DE1963216A1

DE1963216A1 - Luftschalter mit nachfolgend angeordneter Lichtbogenloeschkammer

Info

Publication number: DE1963216A1
Application number: DE19691963216
Authority: DE
Inventors: Gerhard Frind; Rudolf Hunziker; Korte Richard Milton
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1968-12-23
Filing date: 1969-12-17
Publication date: 1970-07-09
Also published as: GB1286685A; ES374852A1; US3555224A; FR2026965A1

Description

Dr. Horst Schüler

6 Frc^üiü/Main 1 Jg₁ Dez. 1969

Niddastr. 52

1334 - 11 - LA - 03159

GENERAL ELECTRIC COMPANY

1 River Road Schenectady, N.Y. / USA

Luftschalter mit nachfolgend angeordneter Lichtbogenlöschkammer

Die Erfindung betrifft einen Luftschalter mit nachfolgend angeordneter Lichtbogenlöschkammer, bestehend aus im Abstand voneinander angeordneten Seitenwänden aus Isoliermaterial und im Raum zwischen den Seitenwänden befindlichen Vorrichtungen zum Löschen des bei der Trennung der Kontakte des Schalters entstehenden und in diese Kammer eintretenden Lichtbogens, wobei an der Austrittsöffnung der Kammer ein Abgaskühler zum Kühlen der durch den Lichtbogen erzeugten heißen Produkte vorgesehen ist.

In die Lichtbogenlöschkammer der vorgenannten Art, die auch Funkenkammer genannt wird, wird der bei der Kontakttrennung entstehende Lichtbogen hineingelenkt, wobei er in die Länge gezogen, abgekühlt und auf diese Weise gelöscht wird. Am Ende der Funkenkammer befindet

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sich eine Austrittsöffnung, durch die die beim Abriß des Lichtbogens entstehenden gasförmigen Lichtbogenprodukte strömen. Um die ausströmenden heißen Lichtbogenprodukte zu kühlen und um die Gefahr von Spannungsüberschlägen an der Außenseite der Funkenkammer infolge der ausströmenden heißen Lichtbogenprodukte zu verringern, ist es bekannt, an der Austrittsöffnung der Kammer einen Abgaskühler vorzusehen. Die aus dem Kühler austretenden Lichtbogenprodukte weisen eine niedrigere Temperatur und demzufolge eine höhere dielektrische Durchschlagsfestigkeit auf, so daß sie weniger die Eigenschaft haben, SpannungsUberschläge zwischen benachbarten spannungsführenden Teilen des Schalters zu bewirken.

Bei den bekannten Kühlern tritt der Nachteil auf, daß wenn diese auf eine ausreichende Kühlleistung ausgelegt sind, der Strömungswiderstand für die ausströmenden Gase groß ist. Infolge dieses Strömungswiderstandes kann sich vor dem Lichtbogen ein so großer Eückstau bilden, daß der Lichtbogen sich nicht genügend weit in die Funkenkammer bewegen kann, wie es zum Abreissen des Lichtbogens erforderlich wäre, oder sich gar in schädlicher Weise rückwärts in Sichtung auf den Schalter bewegt.

Aufgabe der Erfindung ist die Vermeidung dieses Nachteils. Es soll insbesondere ein einfach aufgebauter Kühler geschaffen werden, der sich durch ausreichende Kühlleistung bei minimalem Strömungswiderstand auszeichnet, so daß der Lichtbogen rasch in die Funkenkammer wandern kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird bei einem Luftschalter der eingangs genannten Art deshalb erfindungsgemäß vor-

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geschlagen, daß der Kühler einen löchrigen Aufbau aus Metall besitzt, der einmal Durchgänge.in Richtung der Einströmrichtung der Lichtbogenprodukte in den Kühler und weiterhin Durchgänge quer zu dieser Einströmrichtung aufweist und der Kühler an der der Eintrittsseite gegenüberliegenden Seite und an den dazu quer verlaufenden Seiten offen ist, die die Austrittsöffnungen des Kühlers darstellen.

