DE2438017A1 - Druckgasschalter - Google Patents

Druckgasschalter

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Horst Dr Ing Kopplin
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    • H01ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01H33/70Switches with separate means for directing, obtaining, or increasing flow of arc-extinguishing fluid
    • H01H33/7015Switches with separate means for directing, obtaining, or increasing flow of arc-extinguishing fluid characterised by flow directing elements associated with contacts
    • H01H33/7038Switches with separate means for directing, obtaining, or increasing flow of arc-extinguishing fluid characterised by flow directing elements associated with contacts characterised by a conducting tubular gas flow enhancing nozzle
    • H01H33/7053Switches with separate means for directing, obtaining, or increasing flow of arc-extinguishing fluid characterised by flow directing elements associated with contacts characterised by a conducting tubular gas flow enhancing nozzle having a bridging element around two hollow tubular contacts

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Druckgasschalter mit einem rohrförmigen Kontaktstück und einem diesem axial zugeordneten Kontaktstück, zwischen denen beim Ausschalten unter Last ein Lichtbogen gezogen wird, der von einer Druckgasströmung beblasen wird, und mit einem im Zuge der Druckgasströmung angeordneten Turbulenzgitter.
Unter der Bezeichnung Turbulenzgitter wird hierbei ein die Druckgasströmung unterteilendes Mittel verstanden, durch das mehrere, voneinander unabhängige Gasstrahlen erzeugt werden. Bei einem aus der DT-AS 1 064 592 bekannten Druckgasschalter mit geschlossener Löschkammer sind durch konstruktiv bedingte Maßnahmen, z.B. Krümmer, im Verlauf der Druckgasführung zur Schaltkammer Strömungswirbel zu erwarten, die Verluste in der Löschleistung hervorrufen können. Zur Beseitigung derartiger Strömungswirbel ist ein die Strömung unterteilendes Mittel, d.h. ein Turbulenzgitter, vorgesehen, das als Lochscheibe ausgebildet ist. In der Lochscheibe sind die Löcher rotationssymmetrisch angeordnet. Der die Lochscheibe aufnehmende Raum zur Führung des Druckgases ist derart kegelförmig gestaltet, daß sich der Querschnitt in Richtung zur Lochscheibe allmählich erweitert. Mit Hilfe der Lochscheibe wird der Druckgasstrahl in mehrere Strahlen unterteilt, welche voneinander unabhängig sind. Hierdurch v/erden in der Strömung bestehende Wirbel zerschlagen und Ungleichheiten ausgeglichen.
Ausgehend von einem Druckgasschalter der eingangs genannten Art liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, den zwischen den Kontakten gezogenen Lichtbogen zu stabilisieren, ohne den Verbrauch an Druckgas zu steigern.
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Nach der Erfindung wird dies dadurch gelöst, daß das Turbulenzgitter als ein mantelseitig gelochtes Isolierstoffrohr ausgebildet ist, das im Verlauf der Ausschaltbewegung den Lichtbogenbrennraum unmittelbar umgibt. Bei der Erfindung ist das Turbulenzgitter damit eine Wand, die eine Trennung zwischen dem Brennraum und dem Üruckgasraum ermöglicht. Diese Wand ist für das Druckgas durchlässig, dagegen für den brennenden Lichtbogen undurchlässig.
Bei Ausbildung des Druckgasschalters nach der Erfindung als Blaskolbenschalter, d.h. bei Anordnung einer aus Kolben und Zylinder bestehenden Blaseinrichtung zur Erzeugung der Druckgasströmung, ist das Isolierstoffrohr mit dem beweglichen Teil der Blaseinrichtung gekoppelt und wird über zumindest eines der Kontaktstücke gezogen.
In Blaskolbenschaltern wird der Schaltlichtbogen grundsätzlich einer im wesentlichen laminaren Anströmung ausgesetzt. Erst im Abströmgebiet durch das eine rohrförmige Kontaktstück erreicht die sich an den Düsenwandungen entwickelnde Turbulenz die Düsenachse. Durch den Einbau des als mantelseitig gelochtes Isolierstoffrohr ausgebildeten Turbulenzgitters werden auch das Düseneinlaufgebiet und das Staugebiet mit turbulenter Strömung versorgt. Die gesamte Lichtbogensäule wird somit turbulent gekühlt, so daß sich eine schnellere dielektrische Verfestigung ergibt.
