DE690442C - Druckgasschalter - Google Patents

Description

Die Schalter, die ein Druckgas verwenden, um den Abschaltlichtbogen zu löschen, können in zwei Gruppen eingeteilt werden.

Bei den Schaltern, die zur ersten Gruppe gehören, entwickelt sich der Lichtbogen in einer Blaskammer, die an derjenigen Stelle der Leitung liegt, die sich unterhalb (stromabwärts) der Düse, in der die Entspannung des Druckgases stattfindet, dem Gasdurchfluß darbietet. Man weiß, daß diese Düse dadurch gekennzeichnet ist, daß sie dem Durchgang des Gases den engsten Querschnitt von allen Teilen darbietet, die sie in der Leitung von dem Räume ab, in dem das Gas verdichtet ist, bis zu dem Teil, wo die Leitung in die freie Luft ausmündet, aufweist. Bei den Schaltern, die zur ersten Gruppe gehören, entwickelt sich der Lichtbogen in einer Kammer, in der nahezu atmosphärischer Druck herrscht. Die Löschung des Lichtbogens wird allein durch die Geschwindigkeit des Gasstromes bewirkt, der so geleitet wird, daß der Zusammenhang der Ionisationssäule, die von Dämpfen des Bogens gebildet wird, unterbrochen wird. Die Schalter dieser ersten Gruppe zeigen den Nachteil, daß sie räumlich ausgedehnte Blaskammern erfordern und natürlich eine schwache Abschaltleitung zeigen, da die Dämpfe des Lichtbogens infolge des verhältnismäßig niedrigen Druckes, dem sie unterworfen sind, einen sehr hohen Betrag der Ionisation annehmen können.

Bei den Schaltern, die zur zweiten Gruppe gehören, entwickelt sich der Lichtbogen in der Expansionsdüse oder oberhalb (stromaufwärts) derselben. Er wird von einem Gasstrom bestrichen, der noch nicht vollständig entspannt ist, d. h. noch einen Druck aufweist, der beträchtlich oberhalb des Atmoephärendruckes liegt. Die Druckerhöhung vermindert den von den Lichtbogendämpfen erreichten Ionisationsgrad, in starkem Maße und unterstützt somit energisch die Wirkung der Geschwindigkeit des Gasstromes. Infolge dieser Druckwirkung gehören die Schalter zur zweiten Gruppe, die kleinere Abmessungen aufweisen und eine höhere Abschaltleistung besitzen als die der ersten Gruppe, bei denen sich der Lichtbogen in einem vorher bis auf Atmosphärendruck entspannten Gase entwickelt. Es gibt indessen eine Grenze der Vorteile, die der erhöhte Gasdruck „bei deru Schaltern der zweiten Gruppe zieht. Wenn in der Tat der erhöhte Druck den Betrag der Ionisation der

Lichtbogendämpfe vermindert, dann erhöht er dagegen den elektrischen Widerstand des Bogens; er erhöht also die Energiemenge, die in dem Bogen für die Abschaltung eines Stromes von -gegebener Stärke entwickelt wird. Die Erhöhung der Energie, die in dem Bogen zerr, streut wird, erhöht die Temperatur der Lichtbogendämpfe und neigt dazu, den Betrag der Ionisation, der andererseits durch den Druck ίο vermindert ist, wiederherzustellen. Dieser Gegeneffekt zeigt sich bei allen Schaltern, die zur zweiten Gruppe gehören.

Der Schalter, auf den sich die Erfindung bezieht, umfaßt Vorrichtungen, die die Aufis rechterhaltung eines verhältnismäßig hohen Druckes in der Nähe des Abschaltbogens gestatten, und Vorrichtungen, die die durch den Lichtbogen in der Düse entwickelten Energiemengen vermindern. Er gehört also zur zweiten Gruppe der Druckgasschalter. Bei diesem Schalter wird der Anteil der Ionisation der Lichtbogendämpfe vermindert, ohne daß der Druck, der in der Nähe des Bogens herrscht, eine Erhöhung der Energie bewirkt, die durch den Abschaltbogen entwickelt wird.

Um den Abschaltbogen auf einem verhältnismäßig hohen Druck zu halten, ist es bekannt, in das Innere einer Düse nahezu zylindrische Abschnitte vorspringen zu lassen, die von einer beweglichen Kontaktstange derart durchdrungen werden, daß die Entladungsabschnitte der Düse teilweise von der Stange gesperrt sind.

