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Flüssigkeitsarmer Leistungsschalter Die Erfindung bezieht sich auf
einen. flüssigkeitsarmen Leistungs= schalter mit mindestens einer Polsäule und mit
einer Löschflüs= sigkeit, wobei die Löschkammerteile von einem Isolierstoffrohr
umschlossen sind.
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Mittel- und EIochspannungsschaltanlagen werderi in der Regel mit teistungsschaltcrn
ausgerüstet, die je nach Verwendungszweck als Einspcise- oder Abgangsschalter für
unterschiedliche Betriebs= stromstärken ausgelegt sind. Die bisher bekannt gewordenen
schal= terkonstruktionen sind so ausgeführt, daß die im Leistungsschalter durch
den Betriebsstrom hervorgerufene Verlustwämme durch Konvektion und Strahlung über
die Schalterpoloberfläche an die Umgehung abgeführt wird. Zur Verbesserung der Wärmeabfuhr
wurde entweder die wärmeabgebende Oberfläche vergrößert oder es wurde eine Kühlung
durch eine kühlmittelströmung erreicht. Darüberhin aus hat man durch entsprechende
Dimensionierung der stromführenden Teile die Verlustwärme am Entstehungsort auf
ein wirtschaft= lich vertretbares Minimum reduziert. Im übrigen sind insbesonde=
re bei Verwendung von Öl die Temperaturen an den stromführenden Teilen durch Fremdschichtbildung
des Öles auf den kontakten be= grenzt.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Leistungsschalter der eingangs
genannten Art so auszubilden, daß die Größe des Schale ters verringert oder bei
gleichbleibender Größe die von dem Schalter zu tragende etriebsstromstärke gesteigert
werden kann, Diese Aufgabe wird erfindugsgemäß dadurch gelöst, daß innerhalb des
Schalterpois ein mit den stromführenden Teilen und mit der
Oberseite
des Schalterpols vakuumdicht verbundenes Innenrohr vor gesehen ist, innerhalb welchem
sicn eine verdampfbare mit ihrem Siedepunkt im Bereich der Betriebstemperatur der
zu kiihlenden Teile liegende Plüssigkeit befindet, wobei die Flüssigkeit an dem
Teil des Rohres, an welchem es an den stromführenden Teilen befestigt ist, verdampft
und wobei der Dampf nach oben steigt und an der Oberseite des Rohres kondensiert,
und daß sich inner= halb des Innenrohres eine Kapillarstruktur befindet, welche
die kondensierte Flüssigkeit zu der Verdampfungsstelle zurückleit.
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Dabei sind das Innenrohr und die Kapillarstruktur aus elektrisch isolierendem
Material und die lleiz- und Kühlzone aus gut w.irmc= leitendem Material hergestellt.
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Vorteilhaft ist im Bereich der Heizfläche eine Xapillarstruktur vorgesehen.
Ein weitere Ausgestaltung der Erfindung geht dahin, daß an der Außenfläche der kondensationsfläche
Kühlrippen vor= gesehen sind. Dabei sind die außen an der Kondensationsfläche befindlichen
Kühlrippen aus einem elektrisch isolierenden, die Wärme gut leitendem Materiel hergestellt.
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Gemäß dieser eben beschriebenen ersten Ausführung wird ein va= kuumdicht
verschlossenes Rohr - nachstehend Wärmerohr bezeich net - an seinem einen Ende mit
der an den Schalterteilen abzu= führenden Warme beaufschlagt und am anderen Ende
gekühlt. Dabei ist das Rohr mit einer geringen enge Flüssigkeit gefüllt, deren Siedepunkt
im Bereich der Betriebstemperatur der zu kUhienden Strombahnteile liegt. Die durch
die Verlustwärme verdampfte FlUssigkeit kondensiert an der gekühlten Seite des Wärmerchres
und fließt unter Einwirkung der Schwerkraft oder/und durcfl die Ka= pillarwirkung
eines porösen Belages an der Innenwandung des Wär= merohres zur Heizzone zurück.
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Durch ausschließliche Ausnutzung der Kapillarwirkung kann das Wärmeroht
zum Wärmetransport in alle Richtungen eingesetzt werden.
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Infolge des vakuumdicht verschlossenen Systems können durch gr eignete
Druck- und Flüssigkeitswahl praktisch alle zulässigen
Betriebstemperaturbereiche
für diese Kühlmethode brauchbar ge macht werden.
