DEP0018030DA - Strömungsschalter - Google Patents

Description

Die für Hochdrucklichtbogenventile entwickelten Elektrodenformen sind auch für die einmalige Lichtbogenunterbrechung bei Schaltern ganz besonders gut geeignet. Es sind bei Schaltern, die mit solchen Elektrodenformen arbeiten, eine Reihe von sehr wichtigen, miteinander zusammenhängenden Gesichtspunkten zu beachten, die die Vorzüge dieser Elektrodenformen erst voll zur Geltung kommen lassen. Die Erfindung besagt, daß die Schirmelektroden in der Löschstellung ein annähernd homogenes elektrisches Feld bilden, daß Isolierstoffe in der Nähe des Sperrgebietes vermieden werden, daß die Gestalt der Elektroden und die Anordnung der Ventile für das Löschmittel Wirbelbildungen unwahrscheinlich machen, und daß die Gesamtanordnung alle wichtigen Größen berechenbar macht.

Die Figur stellt als Beispiel einen Schalter schematisch dar, bei dem diese Gesichtspunkte berücksichtigt sind. Als Löschmittel ist hierbei Druckluft angenommen. Die Erfindung ist jedoch in gleicher Weise auch bei anderen Löschmitteln (andere Gase oder Dämpfe, Öl, Wasser usw.) anwendbar. A und B sind die Schirmelektroden, C und E die Abbrandelektroden. In der Einschaltstellung berühren sich die Schirmelektroden A und B so fest, daß die Betriebsstromstärke dauern durch sie hindurchfließen kann. Zum Ausschalten wird beispielsweise die untere Schirmelektroden zusammen mit der mit ihr verbundenen Abbrandelektrode nach unten bewegt. Die Figur stellt eine Stellung der Elektroden dar, in der der Lichtbogen gelöscht wird.

Um die Elektroden herum ist der Druckkessel F angeordnet, in dem die für eine Schaltung benötigte Luft aufgespeichert ist. Durch die Abschlußklappen G und H (allgemein Absperrungen) wird das Ausströmen des Löschmittels bei eingeschaltetem sowie bei ausgeschaltetem Schalter verhindert. Diese Klappen werden während des Ausschaltvorganges voll geöffnet, während des Einschaltens brauchen sie nicht oder nur wenig geöffnet zu werden.

Der Ausschaltvorgang geht wie folgt vor sich: Es werden zunächst die beiden Klappen G und H geöffnet, dadurch werden die Abströmräume, in denen sich die Abbrandelektroden C und E befinden, entlüftet. Der Hauptdruckraum im Zylinder F bleibt noch mit dem Löschmittel gefüllt, weil zwischen den beiden aufeinander gedrückten Schirmelektroden A und B nur wenig Luft hindurchströmen kann. Sobald nun die untere Schirmelektrode bewegt wird, entsteht durch den Spalt zwischen den beiden Schirmelektroden infolge des dort vorliegenden vollen Druckgefälles eine sehr starke Luftströmung. Diese Luftströmung muß von allen Seiten gleichmäßig zu diesem Spalt hin verlaufen, damit sie den entstehenden Lichtbogen sofort nach der Mittelachse hin bewegt. Irgendwelche Unregelmäßigkeiten auf der Oberfläche der Schirmelektroden oder vor den Schirmelektroden angeordnete Absperrungen führen zu Wirbelbildungen und verschlechtern die Löschwirkung. Um auch bei größerem Elektrodenabstand diese gleichmäßige Strömung aufrecht zu erhalten, ist es notwendig, daß der Druckzylinder F einen wesentlich größeren Durchmesser besitzt als die Schirmelektroden. Der Abstand zwischen Schirmelektroden und Druckkessel soll mindestens gleich dem halben, möglichst gleich dem vollen Durchmesser der Schirmelektroden sein. Dadurch wird erreicht, daß die Strömungsgeschwindigkeit in dem Gebiet zwischen Schirmelektroden und Druckkessel niedrig bleibt und daß die Umlenkung der Strömung nach der Mittelachse hin keine Schwierigkeiten bereitet. Auf diese guten Strömungsverhältnisse ist, wie aus allen Versuchen hervorgeht, größter Wert zu legen.