Hierbei wird von der Überlegung ausgegangen, den Durchströmquerschnitt des Kühlers optimal zu machen, damit kein wesentlicher Druckanstieg innerhalb des Kühlers auftreten kann.

Beispiele der Erfindung werden anhand der Fig. 1 bis 7 nachfolgend näher beschrieben.

Pig. 1 zeigt eine teilweise im Schnitt dargestellte Seitenansicht des Luftschalters in einem ersten
Ausführungsbeipiel.

Pig. 2 stellt einen Schnitt entlang der Linie 2-2 der Fig. 1 dar.

Fig. 3 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt aus Fig. 2.

Fig. 4 ist ein Teilschnitt entlang der Linie 4-4 in
Fig. 3 und zeigt insbesondere den Kühler.

Fig. 5 ist eine perspektivische Ansicht der Teile des Kühlers gemäß Fig. 4 in Explosionsdarstellung.

Fig. 6 zeigt eine geänderte Ausführungsform der Erfindung und in

Fig. 7 ist ein weiteres AusfUhrungsbeispiel dargestellt,

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Bei dem in Pig. 1 dargestellten Schalter handelt es sich um einen Luftschalter mit Blasmagnet. Er umfaßt ein Paar relativ zueinander bewegbarer Kontakte 1 und 2, zwischen denen sich ein Lichtbogen bildet, und eine Funkenkammer 7> in welche der Lichtbogen gelenkt wird, um ihn zu löschen. Der Kontakt 1 ist ein feststehender Kontakt, während der Kontakt 2 um den Schwenkpunkt 3 beweglich ist. Der Schwenkpunkt 3 befindet sich hierbei an einem der Kontaktbolzen 6 des Schalters. Der Kontakt 2 wird über die hin- und herbewegbare isolierte Stange 4 betätigt, die ihrerseits in geeigneter Weise mit einem nicht dargestellten Betätigungsmechanismus verbunden ist, durch den der bewegliche Kontakt zwischen seinen beiden Stellungen (offen, geschlossen) bewegt werden kann.

Die Kontakte 1 und 2 sind mit den unteren Enden der Zuführungskontaktbolzen 5 und 6 elektrisch verbunden, die gleichzeitig die Anschlüsse des Schalters darstellen. Wenn der Schalter in einen Arbeitsstromkreis geschaltet ist, entsteht deshalb beim Trennen der Kontakte 1 und 2 ein Lichtbogen zwischen diesen Kontakten.

Um diesen Lichtbogen zu löschen, ist nahe der Kontaktvorrichtung die Funkenkammer 7 vorgesehen, die den Lichtbogen direkt aufnimmt. Der Lichtbogen wird hierbei durch das Magnetfeld der Blasmagnetspulen 8 und 9 entlang der Metallschienen 8^f und 9¹ in die Funkenkammer gedrückt. Die Kontakte, die Laufschienen und der Aufbau der Blasmagnete können in geeigneter Form ausgeführt sein. Da diese Teile selbst nicht Gegenstand der Erfindung sind, genügt eine kurze Beschreibung. Die Magnetspulen 8 des Blasmagneten sind elektrisch mit dem stromführenden Kontaktbolzen 5 und den leitenden Lichtbogenlaufschienen 8¹ verbunden, so daß der Licht-

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bogenstrom (wenn der Lichtbogen den Schienen entlang wandert) durch die Spulen des Blasmagneten fließt und so einen Teil des Magnetfeldes erzeugt, das den Lichtbogen in die Funkenkammer wandern läßt.