Durch Anwendung der Erfindung ist es möglich, die höhere " Wärmeleitfähigkeit eines turbulent strömenden Gases gegenüber einem laminar strömenden Gas für das gesamte Lichtbogengebiet auszunutzen. Das den Lichtbogenbrennraum im Verlauf der Ausschaltbewegung unmittelbar umgebende Turbulenzgitter bewirkt eine intensive Kühlung des Lichtbogens durch Turbulenz.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform des Druckgasschalters
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nach der Erfindung sind die Kontaktstücke feststehend angeordnet und von einem beweglichen Überbrückungsschaltstück in
der Einschaltstellung elektrisch leitend überbrückt, das mit
dem beweglichen Teil der Blaseinrichtung gekoppelt ist. Dabei kann das Isolierstoffrohr mit der freien Stirnseite des Überbrückungsschaltstückes starr verbunden sein und eine elektrische Isolierung für eineistirnseitig vom Überbrückungsschaltstück getragenen abbrandfesten Gleitkrmtaktring bilden, der
beim Ablauf vom einen feststehenden Kontaktstück mit dem anderen Kontaktstück elektrisch leitend verbunden wird.
Besonders vorteilhaft ist das Isolierstoffrohr· mit dem gegenüber dem feststehenden Kolben der Blaseinrichtung beweglichen Zylinder starr verbunden,· wobei bevorzugt das Isolierstoffrohr das Ablaufschaltstück an seinem freien Ende dicht umgibt.
Der für den Durchtritt des Druckgases wirksame Querschnitt
des Isolierstoffrohres kann etwa halb so groß sein wie der
Querschnitt des zur Abfuhr der Lichtbogengase bestimmten rohrförmigen Kontaktstückes. Man erhält dadurch eine Verkleinerung des Gasdurchsatzes und damit auch eine Verkleinerung des Antriebs und der kraftübertragenden Isolierteile des Druckgasschalters.
Bei Druckgasschaltern, insbesondere Blaskolbenschaltern, wird der Gasverbrauch und damit die Auslegung des Antriebs wesentlich durch den Düsendurchmesser der zur Abfuhr von Schaltgasen hohl ausgebildeten KontaktstüGke bestimmt. Dieser Düsendurchmesser muß, um eine ausreichende Anströmungsgeschwindigkeit
des Druckgases gegen den Lichtbogen zu bekommen, in einem bestimmten Verhältnis zum Abstand der beiden Kontaktstücke voneinander, der der Löschdistanz entspricht und durch die Spannungsbeanspruchung des Druckgasschalters gegeben ist, stehen.
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Wenn man den für den Durchtritt des Druckgases wirksamen Querschnitt des Isolierstoffrohres etwa halb so groß macht wie den Querschnitt des zur Abfuhr des Lichtbogengases bestimmten rohrförmigen Kontaktstückes, kann die Löschfähigkeit bei verkleinertem Antrieb gesteigert v/erden. Außerdem ist es möglich, Schaltstrecken für höhere Spannungsbeanspruchungen zu bauen, ohne den Durchmesser der zur Abfuhr von Lichtbogen und Schaltgasen rohrförmig ausgebildeten Kontaktstücke zu vergrößern.