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Im einzelnen kann das Wandmaterial des Wärmerohrs aus metalli= schen
Werkstoffen oder - wenn es für die Schalterkonstruktion vorteilhafter ist - aus
Isolierstoff bestehen. Die Heizzone wird zweckmäßigerweise an den heißesten Strombahnteilen,
d.h. in der Rcgel an den Schalterkontakten angebracht, während die Kühlzone mit
einem außenliegenden üler verbunden wird. Dieser äußere Kühler kann aus einem großflächigen,
metallischen oder isolieren= den Formteil bestehen und seine Wärme durch natürliche
oder for= cierte Konvektion an die Umgebungsluft abführen.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung geht dahin, daß als Löschflüssigkeit
für den Schalterpol eine solche Flüssigkeit verwendet ist, deren Dampfdruck bei
Betriebstemperatur der Strom= bahnteile et*7a 1 atm. ist, so daß die Flüssigkeit
an den Strom= bahnteilen verdampft, und daß jeder Schalterpol an seinem oberen Ende'
als kondensationsfläche ausgebildet ist, an welcher der Flüssigkeitsdampf kondensiert.
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Dabei sind die Strombahnteile so hemessen, daß sich die sie um= gebende
Flüssigkeit am Siedepunkt befindet.
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Als Flüssigkeiten sind solche vorgesehen, welche gute Lichtbogen=
lösch- und gute Wärmeübertragungseigenschaften aufweisen. Solche Flüssigkeiten sind
z.B. Fluor-Carbon.
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Auch ist vorteilhaft an der höchsten Stelle des Schalterpols, nämlich
an der kondensationsstelle, eine Drosselstrecke vorge= sehen.
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Die zweite, eben beschriebene flethode der vorteilhaften Wärme abfuhr
aus einem Schalter besteht also darin, daß die zu kühlen den Strombahnteile direkt
in Kontakt mit der Flüssigkeit gebracht werden, d.h. daß die zu kühlenden Strombahnteile,
wie beim be= kannten ölarmen Leistungsschalten, in der Flüssigkeit liegen
und
die Wärme an diese abgeben. Die FlÜssigkeit muß deshalb gute Lichtbogenlöscheigenschaften
und gute Wärmeübertragungseigen= schaften aufweisen. Die Wärmeabfuhr ist besonders
effektiv, wenn die Flüssigkeit siedet. Da der Schalterpol nur unter cJronem Auf=
Wand vakuumdicht abgeschlossen werden kann, muß die Flüssigkeit so ausgewählt werden,
daß ihr Siedepunkt bei Mormaldruch im fle reich der Betriebstemperatur der zu kühlenden
Schalterteile liegt Als Flüssigkeiten eignen sich z.B. Fluor-Carbone, die außerdem
gute Isoliereigenschaften aufweisen.
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Die stromführenden Teile geben in Nennbetrieb ihre Wärme an die Flüssigkeit
ab. Dicse wird verdampft und kondensiert an den Stel= len, an denen die Wärme abgeführt
wird. Das Kondensat fließt an der Polrohr-Innenwand wieder in den Flüssigkeitspol
zurück und kann erncut verdampft werden. Während des Betriebes bildet sich Über
dem Flüssigkeitsspiegel ein Dampfpolster aus, das im Gleichgewicht mit der Atmosphäre
steht. Dadurch kann die Flüssigkeit (und der Schalterpol) die Temperatur, die ihrer
Siedetem peratur cntspricht, nicht wesentlich überschreiten. Bei einer Leistungserhöhung
erhöht sich lediglich die Höhe des Dampfpol= sters und damit die wärmeabgebende
Fläche. Um den Dampfverlust möglichst gering zu halten, muß über dem Kühler eine
nrosselstrek= ke angebracht werden.
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Anhand der Zeichnung sollen zwei Ausführungsbeispiele der Erf in dung
näher erläutert werden. Es zeigt: Fig. 1 einen Schaltpol mit einem sich in dessen
Mitte befindli chen innercn lçärmerohr und Fig, 2 eine Ausbildung eines Schaltpols
als Wärmerohr.
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Ein Schaltpol 1 besitzt einen äußeren Isoliermantel 2, durch wel=
chen hindurch als Anschlußbolzen ausgeführte Zuleitungen 3 und 4 hindurchgeführt
werden und in welchem sich eine feste Kontakt= tulpe 5 und 7 und ein beweglicher
Schaltstift 6 befindet. über die anschlußholzen 5 und 4 sowie den kontaktträger
8 crfolgt der Stromfluß zur Kontaktstelle.