Normalerweise fließt der Strom bei geschlossenem Schalter über die Hauptkontakte 1¹ und 2¹. Während des Öffnens der Kontakte wird der Strom über die Lichtbogenkontakte

I und 2 geleitet. Hierbei bewegt sich dann das obere Lichtbogenende schnell auf die obere Laufschiene 8¹ und somit in Richtung des Kammerinnern. Sobald der bewegliche Kontakt die Zwischenstellung gemäß Fig. 1 erreicht hat, springt das untere Lichtbogenende auf die Laufschiene 9^f. Hierdurch wird bewirkt, daß die untere Spule 9 in Serie geschaltet wird mit dem Lichtbogen, da diese Spule 9 über die Leitung 9" zwischen den Bolzen 6 und der Lichtbogenlaufschiene 9¹ geschaltet ist. Auf diese Weise werden die Blasmagnetspulen in einem frühen Stadium erregt und können mit ihrem Feld in bekannter Weise den Lichtbogen in die Funkenkammer drücken. Die Blasmagnetspulen sind, was nicht dargestellt ist, mit Polschuhen an den Außenseiten der Funkenkammer versehen, damit eine möglichst wirksame Form des Magnetfeldes zum Bewegen des Lichtbogens in die Kammer entsteht.

Die Funkenkammer umfaßt weiterhin zwei Seitenwände 10 und

II aus geeignetem lichtbogenbeständigem Isoliermaterial. Diese Seitenwände sind durch geeignete Mittel (nicht dargestellt) abetandhaltend miteinander verbunden. Vorzugsweise weist jede Seitenwand Rippen 10^f auf, die sich jeweils in Richtung der anderen Seitenwand erstrecken, wobei die Rippen beider Seitenwände wechselseitig angeordnet sind und so von der Eingangsseite der

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Kammer her gesehen einen zick-zack-förmigen Durchlaß bilden. Wie die Fig. 2 zeigt, verlaufen die Rippen in Richtung des Kammereingangs spitz zu und bilden dort einen Einschnürbereich, den der Lichtbogen zuerst durchwandern muß, bevor er den zick-zack-förmigen Durchgang zwischen den Rippen 10' erreicht. Die Konstruktion der Kontakte, der Laufschienen, des Blasmagneten und der Funkenkammer sind Gegenstand des US-Patentes 2 293 513.

Wenn der Lichtbogen sich in die Funkenkammer hineinbewegt, wird er über die Ecken der Rippen 10^f gelenkt und tritt in engen Kontakt mit der Oberfläche der Rippen und der Seitenwände, wobei er zunehmend einen sinusförmigen Verlauf annimmt. Hierbei entstehen an den Rippen und Seitenwänden Gase, die zusammen mit anderen durch den Lichtbogen erzeugten Produkten durch den Lichtbogen aufgeheizt werden. Diese Gase und Stoffe werden in Richtung der Pfeile 34 durch die Austrittsöffnung 30 an der Rückseite der Funkenkammer ausgestoßen.

Zur Kühlung dieser heißen Lichtbogenprodukte ist ein Abgaskühler 35 vorgesehen, der an die Austrittsöffnung 30 angebaut ist. Dieser Kühler 35 weist einen rechteckigen Querschnitt auf, wie die Fig. 2 und 3 zeigen. Aus später noch zu erklärenden Gründen sind alle vier Seiten des Abgaskühlers auf das praktisch größtmögliche Maß offen. Die heißen gasförmigen Lichtbogenprodukte treten von der Funkenkammer durch die Austrittsöffnung aus und in den Abgaskühler 35 durch eine seiner offenen Seiten 36 ein, die unmittelbar an der Austrittsöffnung 30 angeschlossen ist. Die Lichtbogenprodukte strömen durch den Abgaskühler und treten aus diesem an der gegenüberliegenden Seite 38 (wie durch die Pfeile 60 angedeutet) und den beiden Seitenöffnungen 40 und 42 (wie durch die Pfeile 46 und 47 angedeutet) aus.

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Zur Montage des Abgaskühlers in der dargestellten Stellung sind die Seiten 40 und 42 mit Verlängerungen versehen, die mittels geeigneter Befestigungselemente (nicht dargestellt) an den Seitenwänden 10 und 11 der Funkenkammer "befestigt sind.

