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Elektrische Anlage, insbesondere für elektrische Bahnen In elektrischen
Anlagen, wie sie beispielsweise zur Erzeugung und Verteilung der Energie für die
Speisung von elektrischen Bahnen erforderlich sind, ist der Raumbedarf bei den großen
Leistungen mit hohen Spannungen, um die es sich hierbei in der Regel handelt, verhältnismäßig
groß, so daß schon der Aufwand für die Gebäude beträchtlich ist.
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Nach der Erfindung soll der Raumbedarf derartiger Anlagen erheblich
herabgesetzt werden, und zwar wird dieses dadurch erreicht, daß unter Verwendung
von ölarmen oder ölfreien Hoclispannungsleistungsschaltern die einzelnen Geräte
bzw. Bauelemente zwischen Schichten festen Isoliermaterials derart verschachtelt
werden, daß wenigstens die für die Gesamtabmessungen maßgebendsten, kürzesten Abstände
(längs einer geraden Linie gemessen) zwischen Metallteilen mit verschiedener Spannung
erheblich kleiner sind als die zur Zeit (vgl. VDE-Norm o670) genormten Abstände.
Auf diese Weise läßt sich unter Verwendung von Luft und festen Körpern als Isoliermaterial
eine Anlage mit bisher unbekannt geringem Platzbedarf erreichen, wobei neben dem
Vorteil geringsten
Materialaufwandes auch der der vollkommenen
Feuersicherheit treten kann. Als besonders zweckmäßig erweist es sich, wenn sogenannte
ölfreie Schalter verwendet werden (Druckgasschalter, Expansionsschalter u. dgl.).
Aber auch bei Verwendung von sogenannten ölarmen Schaltern ergeben sich praktisch
alle Vorteile der Erfindung, da die geringe Ölmenge in diesen Schaltern nicht zu
Isolationszwecken, sondern lediglich zur Lichtbogenlöschung verwendet wird. Wesentlich
ist der geringe Raumbedarf, die gute Anpassungsfähigkeit und einfache Leitungsführung
dieser Schalter.
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Die Schaltanlage nach der Erfindung ist sehr wirtschaftlich: sie läßt
sich bei wetterfester Kapselung unmittelbar oder unter Zuhilfenahme eines ganz leichten
Gebäudes im Freien aufstellen. Da ihre Außenabmessungen so verringert sind, sind
die Kosen meist erheblich geringer als die Kosten eines normalen Schaltanlagengebäudes.
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Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die Schaltanlage
im Werk vollkommen betriebsfertig hergestellt werden kann und mithin die umständlichen
und zeitraubenden Paß- und Montagearbeiten, die bei Gebäudeschaltanlagen erforderlich
sind, wegfallen.
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Die atmosphärische Luft, welche einen Teil der Isolation übernehmen
kann,- hat gegenüber allen anderen Isoliermitteln den Vorzug, daß sie sich fortwährend
selbsttätig erneuert. Es können daher keine den Betrieb gefährdenden Alterungserscheinungen,
wie z. B. bei Isolieröl, auftreten. Man kann die für die Gesamtabmessungen der Schaltanlage
maßgebenden Abstände so weit herabsetzen, daß wesentlich, z. B. mehr als 3o °/a
unter der Prüfspannung (2,2 U -I- 2o kV), bereits Glimmen (unvollkommener Durchbruch)
der Luft eintritt. Die kurzzeitige Glimmerscheinung beim Auftreten von überspannungen
ist ohne Nachteil, da die ionisierte Luft sofort durch frische ersetzt wird. Die
durch das Glimmen hervorgerufene Vergrößerung der Krümmungsradien kann sogar die
gefährdeten Stellen wirksam gegen einen vollständigen Durchbruch in an sich bekannter
Weise schützen.
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Eine sehr günstige Anordnung mit großer Betriebssicherheit und kleinem
Raumbedarf erhält man beispielsweise, wenn man die maßgebenden Abstände auf etwa
den dritten Teil der genormten Schlagweite vermindert.