Wenn man, wie das bei einer Auführungsform gemäß der Erfindung vorgesehen ist, das Isolierstoffrohr aus Polytetrafluoräthylen fertigt, wird bei sehr großen abzuschaltenden Strömen und der dadurch gegebenen starken Lichtbogenentwicklung durch Verdampfung des Polytetrafluoräthylens zusätzlich Löschgas erzeugt, das in seiner Zusammensetzung sehr ähnlich dem thermisch zersetzten Schwefelhexafluorid ist. Diese Ausführungsform ist daher besonders gut geeignet für einen Druckgasschalter, dem als Lösch- und Isoliermittel unter Druck stehendes SFg verwendet wird. Damit kann das Abschaltvermögen des Druckgasschalters wirksam gesteigert werden. Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des Druckgasschalters nach der Erfindung sind die Durchtrittsöffnungen für das Druckgas bildenden Löcher des Isolierstoffrohres in Umfangsrichtung gleichmäßig über dessen Mantelfläche verteilt angeordnet. Dabei können die Löcher in axialer und/oder azimutaler Richtung eine ungleiche Verteilung aufweisen. Es ist auch möglich, daß die Löcher unterschiedliche Durchmesser haben. Ferner ist eine Ausführungsform gemäß der Erfindung als vorteilhaft anzusehen, bei der Durchtrittsöffnüngen auf der dem Lichtbogenbrennraum abgewandten Seite eine erweiterte Randkontur haben.
Um die Strömungsverhältnisse im Inneren des Lichtbogenbrennraumes günstig auszubilden, ist bei einer weiteren Ausführungs-
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form gemäß der Erfindung vorgesehen, daß die Löcher des Isolierstoffrohres mit kleinsten und größten Durchmessern auf diametral gegenüberliegenden Seiten je einer zu einer Radialebene gehörenden Lochreihe angeordnet sind und daß die Lochreihen untereinander in einem Winkel gegeneinander versetzt sind.
Anhand der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele für einen Druckgasschalter nach der Erfindung beschrieben und die Wirkungsweise erläutert.
In Fig. 1 ist ein elektrischer Druckgasschalter zum Teil in einem Längsschnitt dargestellt. In Fig. 2 ist die Löscheinrichtung des Druckgasschalters nach der Erfindung in einem Längsschnitt schematisch gezeichnet. Die Fig. 3 zeigt in einem Ausschnitt ein Teil der Löscheinrichtung nach Fig. 2.
In Fig. 4 ist ein Teil der Löscheinrichtung als weitere Ausführungsform gemäß der Erfindung schematisch im Schnitt dargestellt.
Der in Fig. 1 dargestellte Hochspannungsschalter für beispielsweise 110 kV, in dem Schwefelhexafluorid als Lösch- und Isoliermittel verwendet wird, ist der Einfachheit halber nur mit den zum Verständnis der Erfindung erforderlichen Teilen ohne die auf Erdpotential liegenden Schalterteile, den Antrieb und die Stützisolatoren gezeichnet. Der als Druckgasschalter aufgebaute elektrische Schalter weist eine z.B. aus Porzellan bestehende Schaltkammer 1 auf, die an ihrem oberen Ende ein nicht weiter dargestelltes AnschlußstUck trägt. An diesem Anschlußstück ist ein in das Innere der Schaltkammer 1. ragender metallischer Hohlkörper 2 befestigt, der ein feststehendes Kontaktstück 3 trägt. Dem Kontaktstück 3 liegt ein feststehendes Kontaktstück 4 gegenüber. Beide Kontaktstücke
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und 4 sind zur Abführung der Schaltgase hohl ausgebildet und an ihren gegenüberliegenden Stirnseiten düsenförmig gestaltet.
Die beiden feststehenden Kontaktstücke 3 und 4 sind in der Einschaltstellung durch ein Uberbrückungsschaltstück 6 verbunden, das rohrförmig ausgebildet ist. Im Inneren des rohrförmigen Uberbrückungsschaltstückes 6 sind federbelastete Lamellen 7 gelagert, die mit vorbestimmtem Kontaktdruck mit ihren Kontaktflächen 8 gegen die feststehenden Kontaktstücke 3 und 4 gedruckt sind. Das Uberbrückungsschaltstück 6 trägt einen Gleitkontaktring aus lichtbogenfestem, elektrisch leitendem Material unter Zwischenlage einer elektrischen Isolierung 10. Das rohrförmige Uberbrückungsschaltstück 6 ist in einen Koppelkörper 18 eingeschraubt, der über Befestigungselemente 19 mit einem Isolierstoffrohr 20 verbunden ist, das einen Blaszylinder bildet.
