lichtbogengas
besitzt, der Löschstelle zuzuführen. Infolge des proportional höheren Druckes. des
Frischgases wird stets eine Strömung mit erwünschter, vom Absolutwert des Druckes
im. wesentlichen unabhängiger Geschwindigkeit erzielt.
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Die Grundsätze und die Anordnungen, die sich auf Grund der Erfindung
ergeben, lassen sich sinngemäß auch auf Druckgass .chalter anderer Bauart als der
Düsenschalter aufwenden.