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An der Oberseite des Kontaktträgers 8 ist eine Bohrung 9 vor= gesehen,
die ein wärmerohr lo bis 13 aufnimmt und einen guten Wärmeübergang zu dessen unterem
Ende sicherstellt. Das Wärmerohr selbst besteht aus einem Metallzylinder 10, welcher
direkt in die Bohrung 9 eingesetzt ltst und dessen Innenwandung zur vorteil= haften
Kondensatförderung mit einer Kapillarstruktur 17 ausge kleidet ist, aus einem Isolierrohr
11 sowie einem kühl- und Ab= schlußelement 13 am oberen Ende des Wärmerohres Die
Innenkon= tur dieser Teile weist möglichst wenig horizontale Vorsprünge auf, m einen
guten Rückfluß des Kondensats zur untenliegenden Wärmequelle zu gewährleisten. Die
IIeizzone 12 des Wärmerohres befindet sich also an den Kontaktstellen. Das obere
Ende des Wär=; merohres ist mit dem Deckel 13 verschlossen, er besitzt eine axial
verlaufende Ausformung 15, welche eine Innenbohrung 16 aufweist, in welche bis zu
einem Ansatz 15a das Isolierrohr 11 eingesteckt ist. Der Deckel 13 dient dem Verschluß
des Schalter= P015, wobei das Rohr 2 in eine Nut 14 am Umfang bzw. Rand des Deckels
13 eingreift. Die Teile 10, 11 und, 13 sind vakuumdicht miteinander durch geeignete
Dichtungen oder durch eine Verkle bung verbunden. Die Kapillarstruktur im Bereich
der Wärmezone ist aus Keramik oder gesintertem Metall. Die Wirkungsweise des Wärmerohres
besteht darin, daß im Bereich der Bohrung 12 die Flüssigkeit innerhalb des Wärmerohres
11 erhitzt und verdampft wird und so daß der Dampf in Pfeilrichtung nach oben in
den Kon= densator im Bereich der Bohrung 16 aufsteigt; dort kondensiert und an der
Rohrwandung in Pfeilrichtung 18 zurückfließt.
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Auch kann zusätzlich die Innenwand des Isolierrohres 11 mit einer
Kapillarstruktur (nicht dargestellt) ausgekleidet sein; dadurch ist auch eine horizontale
Lage des Wärmerohres möglich.
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Zur Erhöhung der Kühlwirkung weist das obere Ende des Wärmerohres
Kühlrippen 20 auf, welche für eine gute Wärmeahgabe an die Um= gebung sorgen.
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Das Wärmerohr 11 besteht entweder aus metall, oder, sofern ein potentialfreier
oder auf Erdpotential liegender Kondensator er strobenswert ist, aus Isoliermaterial,
wie z.B. glasfaserver= stärktes Epoxidharz oder dergl. Der Dockel 13 besteht aus
metall oder aus einem guten wärmeleitenden keramischen Haterial. Jnner= halb des
Polrohres 2 befindet sich die Löschflüssigkeit, wie z.B.
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ö1, deren Flüssigkeitsspiegel mit 21 gekennzeichnet ist.
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In einer weiteren Ausführung (Fig. 2) wird der gesamte Schalter pol
so ausgebildet, daß cr neben der Funktion als Schaltelement auch die Funktion des
Wärmerchres übernimmt Zu dicsem Zweck wird; als Löschnittel eine Flüssigkeit benutzt,
deren Siedepunkt bei einer Atmosphäre in der Nähc Nennbetrieb sich einstellenden
Kon= takttemperatur liegt. Dicse Flüssigkeit kann beispielsweise Pluor-Carbon sein
und umspült unmittelbar die zu kühlenden Kontakt= stellen im Bereich der Tulpe 23
und des Schaltspiegels 24.
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Das Flüssigkeitsniveau im Polrohr ist durch 26 gekennzeichnet.
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Das Polrohr 22 ist an seinen oberen Ende mit einem Deckel 27 mit Kühlrippen
28 verschlossen. Bei Brreichen der Betricbstem= peratur siedet die Flüssigkeit im
Bereich der Kontaktteile 23 und 24. Der Dampf steigt in Pfeilrichtung 29 nach oben,
konden= siert an der Innenwand des Deckels 27 und flieht aufgrund der einwirkenden
Schwerkraft an der Innenfrandung in Pfeilrichtung 30 nach unten. Bei einer horizontalen
Polanordnung kann die Schwerkraft durch Anbringung einer Kapillarstruktur in der
Rohr innenwandung (nicht gezeichnet) durch kapillarkraft ersetzt wer den. In dieser
Ausführung ist der gesamte Schalterpol in Ver= bindung mit dem Isolierrohr 22 und
dem Deckel 27 mit den Kühl= rippen 28 als Wärmerohr ausgebildet.
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Das Wä.rmerohr bzw. der Schalterpol können wahlweise vakuumdicht verschlossen
sein, so daß auch Flüssigkeiten mit niedrigem Siede punkt einsetzbar sind, oder
durch eine bohrung bzw. durch ein Ventil mit der Außenatmosphäre verbunden sind.
Das Ventil würde.
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nach kurzschlußschaltungen einen allmählichen Druckabbau gewähr= leisten.