Auf eine glatte Ausführung der Schirmelektroden mit möglichst großen Krümmungsradien ist auch aus elektrischen Gründen großer Wert zu legen. In dem äußeren Gebiet erhalten die Schirmelektroden am besten annähernd Kugelform; der Übergang zu den Ausströmöffnungen muß sehr gut abgerundet sein. Befinden sich auf den Schirmelektroden oder in ihrer Umgebung Kanten oder Isolierstoffe, dann liegt die Gefahr vor, daß infolge der wiederkehrenden Spannung ein Durchschlag an solchen Stellen auftritt. Die Wegbewegung des nachfolgenden Lichtbogens nach der Mittelachse hin bereitet an solchen Stellen besondere Schwie- rigkeiten, weil sich hinter Kanten stets Wirbel bilden und weil Lichtbögen in solchen Wirbelgebieten besonders leicht festgehalten werden. Die Forderungen in elektrischer und in strömungstechnischer Hinsicht sind also hier die gleichen. Die in der Figur dargestellten Elektrodenformen sowie die Abschlußklappen an den Ausströmöffnungen aus dem Druckkessel ermöglichen die Aufrechterhaltung einer wirbelfreien Strömung und eines fast homogenen Feldes während des gesamten Ausschaltvorganges.

Nach oder gegen Ende der Ausschaltbewegung der Elektroden werden die Abschlußklappen wieder geschlossen, so daß sich der Druckbehälter wieder mit dem Löschmittel füllt. Einem Einschalten auf einen Kurzschluß kann dann sofort das Ausschalten folgen, weil beim Einschalten der Druckkessel gefüllt bleibt.

Es lassen sich leicht mehrere Schaltstrecken in Reihe anordnen, wenn dies erforderlich ist. Für die einzelnen Schaltstrecken gelten dann die bereits angegebenen Gesichtspunkte. Zwischen je zwei Schaltstrecken entstehen Abström-Räume, in die das Löschmittel von beiden Seiten her einströmt. Auch solche gemeinsamen Abström-Räume müssen im Einschaltzustand und nach vollzogener Ausschaltung mit einer Abschlußklappe versehen werden.

Ein ganz besonderer großer Vorzug des beschriebenen Schalters ist die Möglichkeit, alle wesentlichen Bemessungen vorauszuberechnen. Diese Tatsache zeichnet diese Schalterart vor allen bereits bekannten Schalterarten aus. Der Querschnitt der Ausströmöffnungen wird so berechnet, daß die ausströmende Preßluft gerade in der Lage ist, die Lichtbogenwärme abzuführen. Diese Lichtbogenwärme ist gegeben durch Stromstärke, Lichtbogenspannung und Zeit. Die durch die Luft abzuführende Wärme ist gegeben durch Luftgeschwindigkeit, Strömungsquerschnitt, sowie Druck und Temperatur der Luft. Soweit diese Größen nicht streng zu berechnen sind, lassen sich gute Annäherungen angeben. Es ergibt sich, daß die mit einer solchen Schaltstrecke zu löschende Stromstärke proportional dem Ausströmquerschnitt ist. Für jede geforderte Abschaltstromstärke kann also der Abströmquer- schnitt angegeben werden. Den Luftdruck wird man möglichst mit 4 - 6 atü wählen, um mit normalen Kompressoren auszukommen.

Der Druck im Druckkessel fällt bei Öffnung der Schaltstrecke annähernd exponentiell ab. Der Druckabfall zwischen Beginn der Ausschaltbewegung und endgültiger Lichtbogenlöschung ist umso größer je kleiner der Rauminhalt des Druckkessels ist. Die Bemessung des Druckkessels muß so erfolgen, daß bei der im ungünstigsten Falle vorliegenden endgültigen Löschstellung noch ausreichender Druck vorliegt.