Um die von dem Abschaltbogen entwickelte Energie zu vermindern, ist es bekannt, den Lichtbogen in Bruchteile von mehreren aufeinanderfolgenden Bogen schwacher Länge zu unterteilen. Der Schalter gemäß Erfindung bietet dadurch, daß ein erhöhter Druck in der Nähe des Bogens aufrechterhalten wird und zu gleicher Zeit eine Erhöhung der im Bogen entwickelten Energie verhindert wird, den Vorteil einer großen Abschaltleistung unter vermindertem Platzbedarf.

Die Erfindung bezieht sich somit auf einen Druckgasschalter, bei dem das von außen zugeführte Druckgas in der Bewegungsrichtung des beweglichen Schaltstiftes strömt und bei welchem auf dem Wege des Schaltstiftes hintereinander Nebenkontakte angeordnet sind, auf welche der Lichtbogen während der Ausschaltbewegung geblasen wird, mit einer den Druckgasstrom und den Lichtbogen führenden Hülle. Erfindungsgemäß ist hierbei die Hülle im Bereich der Kontakte, an denen der Lichtbogen entsteht und brennt, derart eng bemessen, daß sie nicht nur den Druckgasstrom, sondern auch den Lichtbogen auf seiner ganzen Länge führt.

Die Erfindung wird an Hand der Figuren erläutert.

Fig. ι zeigt einen Längsschnitt der Entspannungsdüse, wobei der bewegliche Kontakt in der Stellung dargestellt ist, die er bei ..geschlossenem Schalter einnimmt.

Fig. >2 zeigt einen Querschnitt nach der τ Ebene AA der Fig. 1 und 3. '':.,. Fig. 3 zeigt ebenfalls den Längsschnitt der Düse, wobei jedoch der bewegliche Kontakt in einer Zwischenstellung dargestellt ist, die er einnimmt, wenn der Schalter im Begriff ist, zu öffnen.

In allen Figuren bezeichnen dieselben Bezugszeichen übereinstimmende Teile.

Der wirksame Teil des Schalters wird von dem Isolator 1 getragen. Dieser Isolator ist hohl, auf der ganzen Länge weit durchbrochen und kann dem Druck des komprimierten Gases standhalten. Das eine Ende steht mit der Leitung in Verbindung, die das komprimierte Blasungsgas zuführt, das andere Ende ist mit einer Kammer 2 verbunden, die den festen Kontakt 3 umgibt.

Der feste Kontakt ist mit einer Klemme 4 elektrisch verbunden, z. B. durch den Körper der Kammer 2, der metallisch sein kann. Der bewegliche Kontakt des Schalters wird durch eine Stange 5 aus Metall gebildet, die sich längs ihrer Achse bewegt, um den Stromkreis zu öffnen. Die Kontaktstange 5 ist mit einer Klemme6 elektrisch verbunden, z.B. durch eine Reibmuffe 7.

Die Entspannungsdüse wird von der Kammer 2 getragen, mit der sie entweder unmittelbar oder unter Zwischenschaltung eines Durchlasses von großem Querschnitt verbunden ist.

Die Düse bietet dem Durchtritt des komprimierten Gases einen Querschnitt, der kleiner ist als der von der Kammer 2, von dem Isolator 1 und von der diesen speisenden Leitung gebotene. Die Düse ist auf der ganzen Länge von einer im wesentlichen zylindrischen Öffnung durchbohrt, die konzentrisch zur Kontaktstange liegt und mit der Atmosphäre i< >5 auf der der Kammer 2 entgegengesetzten Seite in Verbindung steht.

Die Düse ist aus einem oder mehreren Isolierteilen zusammengesetzt, ihre innere Oberfläche ist in der Lage, die Unterbrechungs- no bogen ohne wesentliche Beschädigung auszuhalten. Wie bekannt, kann dies mit Hilfe von besonderen keramischen Stoffen, schwer schmelzbaren Gläsern mit geringem Ausdehnungskoeffizient und gewissen gepreßten Stoffen auf Asbest oder Kieselerdebasis erreicht werden.

Bei der dargestellten Ausführung wird die Düse durch drei im Innern der Röhre 9 aufeinanderfolgende Rohrstücke 8, 8', 8" gebildet. Selbstverständlich kann die Anzahl der Rohrstücke geändert und auch eine andere

Bauart gewählt werden, z. B. kann man die Rohrstücke zwei zu zwei mit Hilfe von schachbrettförmig angeordneten Bolzen verbinden. Man kann auch die Düse aus einem einzigen gegossenen Teil herstellen.