Der Abgaskühler weist eine Vielzahl von gewellten Metalltafeln 50 auf, die vertikal im wesentlichen entlang der gesamten Höhenabmessung der Punkenkammeröffnung 50 aufeinander geschichtet sind. Diese Tafeln verlaufen quer von Seitenwand 10 zur Seitenwand 11. Jede dieser gewellten Metalltafeln 50 weist Erhebungen und Vertiefungen gleich einem Wellblech auf. Diese verlaufen im allgemeinen in der gleichen Richtung wie die in Richtung der Pfeile 34 strömenden Lichtbogenprodukte, wenn diese in den Abgaskühler eintreten. Jede dieser Metalltafeln 50 weist außerdem eine große Zahl von Durchbrüchen 53 auf, so daß ein freier Durchgang zwischen den durch die We^lung gegebenen Räumen einer Tafel 50 möglich ist.

Zwischen zwei einander benachbarten gewellten Metalltafeln befindet sich jeweils eine ebene Me talltafel 55, ebenfalls mit einer Vielzahl von Durchbrüchen 56 versehen. Diese Durchbrüche ermöglichen einen freien Durchgang zwischen den durch die Wellbleche gegebenen Räumen auf beiden Seiten jeder ebenen Tafel 55.

Die perforierten Tafeln 50 und 55 bestehen aus einem Metall mit guter Wärmeleitfähigkeit, wie z.B. Kupfer oder Aluminium. Diese hohe Leitfähigkeit steuert zu deren Kühleigenschaften bei.

Die gasförmigen Lichtbogenprodukte treten in den

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Kühler 35 entlang der Strömungswege 34 ein. Einige der . Lichfbogenprodukte strömen entlang der Wellung durch den Kühler hindurch und treten an der gegenüberliegenden Seite 38 des Kühlers entlang der Strömungspfade 60 aus. Bin anderer Teil der Abgase, die durch den Lichtbogen erzeugt werden, strömen wie vorerwähnt quer zur Strömungsrichtung 60 durch den Kühler. Dieser Teil des Gases strömt durch die Löcher 53 der Wellbleche 55. Da die Bleche 55 eine Vielzahl von Löchern aufweisen und L· diese zudem im allgemeinen so groß wie möglich sind, ist der Strömungswiderstand dieser quer verlaufenden Strömung ziemlich niedrig.

Die Löcher in den Metalltafeln 50 und 55 tragen wesentlich zu der Wirksamkeit der Kühlung bei, da durch sie in hohem Maße eine Turbulenz der den Kühler durchströmenden Gase sich ergibt. Diese Turbulenz beschleunigt den Wärmeaustausch der Gase zum umströmten Metall.

Wie schon vorstehend ausgeführt wurde, zeigen die Abgaskühler bekannter Bauart mit einer ausreichend großen Kühlfläche für den Wärmeaustausch den Nachteil, daß der * Strömungswiderstand der durchströmenden Gase übermäßig groß ist. Dieser übermäßig große Strömungswiderstand kann einen so großen Rückstau verursachen, welcher sich vor dem Lichtbogen bildet, daß der Lichtbogen in seiner Bewegung gehindert wird oder in schädlicher Weise sich entlang der lichtbogenführungsschienen 8¹, 9¹ und im Zick-Zack-Spalt zwischen den Rippen 10' rückwärts bewegt. Der Strömungswiderstand des Abgaskühlers gemäß der Erfindung kann ziemlich gering gehalten werden, in erster Linie deshalb, weil die Abgase nach drei Seiten abzuströmen vermögen, anstelle nach nur einer Seite bei den bekannten Systemen. Die Lichtbogenprodukte wer-

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den nicht gezwungen, die gerade durchlaufende Strömungsrichtung 60 einzuschlagen, sondern können auch quer dazu entlang der Strömungsrichtungen 46 und 47 ausströmen. Diese Querströmung wird nicht nur durch die offenen Querseiten 40 und 42 ermöglicht, sondern auch durch die zahlreichen Löcher 53 in den gewellten Metalltafeln 50, die einen Gasstrom quer zu den Wellungen in Richtung der offenen Querseiten 40 und 42 erlauben.

Die Löcher 56 in den planen Metalltafeln 55 tragen ebenfalls zur Reduzierung des StrömungswiderStandes bei, indem sie es ermöglichen, daß ein Teil des Gases durch die ebenen Tafeln strömt und so die Strömungen durch die Räume zwischen benachbarten Wellblechen 50 ausgleicht.