Schließlich kann auch der günstigste Wert der Schaltgeschwindigkeit berechnet werden. Bei zu großer Schaltgeschwindigkeit wird der Lichtbogen bei der endgültigen Löschung zu lang, die Lichtbogenspannung wird unnötig hoch und die Wärmeabfuhr wird erschwert. Am vorteilhaftesten ist es, wenn der Elektrodenabstand bei der endgültigen Lichtbogenlöschung mit Sicherheit gerade so groß ist, daß eine Rückzündung vermieden wird. Die Durchschlagspannung der Schaltstrecke ergibt sich dabei nach den bkeannten Gesetzen der elektrischen Festigkeit aus Abstand und Druck. Bei dieser Berechnung muß natürlich der Beginn der Ausschaltbewegung im ungünstigsten Augenblick angenommen werden.

Die entscheidenden Größen: Ausströmdurchmesser, Druck, Größe des Druckkessels und Schaltgeschwindigkeit hängen natürlich voneinander ab. Es müssen, um bei allen vorkommenden Betriebsspannungen und Abschaltleistungen zu den günstigsten Schalterabmessungen zu kommen, wiederholte Rechnungsgänge durchgeführt werden. Auch über die noch zu beherrschende Höchstfrequenz der wiederkehrenden Spannung läßt sich aus den Strömungsgeschwindigkeiten mit Hilfe von Aufzeichnungen des Strömungsverlaufes und des elektrischen Feldes ein einwandfreies Bild gewinnen.

Bei den bisher bekannten Strömungsschaltern wird das Löschmittel der Schaltstrecke durch eine in der Nähe der Schaltstrecke mündende Rohrleitung zugeführt. Eine solche Ausführung ist deshalb unzweckmäßig, weil es mit ihr kaum gelingt, das Löschmittel gleichmäßig von allen Seiten der Schaltstrecke zuzuführen. Außerdem sind starke Rohrleitungen, große Ventils usw. erforderlich und der Löschmittelbedarf wird wesentlich größer. Man kann diese Schwierigkeiten dadurch vermeiden, daß man erfindungsgemäß den Druckkessel, in dem sich das Löschmittel befindet, axialsymmetrisch um die Schaltstrecke herum anordnet und diesen Druckkessel so groß macht, daß die gesamte für eine Schaltung erforderliche Löschmittelmenge in ihm untergebracht werden kann. Das Löschmittel steht dann in voller Menge an der Schaltstelle zur Verfügung, es braucht nur eine sehr kleine Löschmittelmenge auf große Geschwindigkeit beschleunigt zu werden und die allseitige gleichmäßige Zuführung bereitet keine Schwierigkeiten.

Da für diese Schalter ein Gas oder eine Flüssigkeit unter Druck zur Verfügung steht, ist es in vielen Fällen zweckmäßig, die Bewegung der Kontakte pneumatisch vorzusehen. Die Kontakte werden dann durch den Löschmitteldruck selbst aneinandergepreßt, es werden Dichtungen benutzt, die infolge des Druckes des Löschmittels sich selbst dichten und die Öffnung der Schaltstrecke wird mit Hilfe eines besonderen Kolbens und Zylinders durchgeführt.

Besonders wichtig ist es, den Lichtbogen von der Oberfläche der Schirmelektroden schnell in die Mittelachse der Anordnung zu bewegen. Diese durch die Löschmittelströmung bewirkte Bewegung kann durch das magnetische Feld des Lichtbogenstromes selbst stark unterstützt werden. Dieses den Lichtbogen bewegende magnetische Feld wird besonders wirksam, wenn die Lichtbogenfußpunkte auf der Oberfläche der Schirmelektroden zu der Lichtbogenstrecke hin wandern. Es ist deshalb zweckmäßig, die zur Mittelachse der Anordnung hinführende Oberfläche der Schirmelektroden aus einem Material herzustellen, das den elektrischen Strom besser leitet als der übrige Teil der Schirmelektroden.