Die Düse umschließt eine Anzahl von Metallringen io, io', io", entsprechend der Anzahl der Rohrstücke, deren Achse mit der gemeinsamen Achse der Düse und der Kontaktstange zusammenfällt. Das in diesen Ringen , vorgesehene Loch ermöglicht den Durchgang der Kontaktstange, wobei das verbleibende Spiel so klein ist, daß durch die entsprechende Luftschicht ein Funke hindurchgehen kann, j 5 wenn man sie einer Potentialdifferenz aussetzt, die viel kleiner ist als die von dem Schalter unterbrochene. Bei für verhältnismäßig niedrige Spannungen bestimmten Schaltern kann das Spiel so weit vermindert werden, daß die Stange 5 in dem Ring mit leichter Reibung hindurchgeht.

Die Ringe 10, 10', 10" besitzen einen in Fig. 2 gezeigten, wenig ausgefüllten Querschnitt, um der Strömung des Blasungsgases kein wesentliches Hindernis entgegenzusetzen. Um die dennoch durch das Vorhandensein der Ringe bestehende Verengung des Strömungsquerschnittes auszugleichen, kann man die Düse an der Stelle dieser Ringe erweitern, wie dies bei dem in Fig. 1 bis 3 dargestellten Ausführungsbeispiel der Fall ist.

Die Ringe 10, io', 10" sind im Innern der Düse gegeneinander isoliert, äußerlich jedoch durch einen aus den Teilen 11 und 11' bestehenden Widerstand verbunden. Die Verbindung ist so ausgeführt, daß der zwischen zwei aufeinanderfolgenden Ringen bestehende Abstaiiü durch je einen Teil des Widerstandes überbrückt ist. Der Ring 10, der dem festen Kontakt 3 am nächsten liegt, ist außerdem mit der Klemme 4 verbunden.

Der zwei aufeinanderfolgende Ringe trennende Abstand ist so· kurz wie möglich, um die in der Düse verbrauchte Energie zu vermindern. Der zwischen zwei gegebenen Ringen eingeschaltete Teil des Widerstandes erhält einen möglichst hohen Ohmschen Wert, damit durch die Einschaltung des Widerstandteiles die zu unterbrechende Stromstärke stark herabgesetzt wird. Die Verkleinerung des Abstandes zwischen den Ringen und die Vergrößerung des Widerstandes sind indessen mit Rücksicht auf folgende Bedingung beschränkt: Der während der Öffnung zwischen den Ringen überschlagende Bogen muß beim ersten Durchgang des Wechselstromes durch den Wert Null erlöschen und den Widerstandsteil einschalten.

Bei geschlossenem Schalter nimmt, wie erwähnt, die Kontaktstange die in Fig. 1 dargestellte Lage ein. Der Strom tritt durch die Klemme 4 in den festen Kontakt 3 und von da in die Stange 5 ein und durch die Klemme 6 aus. Bei der Auslösung des Schalters wird die den Isolator 1 speisende Druckgasleitung durch eine Vorrichtung bekannter Art schnell und weit geöffnet, wobei gleichzeitig eine andere Vorrichtung bekannter Art der Stange 5 eine Beschleunigung in Richtung ihrer Achse erteilt. Die komprimierte Luft strömt mit großer Geschwindigkeit durch die Düse, während die Stange 5 in Richtung ihrer Achse eine schnelle, Verschiebungsbewegung in dem Sinne ausführt, daJ3 sie sich von dem festen Kontakt 3 entfernt.

In dem Augenblick, wo die Kontaktstange den festen Kontakt verläßt, springt ein Bogen zwischen diesen beiden Teilen über, jedoch erlischt dieser Bogen schnell, weil er durch einen sehr kurzen Bogen überbrückt wird, der zwischen dem Ring 10 und der Stange 5 zündet. Die erste Phase der Verschiebungsbewegung der Kontakts tange hat demnach zur Wirkung, daß der Strom in die Kontaktstange durch den Ring 10, anstatt durch den festen Kontakt eintritt.

Die eigentliche Unterbrechung beginnt, wenn die Kontaktstange den Ring 10 verläßt. Von diesem Augenblick ah wird der zwischen dem Ring 10.und der Stange 5 gezündete Bogen infolge der der letzteren erteilten Verschiebungsbewegung ausgezogen. Der Schalter befindet sich dann in der in Fig. 3 gezeigten Stellung.

Die Ionisierung der Dämpfe des Bogens ist durch die kräftige Abkühlung begrenzt, die von der Strömung des komprimierten Gases herrührt und ferner durch den in der Nähe des Bogens herrschenden verhältnismäßig hohen Druck.