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Nach der weiteren Erfindung kann die Raumausnutzung verbessert werden,
indem die weiter ausladenden - Teile der Geräte verschiedener Polarität gegeneinander
versetzt angeordnet werden. Besonders zweckmäßig ist es, die Ausladung einzelner
Geräte in raumschaffender Weise zur Unterbringung anderer Geräte auszunutzen, was
durch entsprechende Formgebung der weiter ausladenden. Teile einzelner Geräte, insbesondere
durch einseitig unsymmetrische Ausbildung, erzielt werden kann. Man kann ferner
zur besseren Raumausnutzung, z. B. in den Zwischenräumen zwischen den Vorsprüngen,
die erforderlichen Strom- und Spannungswandler mit Isoliergehäusen versehen einbauen.
Die Stützisolatoren kann man mit verringerter Bauhöhe ausführen, beispielsweise
durch Verwendung von Innenarmaturen oder durch Verwendung von Weitschirmisolatoren.
Als Leistungsschalter verwendet man zweckmäßig solche mit unmittelbar auf den Schalterkopf
aufgebauten, gemeinsam angetriebenen Trennmessern. Die Schaltgeräte sollen gut abgerundete
Formen erhalten. In den Schaltgehäusen werden zweckmäßig Fenster angebracht, durch
welche die Trennschalter bzw. Trennstellen sichtbar sind, um besondere Anzeigevorrichtungen
zu ersparen.
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Zur Erzielung größerer Zugänglichkeit können die Trennwände entfernbar
sein. Außerdem kann man durch eine solche Anordnung die Isolation erforderlichenfalls
mühelos von Zeit zu Zeit erneuern, indem man die Trennwände auswechselt. Als Isoliermaterial
für die Trennwände kommt solches von hoher Durchschlagsfestigkeit, z. B. Hartpapier,
Hartleinen, keramisches Isoliermaterial, in Betracht. Ferner empfiehlt sich die
Verwendung solchen Isoliermaterials, welches keine Neigung zur Kriechpfadbildung
zeigt (Fiber, Anilinharz, Hartgummi u. dgl.).
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Es ist vorteilhaft, die mehrpoligen Schalteinheiten (Leistungsschalter)
mit ihren einzelnen Polen derart quer zur Längserstreckung der Sammelschienen aufzustellen;
daß über den gleichnamigen Polen der einzelnen Schaltgeräte die Sammelschienen der
entsprechenden Polarität verlaufen. Diese Bauart ist besonders raumersparend. In
noch höherem Maße ist dies der Fall bei Doppelsammelschienensystemen, wobei über
den gleichnamigen Polen der einzelnen Schaltgeräte die Doppelschiene der entsprechenden
Polarität verlegt ist.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt,
und zwar stellt die Fig. i einen Ausschnitt aus einer dreipoligen Schaltanlage mit
Doppelsammelschienensytemen im Aufriß, Fig. 2 im Grundriß dar; der Grundriß ist
nach der Schnittebene x-x gezeichnet. i, 2, 3 sind die drei Pole eines ölfreien
Leistungsschalters, der hier als Expansionsschalter ausgebildet ist. Die Raumausnutzung
ist dadurch verbessert, daß der Mittelpol :2 mit seinem weiter ausladenden rechten
Teil gegenüber den Außenpolen.i und 3 versetzt angeordnet ist. Mit q. ist das feststehende
Schaltstück des Expansionsschalters bezeichnet, mit 5 die elastische Expansionskammer,
6 ist der bewegliche Schaltstift, 7 das Antriebsgestänge. Der Leistungsschalter
besitzt unmittelbar .angebaute Trennschalter. An dem unteren Teil des Gehäuses ist
das Trennschaltstück ä angebaut. Der obere 'Teil des Gehäuses trägt zwei Trennmesser
9 und 9" mit ihren Drehlagern io und io, i i ist ein Stromwandler, der unterhalb
des nach links ausladenden Kopfteiles des unsymmetrisch ausgebildeten - Leistungsschalters
i raumsparend untergebracht ist. Er trägt das Drehlager 12 für das untere Trennmesser
13. Das feste Gegenschaltstück 1q. des Trennmessers wird von dem Stützisolator
15 getragen. Dieser ist als Weitschirmisolator mit besonders kleiner Bauhöhe
ausgeführt.
16 ist das Stromzuführungskabel, 21, 2 1" 22,
22" 23, 23u sind die Doppelsammelschienen der drei Phasen. Die von Kupferrohren
gebildeten Sammelschienen sind von Isolierrohren 2:4 umhüllt (vgl. Fig. i). Die
Sammelschienen tragen unmittelbar die festen Gegenschaltstücke 25, 26, 27 bzw.
25a, 26" 27a für die Trennschaltmesser g. Die Schaltstücke 25a sind
gegen die Schaltstücke 25 usw. versetzt angeordnet, so daß in der punktiert angedeuteten
geschlossenen Trennschalterstellung sofort zu sehen ist, ob die Trennschalter auf
das richtige Sammelschienensystem eingeschaltet sind. Die Stellung der Trennschalter
kann durch in das Gehäuse eingesetzte Fenster von außen sichtbar gemacht werden.
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An allen für die Gesamtabmessungen der Schaltanlage maßgebenden Stellen,
nämlich in der Breitenrichtung an den Stellen A, B, C, und H, J und
in der Tiefenrichtung an den Stellen D, E, F, G ist der direkte Abstand zwischen
Leitern ungleichen Potentials wesentlich geringer gehalten als die (bisher) genormte
Schlagweite (s. VDE-Vorschriften). Die an diesen Stellen vorhandenen Isolierwände
28 bzw. der Isolierbelag 29 des geerdeten Gehäuses 30 und der Isolierbelag
3 1 des Stromwandlers i i verhindern beim Auftreten von überspannungen einen
vollständigen Durchbruch der Isolation. Die Trennwände 28 sind als Isolierzylinder
ausgeführt, welche die einzelnen Schalterpole i, 2, 3 umhüllen. Nur die freien Trennstrecken
K und L weisen die vorgeschriebenen Schlagweiten auf, so daß die Schaltanlage spannungssicher
abgetrennt werden kann. Die Höhenbemessung der Schaltanlage ist dadurch besonders
gering, daß die leitenden Gehäuse i, 2, 3 des Leistungsschalters unmittelbar die
festen Trennschaltstücke 8 bzw. io tragen.
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Wie erwähnt, beginnt die Luft bei sehr geringen Abständen unter Einwirkung
hoher Spannungen zu glimmen.
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Nach der weiteren Erfindung kann dies dadurch vermieden werden, daß
das Isoliermaterial zwischen den einzelnen spannungführenden Teilen mit leitenden
oder halbleitenden Belägen versehen wird, die unter Vermeidung jeglichen Lufteinschlusses
auf dieses Material aufgebracht werden. Dieser Erfindungsgedanke kann sowohl für
sich allein als auch im Zusammenhang mit den vorerwähnten Erfindungsgedanken dazu
herangezogen werden, die Abmessungen von Schaltern, Schaltanlagen und den Abstand
zwischen Leitern verschiedener Pole in Schaltanlagen sehr klein zu machen. Unter
Umständen kann es vorteilhaft sein, neben den Belägen in dem Isoliermaterial selbst
noch leitende oder halbleitende Einlagen zu verwenden. Die Beläge können mit den
benachbarten spannungführenden Teilen elektrisch verbunden werden. Es ist aber auch
möglich, diese Beläge mit Hilfe von Spannungsteilern, Transformatoren, oder anderen
Spannungsquellen an ein bestimmtes Potential in bezug auf die benachbarten spannungführenden
Teile zu bringen, um auf diese Weise eine möglichst günstige Beanspruchung des Isoliermaterials
zu erreichen. Ebenso kann auch die Potentialverteilung auf die Einlagen in dem Isoliermaterial
durch Anschluß an derartige Spannungsquellen künstlich auf günstige Werte gebracht
werden. Hierbei kann durch entsprechende Wahl der Spannung oder sowie auch, gegebenenfalls
kombiniert hiermit, durch entsprechende Wahl der Flächengröße der einzelnen Beläge
erreicht werden, daß auch bei sehr hoher Spannung und auch bei sehr geringen Abständen
auf der Oberfläche des Isoliermaterials und in den benachbarten Luftschichten keine
gefährliche Feldkonzentration eintritt. An den Enden (Rändern) der halbleitenden
Beläge bzw. Einlagen kann eine Verstärkung des dazwischenliegenden Isoliermaterials
angewendet werden. Es kann auch an die Beläge anschließend ein Streifen aus Material
mit erheblich geringerer Leitfähigkeit angeordnet werden, um auf diese Weise Glimmerscheinungen
an den besonders gefährdeten Enden zu vermeiden. Auch ist es möglich, an den Enden
die Beläge selbst in abgerundete Leiter verhältnismäßig größeren Durchmessers übergehen
zu lassen, die auch ihrerseits in Isoliermaterial eingebettet sein können, um auf
diese Weise die Glimmerscheinungen zu unterdrücken.
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Hierdurch ist selbst bei. Anwendung sehr kleiner Luftabstände das
Auftreten von Gleitüberschlägen bei der - Betriebsspannung und bei Überspannung
vermieden. Durch eine zielbewußte, planmäßige Anwendung solcher Beläge an allen
gefährdeten Stellen, d. h. an allen Stellen, wo der Luftabstand besonders gering
wird, ist eine bisher unerreicht gedrängte Bauart erzielbar. Es ist daher durch
die Erfindung möglich, sehr vorteilhafte geschlossene Schaltanlagen zu bauen, deren
Raum- und Materialbedarf auf ein Mindestmaß gebracht ist.
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Im allgemeinen wird man solche Luftabstände vorsehen, daß erst bei
Überspannungen ein teilweiser Durchbruch der Luft und damit ein Glimmen der Luft
eintritt. Man kann jedoch auch an Stellen wesentlich geringeren Luftabstandes den
Belag der Trennwand mit dem benachbarten Gerät durch einen Ausgleichsleiter verbinden,
um an diesen Stellen Glimmen der Luft unter der normalen Betriebsspannung mit Sicherheit
zu verhindern.
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In der Zeichnung ist in den Fig. 3 und q. als ein Ausführungsbeispiel
hierfür ein Ausschnitt aus einer Schaltanlage mit Expansionsschaltern dargestellt.
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Die Schaltkammern A, welche auf Stützisolatoren B stehen, besitzen
die besonders. weit ausladenden Kopfteile C, in welchen die Auspufföffnungen für
die bei der Abschaltung entstehenden Schaltgase und -dämpfe sitzen. An diesen weit
ausladenden Teilen C ist die Isolation besonders gefährdet. Beispielsweise werden
sich die Linien der elektrischen Feldstärke zwischen C und der leitenden geerdeten
Gehäusewand D besonders stark zusammendrängen. Die als Zylinder ausgebildete Isoliertrennwand
E, für welche die geerdete Gehäusewand D einen äußeren leitenden Belag bildet, ist
an ihrer Innenseite mit dem Belag F ausgerüstet, der durch den Ausgleichsleiter
G mit dem spannungführenden Schalterkopf C verbunden ist.
Durch
diesen Belag F ist nun die gefährdete Stelle an dem ausladenden Teil C entlastet.
Beim Auftreten einer Überspannung können in dem Luftraum zwischen C und F keine
Glimmerscheinungen auftreten, da der Belag F das Potential von C hat. H und J sind
leitende Einlagen in der Trennwand E, durch welche die Spannungsbeanspruchung gleichmäßig
auf das Dielektrikum der Trennwand verteilt wird und durch die Gleitüberschläge
verhindert werden. Diese leitenden Einlagen sind grundsätzlich von der Kondensatordurchführung
her bekannt. Zur besonderen Verstärkung der Sicherheit gegen Gleitüberschlag können
am oberen Ende der Trennwand noch die gestrichelt angedeuteten Vorsprünge K als
Ionenbarrieren angebracht sein.