Der Stapel der durchlöcherten Tafeln 50 und 55 ist durch ebene Platten 61 aus Isoliermaterial in mehrere Gruppen unterteilt. Diese Platten 61 sind im Abstand über die ganze Länge des Stapels angeordnet. Sie verlaufen parallel zu den ebenen Metalltafeln 55. In einer bevorzugten Ausführungsform besteht der Stapel der Metalltafeln zwischen zwei Isolierplatten 61 aus drei Wellblechen 50 und zwei ebenen Metalltafeln 55. Die Isolierplatten 61 sind nicht durchlöchert, damit eine gute elektrische Isolierung zwischen den niederen Stapeln aus Metalltafeln auf jeder Seite der Isolierplatten vorhanden ist. Wie die Fig. zeigt, sind die Isolierplatten 61 etwas größer als die Metalltafeln 50 und 55, wobei sich die Stirnteile 62 über die Kanten der Metalltafeln hinaus erstrecken.

Die Isolierplatten bestehen aus einem geeigneten Isolator, wie beispielsweise einem Paserstoff, der nicht verkohlen

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kann und die Eigenschaft hat, Gase abzuscheiden, wenn er den heißen Lichtbogenprodukten ausgesetzt ist. Wenn die heißen Lichtbogenprodukte in den Gaskühler eintreten, treffen sie zuerst auf die vorstehenden Kanten 62 der Faserstoffplatten. Das von ihnen abgeschiedene Gas unterstützt die Kühlung der Lichtbogenprodukte, bevor sie die Metalltafeln 50,55 erreichen. In erster Linie dienen die Isolierplatten 61 der elektrischen Isolierung der Metalltafelsijapel voneinander, damit keine durchgehende metallische Verbindung entlang des Stapels entsteht. Eine weitere wichtige Aufgabe der Isolierplatten besteht darin, einen Überschlag zu verhindern, der auftreten kann, wenn die ganze äußere Oberfläche des Stapels aus Metalltafeln besteht. Das Überstehen der Isolierplatten über die Kanten der Metalltafeln erhöht die Kriechstromstrecke entlang der äußeren Oberfläche des Stapels und unterstützt weiterhin die Trennung der ein- und austretenden Gase einer Gruppe von Metalltafeln 50, von den ein- und austretenden Gasen der benachbarten Gruppe.

Obwohl das bevorzugte Ausführungsbeispiel gemäß den Fig. 3 bis 5 durchlöcherte Tafeln 50, 55 zur Kühlung verwendet, ist es selbstverständlich, daß die Erfindung allgemein die Verwendung anderer Arten perforierter oder poröser Kühlvorrichtungen umfaßt. Beispielsweise können relativ grobe Metallsiebe verwendet werden wie diejenigen in Fig. 6, die mit 70 und 71 bezeichnet sind und die durchlöcherten Tafeln 50 und 55 ersetzen können. In einem weiteren Ausführungebeispiel gemäß Fig. 7 werden gewellte Metallsiebe 75 verwendet, die quer zur Hauptströmungsrichtung 34 aus der Funkenlöschkammer angeordnet sind und im Querschnitt ein wabenförmiges Muster bilden. Gleichgültig welcher Aufbau des

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Kühlers gewählt wird, so muß doch in jedem Pail gewährleistet sein, daß der Kühler bezüglich seiner Kühlflächen ausreichend porös ist und den Gasen ermöglicht, sowohl seitlich zu entweichen, beispielsweise entlang den Strömungsrichtungen 46 und 47 nach Pig. 3 und 7, als auch im wesentlichen geradlinig durch den Kühler zu wandern, wie dies durch die Strömungsrichtung 60 angezeigt ist. Bei allen Ausführungsformen der Erfindung ist es wichtig, daß derAbgaskühler sowohl an seinen QuerSeiten 40 und 42 (Pig. 3) als auch an seiner Rückseite 38 völlig offen ist, damit die Gase durch diese drei Seiten des Kühlers frei ausströmen können. Dieses Ausströmen nach drei Seiten ist wesentlich für die Begrenzung des Strömungswiderstandes auf einen geringen Wert. Die Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen ist weiterhin durch den Aufbau des Kühlers gekennzeichnet, der mehrere durch plane Isolierplatten voneinander getrennte Kühleinheiten umfaßt. Es handelt sich hierbei um die Isolierplatten entsprechend den Platten 61 der Pig. 3 und 4.