Der Druck, der in der Zone herrscht, in der sich der Bogen entwickelt, rührt von der Einschnürung des Strömungsquerschnittes durch die Anwesenheit der Kontaktstange her. Die Untersuchung der Entspannung des komprimierten Gases zeigt in der Tat, daß sich von der Einschnürung einer Düse aufwärts ein Druck ausbildet, der größer ist als ⁵²⁸/iooo des Speisedruckes, wenn der letzte wenigstens das i,9fache des Druckes beträgt, der im Entladungsquerschnitt aufrechterhalten wird. Z. B. kann man feststellen, daß der Druck "in der Nähe des Bogens 3,7 kg/cm² überschreitet, wenn der Isolator 1 unter einem Druck von 7 kg/cm² gespeist wird und der Auslaß der Düse in die.freie Luft geht.

Der Bogen verlängert sich nicht über den Ring 10' hinaus, solange sich die Kontaktstange in diesem Ring befindet. In der Strömungsrichtung unterhalb dieses Ringes 10' sind nämlich keine metallischen Teile vorhanden, deren Potential von dem der Kontakt-

stange und des Ringes io' sehr verschieden ist. Wenn der Bogen über den Ring io' hinausgreifen und sich z. B. an dem Ring io" festsetzen würde, so· wäre die zwischen diesen beiden Ringen befindliche ionisierte Säule durch die Kontaktstange in Reihe mit den beiden sehr kurzen Bogen, die zwischen diesen Ringen und der Stange 5 . gezündet wurden, kurzgeschlossen. Der Bogen könnte also mangels einer genügenden Stromzufuhr nicht bestehen.

Wegen seiner geringen Ausdehnung besitzt der Unterbrechungsbogen einen geringen Widerstand, obwohl sein spezifischer Widerstand wegen des Druckes, dem er ausgesetzt ist, verhältnismäßig hoch ist. Er verbraucht in der Düse eine sehr beschränkte Leistung, die leicht durch den Strom des komprimierten Gases abgeführt werden kann. Der Bogen erlischt endgültig beim ersten Durchgang des Wechselstromes durch den Wert Null. In diesem Augenblick ist die Stromstärke nicht ausreichend, um die Ionisierung der Dämpfe des Bogens trotz der Reinigung durch das Druckgas aufrechtzuerhalten. Schichten von kaltem, nichtionisiertem Gas legen sich zwischen die leitende Säule und bilden ein Hindernis, das eine Wiederausbildung des Stromes endgültig verhindert. Der verhältnismäßig hohe, in der Nähe des Bogens herrschende Druck begünstigt das Erlöschen sehr. Es verleiht nämlich dem Blasungsgas eine große dielektrische Festigkeit, die einen Durchschlag der Schichten, die den Zusammenhang der leitenden Säule durchbrochen haben, verhindert.

Das durch das Erlöschen des Bogens in den Kreis geschaltete Widerstandselement 11 verhindert ebenfalls eine Wiederzündung des Bogens. Durch dieses Widerstandselement wird den Schichten, die die ionisierte Säule durchbrochen haben, eine Potentialdifferenz erteilt, die gleich ist dem von ihm erzeugten Spannungsabfall. Im Hinblick auf die Unterbrechungsvorgänge besitzt diese Spannung den Vorteil, daß sie die Speisespannung des Kreises nicht überschreitet und besonders, daß sie viel weniger schnell anwächst als die durch elektrische Schwingungen erzeugte Spannung. Damit der Bogen dauernd erloschen bleibt, ist es nämlich wichtig, daß die den frischen Gasschichten erteilte Potentialdifferenz weniger schnell anwächst als die Dicke und dielektrische Festigkeit dieser Schichten. Wenn die Kontaktstange den Ring 10' verläßt, zündet zwischen diesen beiden Teilen ein neuer Bogen. Im Vergleich zu dem vorher zwischen der Kontaktstange und dem Ring 10 gezündeten Bogen bietet der neue Bogen einen Stromdurchgang, der durch die Einschaltung des Widerstandselementes 11 in den zu unterbrechenden Kreis wesentlich vermindert ist. Der neue Bogen verbraucht daher in der Düse eine Leistung, die noch viel kleiner ist als die von den vorhergehenden Bogen verbrauchte. Das endgültige Erlöschen tritt beim ersten Durchgang des Wechselstromes durch den Wert Null ein und wird durch die Verminderung des den Bogen speisenden Stromes wesentlich erleichtert. Das Erlöschen geht in der schon beschriebenen Weise vor sich und hat zur Wirkung, daß das Widerstandselement 11' in den zu unterbrechenden Kreis eingeschaltet wird.