Der Blaszylinder trägt auf seiner Stirnseite 21 einen Düsenkörper, der das feststehende Kontaktstück 3 umgibt. Das Isolierstoff rohr 20 ist beispielsweise aus einem Stück, z.B. aus faserverstärktem Kunststoff, hergestellt. Das Isolierstoffrohr 20 wird während der Ausschaltbewegung gemeinsam mit dem Uberbrückungsschaltstück 6 über einen feststehenden Kolben 24 gezogen, so daß eine Löschmittelströmung bereitgestellt v/ird. Am Koppelkörper 18 greifen Zugstangen 12 an, die an einem Bolzen 13 beweglich gelagert sind. Mit den Zugstangen 12 ist ein nicht näher dargestelltes Antriebsglied gekoppelt, das den Schalter aus der rechts der Mittellinie gezeichneten Einschaltstellung in die links dargestellte Ausschaltstellung bewegt.
Die Schaltkammer 1 ist vollständig mit Schwefelhexafluorid unter einem Druck von beispielsweise 4 bar gefüllt. Beim Ausschalten bewegt sich das Schaltstück 6 zusammen mit dem Rohr 20 von oben nach unten. Dabei wird das innerhalb des Rohres 20 vor-
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handene Schwefelhexafluorid komprimiert, weil es beim Beginn der Ausschaltbewegung noch nicht abströmen kann. Erst wenn das Rohr 20 etwa die Hälfte seines Hubes zurückgelegt hat, gleiten die Kontaktlamellen 7 des Überbrückungsschaltstückes 6 und der Gleitkontaktring 9 vom feststehenden Kontaktstück 3 ab (Ablaufkontaktstück), so daß mit der galvanischen Trennung ein Auslaßquerschnitt entsteht. Durch diesen strömt das bis dahin komprimierte Schwefelhexafluorid in die von den beiden feststehenden Kontaktstücken 3 und 4 gebildeten Abströmdüsen. Der Lichtbogen wird dabei vom Gleitkontaktring 9 auf die am Kontaktstück 4 vorgesehenen Abbrandelektroden aus lichtbogenfestem Material kommutiert und durch die günstigen Strömungsverhältnisse, die an den Düsen vorliegen, gelöscht.
In der Ausschaltstellung ist die Trennstrecke zwischen den Kontäktstücken 3 und 4 frei. Es herrscht nur eine geringe Feldstärke, weil die Kontaktstücke als großflächige Elektroden ein gleichmäßiges Feld ergeben.
Wie die Fig. 2 erkennen läßt, ist im Zuge der Druckgasströmung ein Turbulenzgitter 30 angeordnet, das als mantelseitig' gelochtes Isolierstoffrohr ausgebildet ist. Dieses Isolierstoffrohr 30 umgibt im Verlauf der Ausschaltbewegung den Lichtbogenbrennraum zwischen den Kontaktstücken 3 und 4 unmittelbar. Auf diese Weise ergibt sich in dem den Lichtbogen umgebenden Anströmgebiet keine laminare, sondern eine turbulente Druckgasströmung. Dies bedingt einen zusätzlichen Energietransport senkrecht zu den Stromlinien, so daß die Abfuhr der im Lichtbogen umgesetzten Leistung im Vergleich zu einer laminaren Strömung vervielfacht ist. Dadurch kann die Restlichtbogensäule schneller abgekühlt und abgebaut werden. Es ist möglich, auf diese Weise auch Einfluß auf die Lichtbogenbrennspannung zu nehmen, die vor dem Nulldurchgang des Wechselstromes vergrößert wird, weil dann der Bogenwiderstand vergrößert ist. Insgesamt ergeben sich
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durch Anordnung eines Turbulenzgitters im Sinne der Erfindung günstige Löschbedingungen.
Ersichtlich ist das Isolierstoffrohr 30 mit dem beweglichen Teil 20 der Blaseinrichtung gekoppelt und über zumindest eines der Kontaktstücke 3 gezogen. In der Ausschaltstellung befindet sich der Blaszylinder 20 und das Isolierstoffrohr in einer das Kontaktstück 4 umgebenden Lage, so daß die Trennstrecke zwischen den Kontaktstücken 3 und 4 freibleibt.
Das als Isolierstoffrohr ausgebildete Turbulenzgitter 30 ist mit der freien Stirnseite 31 des Uberbrückungsschaltstückes starr verbunden. Es bildet einen Teil der elektrischen Isolierung 10 für den vom Überbrückungsschaltstück 7 getragenen abbrandfesten Gleitkontaktring 9» der beim Ablauf von dem Kontaktstück 3 mit dem anderen Kontaktstück 4 elektrisch leitend verbunden wird. Auf der anderen Seite ist das Isolierstoff rohr 30 mit dem Kolben 20 starr verbunden, wobei die Stirnseite des Turbulenzgitters 30 das Ablaufschaltstück 3 an seinem freien Ende dicht umgibt.
Der für den Durchtritt des Druckgases wirksame Querschnitt des Isolierstoffrohres 30 kann etwa halb so groß wie der Querschnitt der zur Abfuhr der Lichtbogengase bestimmten rohrförmigen Kontaktstücke 3 und 4 gemacht sein. Man erhält auf diese Weise eine definierte gedrosselte Anströmung, mit der die Löschfähigkeit bei gleichzeitiger Verkleinerung des Antriebes gesteigert werden kann. Es hat sich gezeigt, daß die Verkleinerung des wirksamen Lochquerschnittes im Isolierstoff rohr 30 eine Verkleinerung des Blaskolbenquerschnittes und des Antriebes, d.h. eine Verkleinerung der Antriebskraft ermöglicht. Die. scharf gebündelten Druckgasstrahlen haben auch bei kleineren Kompressionsverhältnissen große Geschwindigkeiten und engen den Lichtbogen ein, so daß das Einlaufen des Licht-
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bogens in das Innere der hohlen Kontaktstücke 3 und 4 begünstigt wird.
Die Anordnung des rohrförmigen Turbulenzgitters 30 erlaubt es, Spannungs- und Stromforderungen, die an den Druckgasschalter gestellt werden, weitgehend unabhängig voneinander zu erfüllen.
Das Turbulenzgitter 30 kann aus Polytetrafluoräthylen bestehen. In diesem Fall wird bei sehr großen Strömen durch Verdampfung des Isolierstoffmaterials zusätzliches Gas frei, das in seiner Zusammensetzung dem thermisch zersetzten Schwefelhexafluorid ähnlich ist und das Abschaltvermögen des Schalters nach der Erfindung steigert.
Insgesamt wird das durch den Lichtbogen aufgeheizte Gebiet durch das Turbulenzgitter begrenzt. Dadurch wird zum einen der Druck des Druckgases gesteigert und zum anderen die zur Abfuhr heißer, unerwünschter Schaltgase erforderliche Zeit verringert.
Die üurchtrittsöffnungen für das Druckgas bildenden Löcher 32 des Isolierstoffrohres 30 können in Umfangsrichtung gleichmäßig über dessen Mantelfläche verteilt angeordnet sein, wie die B^igur 2 erkennen läßt. Es ist jedoch auch möglich, daß die Löcher in axialer und/oder azimutaler Richtung eine ungleiche Verteilung aufweisen. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Löcher 32, wie die Figur 4 zeigt, unterschiedliche Durchmesser haben. Bei der in Fig. 4 dargestellten Ausführungsform des Turbulenzgitters 30 sind die Löcher 32 mit kleinsten und größten Durchmessern auf diametral gegenüberliegenden Seiten je einer zu einer Radialebene gehörenden Lochreihe angeordnet, wobei die Lochreihen untereinander in einem Winkel gegeneinander versetzt sind. Auf diese Weise ist es möglich, den Abbau des im Stäubereich normalerweise verbleibenden Gasvolumens zu beschleunigen. Bei dem in Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel
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sind die Lochreihen in einem Winkel von 180° gegeneinander versetzt. Die Figur 3 zeigt, daß die Löcher 32 auf der dem Lichtbogenbrennraum zwischen den Kontaktstücken 3 und 4 abgewandten Seite eine erweiterte Randkontur haben, was einerseits für den Aufbau des Druckes in der Blaseinrichtung vorteilhaft ist und andererseits zu einem erwünschten Druckstau im Lichtbogenbrennraum führt.
4 Figuren
12 Ansprüche
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Claims (12)

  1. VPA 74/3781 - 11 -
    Patentansprüche
    'ruckgasschalter mit einem rohrförmigen Kontaktstück und einem diesem axial zugeordneten Kontaktstück, zwischen denen beim Ausschalten unter Last ein Lichtbogen gezogen wird, der von einer Druckgasströmung beblasen wird, und mit einem im Zuge der Druckgasströmung angeordneten Turbulenzgitter, da~ durch gekennzeichnet, daß das Turbulenzgitter als mantelseitig gelochtes Isolierstoffrohr (30) ausgebildet ist, das im Verlauf der Ausschaltbewegung den Lichtbogenbreniiraum unmittelbar umgibt.
  2. 2. Druckgasschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Anordnung einer aus Kolben (24) und Zylinder (20) bestehenden Blaseinrichtung zur Erzeugung der Druckgasströmung das Isolierstoffrohr (30) mit dem beweglichen Teil (20) der Blaseinrichtung gekoppelt und über zumindest eines der Kontaktstücke (3) gezogen wird.
  3. 3. Druckgasschalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktstücke (3, 4) feststehend angeordnet und von einem beweglichen Uberbrückungsschaltstück (7) in der Einschaltstellung elektrisch leitend überbrückt sind, das mit dem beweglichen Teil (20) der Blaseinrichtung gekoppelt ist.
  4. 4. Druckgasschalter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Isolierstoffrohr (30) mit der freien Stirnseite (31) des uberbrückungsschaltstückes (7) starr verbunden ist und eine elektrische Isolierung (10) für einen stirnseitig vom Uberbrückungsschaltstück (7) getragenen abbrandfesten Gleitkontaktring (9) bildet, der beim Ablauf vom einen feststehenden Kontaktstück (3) mit dem anderen Kontaktstück (4) elektrisch leitend verbunden wird.
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  5. 5. Druckgasschalter nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß das Isolierstoffrohr (30) rait dem gegenüber dem feststehenden Kolben (24) der Blaseinrichtung beweglichen Zylinder (20) starr verbunden ist und das Ablauf~ schaltstück (3) an seinem freien Ende dicht umgibt.
  6. 6. Druckgasschalter nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der für den Durchtritt des Druckgases wirksame Querschnitt des Isolierstoffrohres (30) etv/a halb so groß ist wie der Querschnitt der (des) zur Abfuhr der Lichtbogengase bestimmten rohrförmigen Kontaktstücke(s).
  7. 7. Druckgasschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Isolierstoffrohr (30) aus Polytetrafluoräthylen best eh.t.
  8. 8. Druckgasschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchtrittsöffnungen (32) für das Druckgas bildenden Löcher des Isolierstoffrohres (30) in Uinfangsrichtung gleichmäßig über dessen Mantelfläche verteilt angeordnet sind.
  9. 9. Druckgasschalter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Löcher in axialer und/oder azimutaler Richtung eine ungleiche Verteilung aufweisen.
  10. 10. Druckgasschalter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Löcher (32) unterschiedliche Durchmesser haben.
  11. 11. Druckgasschalter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchtrxttsöffnungen (32) auf der dem Lichtbogenbrennraum (33) abgewandten Seite eine erweiterte Randkontur (34) haben.
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  12. 12. Druckgasschalter nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Löcher (32) mit kleinsten und größten Durchmessern auf diametral gegenüberliegenden Seiten Je einer zu einer Radialebene gehörenden Lochreihe angeordnet sind und daß die Lochreihen untereinander in einem Winkel gegeneinander versetzt sind.
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