Die in Pig. 3 und 4 gezeigte Ausführungsform ist deshalb besonders vorteilhaft, weil sie eine einfache und billige Herstellung und Montage ermöglicht und in hohem Maße eine Stabilität bezüglich der Abmessungen aufweist. Es ist einfach, die Tafeln 50 zu wellen und aufeinander zu schichten, um die gewünschte Baueinheit zu erhalten. Um den in Pig. 3 und 4 gezeigten Aufbau zu erhalten, sind weder Schweißungen noch sonstige besondere Verbindungsarbeiten notwendig.

Obwohl besondere Ausführungsformen der Erfindung im einzelnen beschrieben und dargestellt wurden, ist sie auf diese speziellen Ausführungsformen nicht beschränkt und umfaßt daher auch solche Ausführungen, die im Bereich des fachmännischen Könnens liegen.

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Claims

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Patentansprüche

M,j Luftschalter mit nachfolgend angeordneter Lichtbogenlöschkammer, bestehend aus im Abstand voneinander angeordneten Seitenwänden aus Isolier-

fe material und im Raum zwischen den Seitenwänden

befindlichen Vorrichtungen zum Löschen des bei der Trennung der Kontakte des Schalters entstehenden und in diese Kammer eintretenden Lichtbogens, wobei an der Austrittsöffnung der Kammer ein Abgaskühler zum Kühlen der durch den Lichtbogen erzeugten heißen Produkte vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühler einen löchrigen Aufbau aus Metall besitzt, der einmal Durchgänge in Richtung der Einströmrichtung (34) der Lichtbogenprodukte in den Kühler und weiterhin Durchgänge quer zu dieser Einströmrichtung aufweist und der Kühler an der der Eintrittsseite gegenüberliegenden Seite

ψ und an den dazu quer verlaufenden Seiten offen ist,

die die Austrittsöffnungen (38, 40, 42) des Kühlers darstellen.

2. Luftschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühler aus einer Vielzahl aufeinandergeschichteter gewellter Metalltafeln (50, 70) besteht, wobei die einzelnen Tafeln quer zu den Seitenwänden und mit ihrer Wellung in Richtung der Einströmrichtung (34) der Lichtbogenprodukte angeordnet sind und die Metalltafeln eine Vielzahl von Durchbrüchen (53) aufweisen.

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3. Luftschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühler aus einer Mehrzahl gewellter Metalltafeln (75) besteht, die quer zu den Seitenwänden und mit ihrer Wellung quer zur Einströmrichtung (34) der Lichfbogenprodukte angeordnet sind und die Metalltafeln eine Vielzahl von Durchbrüchen aufweisen.

4. Luftschalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwiscrieTÄ^vrei benachbarten, gewellten Metalltafeln (50, 70) eine mit einer Vielzahl von Durchbrüchen (56) versehene ebene Metalltafel (55, 71) angeordnet ist.

5. Luftschalter nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Metalltafeln (70, 71) aus einem Metallgitter bestehen.

6. Luftschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der löchrige Metallaufbau durch Platten (61) aus Isoliermaterial unterteilt ist.

7. Luftschalter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierplatten (61) parallel zueinander und quer zu den Seitenwänden verlaufen.

8. Luftschalter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanten (62) der Isolierplatten (61) über die Kanten des Metallaufbaus vorstehen.

9. Luftechalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die quer verlaufenden offenen Seiten (40, 42) parallel zu den beiden .Seitenwänden (10,11) der Lichtbogenlöschkammer verlaufen.

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