Die in den Fig. I bis 3 beschriebene Ausführungsform besitzt nur drei Ringe 10, io', 10", jedoch kann die Düse selbstverständlich verlängert werden, indem man entweder zusätzliche Rohrstücke hinzufügt, oder indem man ein einziges gegossenes Stück von größerer Länge verwendet und es mit einer größeren Anzahl von Ringen in Verbindung mit entsprechenden Widerstandselementen ausstattet.

Wenn die Kontaktstange den letzten in der Düse angeordneten Ring verläßt, zündet ein letzter Bogen zwischen diesem Ring und der Stange 5. Der diesen Bogen speisende Strom ist stark vermindert, weil durch das Erlöschen der vorhergehenden Bogen in den Kreis die Reihe der Widerstandselemente 11, 11' eingeschaltet wurde. Trotz der Nähe des Austrittquerschnittes der Düse zündet der letzte Bogen noch in einer Zone, wo der Druck erheblich höher ist als der atmosphärische Druck. Durch die Kontaktstange wird nämlich der der Gasströmung in Richtung des Bogens dargebotene Querschnitt noch eingeengt.

Die Spülung durch das Druckgas gewährleistet noch das endgültige Erlöschen des Bogens beim ersten Durchgang des Wechselstromes durch den Wert Null. Der verhältnismäßig hohe Druck, der zwischen dem letzten Ring und der Kontaktstange herrscht, wirkt der Wiederzündung des letzten Bogens entgegen, da er dem Gas, das die ionisierte Säule durchdringt, eine große dielektrische Festigkeit verleiht.

Die durch die vorhergehenden Unterbrechungen in den Kreis geschalteten Wider-Standselemente begünstigen ebenfalls den Erlöschungsvorgang. Durch sie wird die Stärke des den letzten Bogen speisenden Stromes erheblich vermindert, wodurch die Ionisierung der durch den Gasstrom auszuspülenden Dämpfe vermindert wird. Ferner wird durch sie der Strom nahezu in Phase mit der Spannung gebracht, wodurch die elektrische Anregung der frischen Gasschichten, die die ionisierte Säule durchdringen, vermindert wird.

Selbstverständlich kann der beschriebene Schalter in verschiedener Hinsicht abgeändert

werden, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Beispielsweise kann der^das Druckgas zuführende hohle Isolator in di'e die Düse speisende Kammer in einer Richtung einmünden, die mit deren Achse einen beliebigen Winkel bildet. Die Zufuhr des Druckgases kann auch durch einen hohlen Isolator erfolgen, der verschieden ist von dem, der die genannte Kammer und die Düse trägt. Der

ίο feste Kontakt kann mit dem ersten Ring der Düse fest verbunden sein oder aus einer Kontaktfingerhülse bestehen. Die in der Düse angeordneten Metallringe können in der Form von den in Fig. ι bis 3 dargestellten abweichen. Die Kontaktstange kann vieleckig, leicht konisch oder leicht pyramidenförmig, hohl oder voll sein.

Claims (3)

1. Patentansprüche:
   20

   i. Druckgasschalter, bei dem das von außen zugeführte Druckgas in der Bewegungsrichtung des beweglichen Schaltstiftes strömt und auf dem Weg des Schalt-Stiftes hintereinander Nebenkontakte angeordnet sind, auf welche der Lichtbogen während der Ausschaltbewegung' geblasen wird, mit einer den Druckgasstrom und den Lichtbogen umgebenden Hülle, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülle im Bereich der Kontakte, an denen der Lichtbogen entsteht und brennt, im Querschnitt derart eng bemessen ist, daß sie nicht nur den Druckgasstrom, sondern auch den Lichtbogen auf seiner ganzen Länge führt.
2. 2. Druckgasschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nebenkontakte die Form von Ringen haben, die die bewegliche Kontaktstange mit Spiel umgreifen und in an sich bekannter Weise untereinander und mit dem festen Kontakt über Widerstände verbunden sind.
3. 3. Druckgasschalter nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülle, die Kontaktstange und die metallischen Ringe derart ausgebildet sind, daß in jeder Stellung der Kontaktstange der dem Durchgang des sich entspannenden Gases gebotene Querschnitt in der zwischen dem Ende der Kontaktstange und dem düsenförmigen Austrittsquerschnitt der Hülle gelegenen Zone geringer ist als in der vor der Kontaktstange stromaufwärts gelegenen Zone.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen