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Wechselstromunterbrecher mit Lichtbogenlöschung durch ein unter Druck
stehendes strömendes Löschmittel, insbesondere Druckgasschalter Bei elektrischen
Wechselstromschaltern mit besonderen Mitteln zur Herbeiführung der Lichtbogenlöschung,
wie z. B. bei Druckgasschaltern,ist es erforderlich, daß das Löschmittel die bei
der Unterbrechung entstehenden Lichtbogengase restlos aus der Unterbrechungsstrecke
entfernt, damit Rückzündungen vermieden werden.
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Wenn diese Forderung bei den bisher üblichen Abschaltleistungen durch
entsprechend einfache Schalterkonstruktionen (Metalldüse, Freistrahldüse, Rohrdoppeldüse
usw.) erreicht «erden konnte, so sind die zukünftig geforderten, wesentlich gesteigerten
Abschaltleistungen und die damit verbundenen Ausschaltströme bei diesen bekannten
Konstruktionen nur unter Anwendung zusätzlicher Maßnahmen, z. B. druckluftgesteuerte
Blasluftspakventile an der Abströmseite des Schalters, oder durch einen beträchtlichen
Blasluftverbrauch, der eine empfindliche Verteuerung der Drucklufterzeugungsanlage
und des Schalters selbst (größerer Bereitschaftskessel, schwerere Ventile, Blasrohrleitungen
großen Querschnitts) mit sich bringt, zu erreichen. Das größte Hindernis für die
Verwendung der bisherigen Konstruktionen für über das bisherige Maß hinausgehende
Abschaltleistungen liegt aber unter Umständen darin, daß mit dem Wachsen der Abschaltleistung
die Unterbrechung eines Stromes, der unterhalb des zulässigen Ausschaltstromes liegt,
immer härter erfolgt, d. h. daß unangenehme t_Jberspannungen auftreten.
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Nehmen wir als Beispiel einen Druckgasschalter mit zwei zusammenwirkenden
hohlen Kontaktstiften
an, die sich bei der Unterbrechung in einer
Kammer trennen, der dasDruckgas radial zwischen den Kontakten zugeführt wird und
aus der die Lichtbogengase durch die Hohlkontakte hindurch aus dem Lichtbogenraum
abgeführt werden, so, ist folgendes zu erkennen. Die Querschnitte der Kontaktbohrungen
müssen sehr groß bemessen sein, wenn man mit einem derartigen Schalter hohe Leistungen
unterbrechen will, denn die gesamte sich vom Bereich des Stromhöchstwertes bis zum
Stromnulldurchgang bildende Menge der Schaltprodukte muß bis zum Stromnulldurchgang
durch die Öffnungen der Kontakte hindurch entfernt werden: Um nun bei diesen großen
Abströmquerschnitten den Druckgas- bzw. Druckluftverbrauch in erträglichen Grenzen
zu halten, hat man in die Ausströmkanäle von Druckgasschaltern die bereits genannten
Blasluftsparventile eingebaut, die ein weiteres Ausströmen der Blasluft nach dem
Löschen des Lichtbogens verhindern und es außerdem ermöglichen, mit billigeren Drucklufterzeugungsanlagen
und kleineren Bereitschaftskesseln auszukommen. Erforderlich sind zu dieser Konstruktion
jedoch noch große Querschnitte für Blasluftventile und Leitungen, die sich selbstverständlich
auf die Kosten des Schalters verteuernd auswirken. Eine weitere ungünstige Eigenschaft
ist aber die, daß nach dem Schließen des Blasluftsparventils der Druck in der-Lichtbogenkammer
bis zum Kesseldruck anwächst, was mit Rücksicht auf das Isoliermaterial des Löschkammermantels,
z. B. Porzellan, besondere Maßnahmen erfordert, um die notwendige Festigkeit der
Kammer zu erhalten. Im übrigen hat diese Konstruktion ebenfalls die Eigenheit, daß
bei jeder Abschaltung großer Leistungen Überspannungen auftreten, da ein weiches,
d. h. überspannungsfreies Schalten nur bei einem höchstzulässigen Ausschaltstrom,
der ein Löschen des Lichtbogens erst im Stromnulldurchgang zuläßt, zu erreichen
ist. Kleinere Ausschaltströme, die auch bei voller Abschaltleistung in irgendeiner
Phase des Drehstromkreises auftreten, werden aber auch bei dieser'Konstruktion schon
vor dem Stromnulldurchgang gelöscht, wodurch Überspannungen hervorgerufen werden.