Bei der in der Figur dargestellten Anordnung besitzen die Abbrandelektroden C und E das gleiche Potential wie die zu ihnen gehörigen Schirmelektroden A und B. Das von der wiederkehrenden Spannung erzeugte elektrische Feld tritt dann fast ausschließlich zwischen den Schirmelektroden A und B auf. Man kann zur Unterstützung der Löschwirkung zwischen A und C einerseits sowie zwischen B und E andererseits einen Isolierstoff anordnen. Der Lichtbogenstrom verläuft gegen Ende der Brenndauer von einer Abbrandelektrode zur anderen, die zwischen C und E wiederkehrende Spannung wird jedoch in drei Teile aufgeteilt. Durch eine Spannungsteiler-Schaltung mit Widerständen und/oder Kapazitäten kann die günstigste Spannungsverteilung auf diese einzelnen Elektroden erzwungen werden. Es ist ersichtlich, daß während des Abschaltvorganges dafür gesorgt ist, daß der Hauptstrom zunächst über die Schirmelektroden, später ausschließlich über die Abbrandelektroden fließt. Zur Verhinderung einer Überbrückung der Luftspalte zwischen den Schirm- und den zugehörigen Abbrandelektroden kann es notwendig sein, innere Teile der Schirmelektroden oder äußere Teile der Abbrandelektroden oder die Tragekonstruktion aus Isolierstoff herzustellen. Eine Überbrückung dieser Zwischenräume zwischen Schirm- und Abbrandelektroden kann außerdem durch voneinander isolierte ringförmige Metallteile in dem Raum zwischen Schirm- und Abbrandelektroden verhindert werden. Diese Metallringe müssen so angeordnet werden, daß sie einen evtl. Lichtbogen zwischen Schirm- und Abbrandelektrode in mehrere Teile aufteilen.

Anstelle einer Bewegung einer oder beider Schirmelektroden zum Ein- und Ausschalten kann auch ein besonderes Schaltstück in den Zwischenraum zwischen die Schirmelektroden bewegt werden. Dieses Schaltstück kann beispielsweise von der Seite her zwischen die Schirmelektroden hineingebracht werden, es braucht dann kein Stromanschluß zu erhalten. Eine Überbrückung dieses Zwischenraumes kann ferner auch mit Stiften erfolgen, die sich aus den Abbrandelektroden heraus bewegen.

Anstelle einer Gasströmung kann, wie bereits gesagt wurde, auch eine Flüssigkeitsströmung zum Löschen des Lichtbogens verwandt werden. Als Löschflüssigkeiten kommen beispielsweise Öl oder Wasser in Frage. Die Lichtbogenlöschung geht dann genau so vor sich wie bei einem Druckgas. Es muß dafür gesorgt werden, daß die durch den Lichtbogen erzeugten Dämpfe schnell entweichen können, so daß unverdampfte Löschflüssigkeit an den Lichtbogen herankommen kann. Die Löschflüssigkeit wird vor allem dann mit dem Lichtbogen in Berührung kommen, wenn der Lichtbogenstrom sich seinem Nullwert nähert. Die Löschung setzt also, wie das durchaus erwünscht ist, besonders stark ein, wenn der Strom auf niedrigen Werten angekommen ist.

Claims (21)

1. Strömungsschalter mit gasförmigem oder flüssigem Löschmittel und mit Schirm- und Abbrandelektroden, dadurch gekennzeichnet, dass die Schirmelektroden derart ausgebildet sind, daß sie in der Löschstellung ein annähernd homogenes elektrisches Feld bilden, daß Isolierstoffe in der Nähe des Sperrgebietes vermieden sind und daß die Gestalt der Elektroden und die Anordnung der Ventile für das Löschmittel derart ist, daß Wirbelbildungen unwahrscheinlich sind.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenflächen der Schirmelektroden annähernd Kugelform besitzen und der Übergang zu den Ausströmöffnungen ebenfalls sehr gut abgerundet ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schirmelektroden in Richtung der kontaktgebenden Teile auf etwa einer Länge, die gleich dem größten Durchmesser der Elektroden ist, keine Kanten oder Erhebungen haben.