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Bei der Verwendung von Anordnungen, _ die völlig frei von Isolatoren
getragen werden, also Schalteinrichtungen und Schaltelementen der sogenannten Stützerbauart,
kann nach der weiteren Erfindung eine wesentliche Verbesserung dadurch erreicht
werden, daß das zwischen den einzelnen Leitern angeordnete Isoliermaterial in Form
von Hüllen aus hochwertigem Stoff angewendet wird, die die einem Pol bzw. einer
Phase des Schaltgerätes entsprechende Einheit umgeben. Die Isolierwände (Hüllen)
können zweckmäßigerweise als Zylinder oder Becher, die auch oben bzw. unten verschlossen
werden können, ausgebildet sein, welche die einzelnen Pole der Hochspannungsgeräte
allseitig umhüllen. Durch Anbringen von Ionenbarrieren ist es möglich, die Isoliertrennwände
verhältnismäßig kurz zu halten, Diese Hüllen können durchwegs bei allen Schalterpolen
angewendet sein, es empfiehlt sich, sie wenigstens an den für die Gesamtabmessung
der Schaltanlage maßgebenden Stellen vorzusehen. Man erzielt hierdurch eine Schaltanlage
von besonders gedrängter Bauweise. In der Richtung senkrecht zur Hüllenoberfläche
sind nämlich infolge der allseitigen Umhüllung Überschläge schlechthin unmöglich.
Nur durch einen Durchschlag kann die Tsolation überbrückt werden. Wegen der hohen
Durchschlagsfestigkeit des verwendeten Isoliermaterials können die Abstände auf
ein Mindestmaß verkleinert werden, welches weit unter der heute üblichen Schlagweite
liegt. In der Richtung längs der Oberfläche der Hüllen kann man die Abmessungen
der Isolierwände dadurch verkürzen, daß man an geeigneten Stellen Vorsprünge anbringt,
die als Ionenbarrieren wirken.
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Die Hüllen können als nahtlose Zylinder ausgeführt sein. Als Isolierstoff
kann man entweder eine hochwertige Faserstoffisolation (Hartpapier, Hartleinen)
oder keramisches Isoliermaterial verwenden. Es empfiehlt sich, Isolierstoff zu verwenden,
welcher eine möglichst geringe Neigung zu Kriechwegbildung aufweist, beispielsweise
Fiber, Anilinharz, Hartgummi u. dgl. Es kann vorteilhaft sein, insbesondere an Stellen,
an denen die Isolation durch das elektrische Feld besonders stark gefährdet ist,
potentialsteuernde Beläge oder Einlagen auf oder in den Trennwänden anzubringen.
Die Zeichnung zeigt einen Ausschnitt aus einer Schaltanlage nach der Erfindung.
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Fig.5 zeigt den Aufriß, Fig.6 den Grundriß einer dreipoligen Schalteinheit,
bestehend aus Expansionsschaltern mit unmittelbar aufgebauten Trennschaltern. z
sind die Expansionskammern, die auf -Stützisolatoren 2 aufgestellt sind. Die Schalterköpfe
3 tragen die Trennschalter 4. 5 sind die Gegenschaltstücke der Trennschalter.
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JederPol der dreipoligenSchalteinheit ist von einem Isolierzylinder
6 umgeben, der so lang ist, daß er auch noch den aufgebauten Trennschalter umhüllt.
Diese Isolierzylinder übernehmen hauptsächlich die Isolation der spannungführenden
Schalterteile gegen das geerdete Gehäuse bzw. Schaltgerüst 7. Sie bestehen aus einem
hochwertigen Isolierstoff, z. B: Hartpapier. Infolgedessen- können die kleinsten
Abstände n weit unter die Schlagweiten verringert werden, die in Schaltanlagen normaler
Bauart eingehalten werden müssen. Die Zylinder können auch mit kreisrundem Querschnitt
ausgeführt werden.
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Die Anwendung des Erfindungsgedankens ist nicht auf die dargestellten
Ausführungsbeispiele beschränkt, insbesondere können die einzelnen Verbesserungsvorschläge
sowohl einzeln - als auch in Kombination miteinander angewendet werden, je nachdem,
wie dies den Anforderungen des einzelnen Falles am besten gerecht wird.