Zu ihrer Vermeidung könnten zusätzliche Dämpfungswiderstände angewendet werden,
die jedoch Kosten verursachen und auch anfällig sind. Außerdem brennt der Lichtbogen
hier wie bei den übrigen druckgasbetriebenen Hochspannungsschaltern im Strommaximum
fast ungehindert, da er durch die Druckluft :allseitig gleichmäßig belastet ist,
so daß das Kontaktmaterial in Mitleidenschaft gezogen wird und für den Schutz der
Isoliermaterialien der Kammer Vorkehrungen getroffen werden müssen, z. B. genügende
Entfernung von der Lichtbogenzone.
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Die Erfindung zeigt einen neuen vorteilhaften Weg; um diese Schwierigkeiten
zu vermeiden. Sie sieht ihre Aufgabe in der Hauptsache darin, die Abschaltgase kontinuierlich
während der ganzen Lichtbogendauer aus der Kammer abzuführen, jedoch den Lichtbogen
mit geringer Stärke möglichst ungehindert Weiterbrennen zu lassen. Erfindungsgemäß
ist zu diesem Zweck ein vorzugsweise an eine Vorkammer wesentlich höheren Löschmitteldruckes
über eine Verengung od. dgl. angeschlossene Lichtbogenkammer mit derart gestalteten
Strömungswegen für das Löcshmittel vorgesehen, daß die vom Lichtbogen ausgehenden
und dieLichtbogenseele einhüllenden Gase insbesondere durch Längsbeblasung so abgeführt
werden, daß die Lichtbogenseele mindestens nahezu bis zum Erlöschen im Stromnulldurchgang
Weiterbrennen kann. Dabei hat die Kammer vorzugsweise zwei Abströmwege für das Löschmittel,
und zwar erstens einen Weg besonders reichlichen Querschnitts, der durch ein entsprechend
eingestelltes, vorzugsweise im Schließzustand kleinere Gas- bzw. Löscbmittelmengen
durchlassendes überdruckventil in .der stromstarken Zeit, d. h. bei starleer Gasentwicklung
des Lichtbogens, für den Gasaustritt freigegeben wird, und zweitens einen Weg geringeren
Querschnitts, der jedoch nach Wiederschließen des Überdruckventils zur Abführung
der Restgase des Lichtbogens beim Stromnulldurchgang noch ausreicht.
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Durch die dem Lichtbogenraum vorgeschaltete Hochdruckkammer ist eine
zwangsläufige Abführung der Hauptmenge der in der stromstarken Zeit entstehenden
Lichtbogengase erreicht, die eine intensive Strömung auch bei stärksten Lichtbögen
gewährleistet, wobei der Druck im Lichtbogenraum durch das an der Abströmseite angeordnete
überdruckventil auf einer bestimmten Höhe gehalten wird. Eine Beeinträchtigung der
Löschmittelströmung durch Rückstauung, -wie bei den bekannten Schalterbauarten,
tritt infolge der Hochdruckvorkammer nicht ein. Die Konstruktion wird zweckmäßig
so ausgeführt, daß in der Hochdruckkammer etwa zo bis 1a atü und in der Lichtbogenkammer
etwa q. atü Löschmitteldruck bei strömendem Löschmittel und nicht brennendem Lichtbogen
auftreten. Bei einem durch den Lichtbogen bewirkten Anstieg des Kammerdruckes auf
5 bis 6 atü soll dabei das entsprechend eingestellte Überdruckventil, das sehr schnell
reagieren muß, vollkommen geöffnet werden. Selbstverständlichkönnen auch andere
Druckverhältnisse entsprechend gewählt werden.
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Das Stehenbleiben der Lichtbogenseele bis zum Stromnulldurchgang und
die Abführung der Restgase in diesem Augenblick bewirkt, daß der Lichtbogen bei
verschieden starken Abschaltungen stets im Stromnulldurchgang erlischt und somit
unangenehme Überspannungen vermieden werden.
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Die Längsbeblasung des Lichtbogens, vor allem auch in seinem mittleren
Teil, hat eine starke Abkühlung auf eine große Länge zur Folge, die das Erlöschen
im Stromnulldurchgang stark begünstigt, eine Eigenschaft, wie sie bei den bei großen
Leistungen allerdings große Blasquerschnitte erfordernden Freistrahlschaltern als
besonders günstig bekanntgeworden ist.
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Beim Schalter der Erfindung ist der Druckgasverbrauch wesentlich geringer
als bisher üblich, da
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bei starker Gasentwicklung des Lichtbogens durch den Druckanstieg in der Kammer
mehr oder weniger freigegeben werden und sich sofort wieder schließen, wenn der
Lichtbogen erlischt, so daß «-ährend der weiteren Unterbrechungsdauer Druckgas nur
über einen verhältnismäßig kleinen Querschnitt abströmt.
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Der Schalter der Erfindung löst also das Problem der Verringerung
des Druckluftverbrauches in zweckdienlicher Art, denn in der Offenstellung des Schalters
bis zur genügenden Trennung von Trennschalterkontakten oder während der kurzzeitigen
Öffnungsdauer im Falle der Kurzschlußfortschaltung bläst nur ein wenig Luft über
die an sich durch die Unterbrechung kleiner Ströme beinessenen Abblasöffnungen des
Lichtbogenraumes ab. Ferner ist das Problem der Vermeidung von schädlichen überspamiungen,
welches insbesondere bei der Unterbrechung kleiner Ströme auftritt, ohne daß Dämpfungswiderstände
benötigt werden, gelöst. Auf rein pneumatische Art ist hier in großem Umfang eine
Dämpfung erreicht, und man könnte den Schalter der Erfindung als pneumatisch gedämpften
Schalter bezeichnen.
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Es sind zwar Schalter bekannt, bei denen sich die Austrittsquerschnitte
aus dem Lichtbogenraum bei höheren Gasdrücken in der Kammer vergrößern. Das dient
dein Zweck, eine schädliche Rückwirkung der Lichtbogengase auf das nachströmende
Löschmittel zu vermeiden, welches durch den hohen Druck in der Kammer unter Umständen
unwirksam «,-erden könnte. Der bekannte Schalter ist aber keineswegs so bemessen,
daß er den Lichtbogen bis annähernd zum Stromnulldurchgang aufrechterhält. Er kann
somit nicht wie der Schalter nach der Erfindung mit einem Svnchronschalter verglichen
«-erden und hat demzufolge die Nachteile der auftretenden schädlichen Llberspannungen
und des unerwünscht hohen Druckluftverbrauches.
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Der Schalter gemäß der Erfindung erhält zweckinäßig mindestens eine
Unterbrechungsstelle mit einem festen und einem beweglichen Kontakt, zwischen denen
der Abschältlichtbogen in einer Isolierdüse gezogen wird, wobei der feste Kontakt
in die Erweiterung des einen Düsenendes hineinragt und der sich zwischen ihm und
der Düsenerweiterung ergebende Ringraumspalt so geformt und ausgerichtet ist, daß
das durch ihn in die Düse eintretende Löschmittel auf seinem Weg nach der anderen
Düsenerweiterung den Abschaltlichtbogen in seinem mittleren Teil mit einer gegen
ihn ausgebuchteten Längsströmung umspült. Dabei kann der bewegliche Kontakt in einem
in der Erweiterung des anderen Düsenendes der Kammer- angeordneten Gehäuse geführt
sein, so daß der Ringraum zwischen diesem Gehäuse und der Kammerwand einen mit einem
ringförmigen Überdruckventil versebenen Abströmweg sehr reichlichen Querschnitts
darstellt, während Abströmwege geringeren Querschnitts durch die hohl gestalteten
Kontakte selbst gebildet sind. Mai-i kann auch eine Schaltkanznier reit zwei Unterbrechungsstellen
gemäß der Erfindung herstellen. Die beiden Unterbrechungsstellen lassen sich dann
so anordnen, daß zwei stiftförmige Hohlkontakte mit einem festen, für den Gasabzug
ebenfalls hohl ausgebildeten Zwischenkontakt zusammenwirken. Dabei ist der Zwischenkontakt
bis auf seine Abströmöffnung von der Vorkammer höheren Druckes umgeben und greift
mit seinen kontaktgebenden Teilen in die Erweiterungen zweier Düsen ein. Man kann
den Zwischenkontakt als scheibenförmigen Hohlkörper ausbilden, der mit einem großen
Teil seines Umfanges, der seine Ausblaseöffnung darstellt, von der Wand der Vorkammer
gehalten wird, die zugleich eine Zwischenfassung für zwei je eine Unterbrechungsstelle
enthaltende Isolierkörper ist und auch als Tragarmatur für die gesamte Schaltanordnung
dienen kann.
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Die Zeichnung zeigt ein Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung.