4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Isolierstoffe von der kontaktgebenden Oberfläche der Schirmelektroden in einem Abstand entfernt gehalten sind, der mindestens gleich dem halben, möglichst gleich dem vollen größten Durchmesser der Schirmelektroden ist.

5. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckkessel, in dem das Löschmittel aufgespeichert ist, unmittelbar um die Schaltstrecke herum angeordnet ist.

6. Anordnung nach Anspruch 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß im Innern der Schirmelektroden in der Nähe der Druckkammerdeckel Absperrungen für das Löschmittel vorgesehen sind, die kurze Zeit vor der Elektrodentrennung den Querschnitt der Ausströmöffnungen möglichst in voller Größe freigeben.

7. Anordnung nach Anspruch 1, 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Absperrungen nach der Lichtbogenlöschung während oder unmittelbar nach Beendigung der Abstandsvergrößerung der Elektroden wieder geschlossen werden, so daß das Löschmittel auch im Ausschaltzustand des Schalters unter Druck steht.

8. Anordnung nach Anspruch 1 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Absperrungen während des Einschaltvorganges geschlossen bleiben oder nur wenig geöffnet werden.

9. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Schaltstrecken in Reihe geschaltet sind und jede Schaltstrecke eine besondere Absperrung für die Druckmittelströmung im Innern der Schirmelektroden aufweist.

10. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt der Ausströmöffnungen so bemessen ist, daß bei dem gegebenen Druck die Lichtbogenwärme bei der Höchststromstärke gerade abgeführt werden kann.

11. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rauminhalt des Druckkessels so bemessen ist, daß bei dem größtmöglichen Löschabstand der Druck im Sperrgebiet gerade noch zur Verhinderung einer Rückzündung ausreicht.

12. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltgeschwindigkeit und der Druck im Druckkessel so bemessen sind, daß die Lichtbogenspannung möglichst klein bleibt und der im Druckkessel allmählich absinkende Druck gerade noch zur Verhinderung eines Durchschlages zwischen den Elektroden hinreicht.

13. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kolben vorgesehen wird, mit dessen Hilfe der Löschmitteldruck zur Anpressung der Kontakte und zur Abdichtung des Löschmittels sowie zur schnellen Öffnung der Schaltstrecke herangezogen wird.

14. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an der Oberfläche der Schirmelektroden eine Schicht aus einem Material angebracht ist, das den elektrischen Strom besser leitet als der übrige Teil der Schirmelektroden.

15. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Schirmelektrode und zugehöriger Abbrandelektrode auf einer oder auf beiden Seiten der Schaltstrecke ein Isolierstoff angeordnet ist.

16. Anordnung nach Anspruch 1 und 15, gekennzeichnet durch eine Spannungsteiler-Anordnung, durch die mit Hilfe von Widerständen und/oder Kapazitäten eine vorteilhafte Spannungsverteilung auf den einzelnen Elektroden erzwungen wird.

17. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Bauteile der Schirmelektroden, der Abbrandelektroden und/oder der Tragekonstruktion dieser beiden Elektroden aus Isolierstoff bestehen.

18. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß voneinander isolierte Metallteile in dem Raum zwischen zusammengehörigen Schirm- und Abbrandelektroden angeordnet sind.

19. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schirmelektroden während des Schaltvorganges stillstehen und daß ein Schaltstück zum Ein- und Ausschalten in den Zwischenraum zwischen die Schirmelektroden hinein- bzw. aus diesem herausbewegt wird.

20. Anordnung nach Anspruch 1 bis 19, gekennzeichnet durch Öl als Löschmittel.

21. Anordnung nach Anspruch 1 bis 19, gekennzeichnet durch Wasser als Löschmittel.