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Die Schaltkammer besteht aus den beiden Hohlisolatoren r und r', die
in die Fassung 2 mit dem Druckgaszuführungsrohr eingekittet sind. Der Ringraum .I
der Metallfassung stellt eine Vorkammer für die Lichtbogenrärirne 5 und 5' dar,
zu denen -das Druckgas über die verengten Ringkanäle 6 und 6' strömen kann. Es sind
zwei rohrförmige Kontaktstifte ; bzw. ;' vorhanden, die mit den Kontaktteilen 8
bz«-. 8' des festen Zwischenkontaktes 17 zusammenwirken. Es sind also zwei
Unterbrechungsstellen vorhanden, die in der Zeichnung in der Ausschaltstellung dargestellt
sind. Die Anordnung wird irn folgenden im wesentlichen an der unteren vollständiger
dargestellten Unterbrechungsstelle beschrieben. Die Teile der oberen Unterbrechungsstelle
sind, soweit gezeichnet, mit den gleichen, jedoch mit einem Strich versehenen Ziffern
bezeichnet. Der Antrieb des Stiftkontaktes 7 erfolgt mittels eines Kolbens 9 entgegen
der Wirkung der Einschaltfeder ro nach Eintritt der Luft durch die Bohrungen ra
in das Kontaktgehäuse 12. Zur Stromzuleitung zwischen den Kontaktstiften dienen
die federnden Ringkontakte 13. Das Druckgas hat zwei Wege für die Abströmung
aus den Lichtbogenräumen, einmal den Weg 1q. großen Querschnitts, in dem das Überdruckventil
15 mit einer Schließfeder 16 angeordnet ist, und den Weg kleineren Querschnitts
durch die hohlen Kontakte 7 und B. Der feste Zwischenkontakt 17 ist ein scheibenförmiger
Hohlkörper mit einem Gasleitstück 18 in seiner Mitte. Seine gegenüberliegenden Wände
r9 und 2o sind durch hohle Stifte 21 verbunden, die für eine Versteifung sorgen
und auch außerdem den Druckausgleich zwischen den beiden Außenseiten ermöglichen,
und ferner Kühlflächen für das durch den Zwischenkontakt strömende Gas darstellen.
Der Zwischenkontakt ist an einem großen Teil seines Umfanges in die Wand der Fassung
2 eingelassen und hat hier eine lange sich über den Umfang erstreckende Ausströmöffnung22.
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Beim Abschaltvorgang trennen sich die Kontaktstifte 7 bzw. 7' aus
der strichpunktiert gezeichneten Einschaltstellung von den Kontaktstellen 8 bzw.
8'
und nehmen die gezeichnete Ausschaltstellung ein. Es werden zwei
Abschaltlichtbögen 23 und 23' gezogen, die durch die einströmende Luft beblasen
werden. Die Pfeile zeigen den Strömungsverlauf der Blasluft. Die Strömung ist gegen
den Lichtbogen ausgebuchtet und kühlt ihn vor allem auch in seinem mittleren Teil.
Das Ventil 15 läßt schon im Schließzustand dauernd etwas Luft hindurch, was durch
auf den Ventilteller aufgesetzte Rippen erreicht wird. Bei einem gewissen Druck
in der Kammer öffnet sich das Ventil 15 schlagartig, und die Hauptmenge der Lichtbogengase
wird bis zum Stromnulldurchgang restlos abgeführt. Ein die Lösghmittelströmung vermindernder
Rückstau ist vermieden, da der Raum 4 z. B. io bis 12 atü Löschmitteldruck hat,
während der Druck im Raum 5 bei Öffnen des Ventils 14 etwa 5 bis 6 atü beträgt.
Im Stromnulldurchgang schließt sich das Ventil 15 wieder, nachdem die Gase in der
Hauptsache ausgestoßen sind und der durch die Strömung gekühlte Lichtbogen erlischt.
Der kleine Rest der zwischen den Hohlkontakten vorhandenen Gase wird im Nulldurchgang
des Stromes mühelos durch die kleineren Bohrungen der Kontakte und 8 entfernt. Während
der weiteren öffnungsdauer des 'Schalters, z. B. bis zum Öffnen eines in Reihe liegenden
Trennschalters; strömt daher nur noch wenig Druckluft aus dem Schalter aus. Da der
Lichtbogen sowohl bei großen als auch bei kleinen Strömen nur im Stromnulldurchgang
abreißt,' werden Schaltüberspannungen vermieden. Kleine Ströme schaltet der Schalter
ab, ohne daß das Ventil 15 in Tätigkeit zu treten braucht.
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Für eine gleichmäßige Leistungsverteilung auf die beiden Unterbrechungssteilen
kann man sorgen, wenn man an den Zwischenkontakt die Mitte eines die Schaltstrecken
überbrückenden Pötentialsteuerwiderstandes anschließt. Der Widerstand kann in einem
besonderen zur Schaltkammer parallel angeordneten Hohlisolator untergebracht sein.