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Druckgas-Hochspannungsschalter
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Die Erfindung bezieht sich auf einen Druckgas-Hochspannungsschalter
mit mindestens einer Düse zur Beblasung des Schaltlichtbogens.
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Die Löschfähigkeit eines gasbeblasenen Schaltlichtbogens hängt entscheided
von den Strömungsverhältnissen in der Schalterdüse ab. Die Leitfähigkeit des Lichtbogens
klingt nach dem Strom-Null-Durchgang um so schneller ab, je höher die Geschwindigkeit
des Löschmittels ist, das zur Beblasung herangezogen wird. Es ist daher anzustreben,
hohe Geschwindigkeiten, insbesondere im Überschallbereich, zu erreichen.
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Eine Überschallströmung läßt sich nicht allein durch die Düsenform
beeinflussen; entscheidend ist vielmehr bei der gegebenen Düsenform das Verhältnis
von Kesseldruck zu Gegendruck. Uei Drti<rkluftschaltern ist dieses Verhältnis
relativ hoch im Vergleich ZU autopneumatischen Schaltern, bei denen dieses Verhältnis
von PumE)endruck zum Gegendruck in der Düse wesentlich geringer ist, bedingt durch
den relativ hohen Umgebungsdruck. Aus Gründen der Spannungsfestigkeit ist bei diesen
Schaltern nämlich der Gegendruck verhältnismäßig der Gegendruck verhältnismäßig
hoch (ca. 6 bar). Der Pumpendruck erreicht mit realistischen Antrieben Werte, die
nur etwa 4 - -5 mal höher sind. Im Gegensatz zu Druckluftschaltern, bei denen die
Druckverhältnisse run<1 zehnmal größer sind, wird hier bei autopneumatischen
Schaltern die Sch;rlL-geschwindigkeit aus den oben erwähnten Gründen nicht wesentlich
überschritten. Dadurch löst der Gasstrahl von der DUsenwand ab und verläuft nahezu
parallel.
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Bei einem als autopneumatischen Schalter ausgebildeten Druckga -schalter
sind daher die Strömungsverhältnisse in der Düse beso.rr.
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ungünstig. Jedoch sind auch bei Zweidruckschaltern bzw. auch E Druckluftschaltern
Verbesserungen der Strömungsbedingungen in DUse anzustreben.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Löscheigenschaften eines
Druckgas-Hochspannungsschalters mit mindestens einer Düse zur Beblasung des Schaltlichtbogens
durch günstigere Strömungsbedingungen in der Düse zu verbessern.
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Die Lösung dieser Aufgabe gelingt gemäß der Erfindung d.idurc-h, daß
mindestens ein Teil der Innenwand der DUse zuminclest während eines Teiles des Ausschaltvorganges
mit einem partiell im Bereich der Düse einen Unterdruck gegenüber dem Betriebs-Umgebungsdruck
vorgegebenen Raum verbindbar ist.
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Bei dem erfindungsgemäßen Druckgas-Hochspannungsschalter läßt sich
durch den Unterdruck partiell an der Düsenwand, d. h. durch dieX Reduzierung des
GegendruckesRin diesem Bereich, eine stärkere A@@-weitung des Gasstrahles und damit
eine stärkere Explosion des Gases bzw. eine höhere Strömungsgeschwindigkeit erzielen.
Dies wirkt sich vorteilhaft auf das Löschverhlten aus.
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Beim autopneumatischen Schalter läßt sich'der Unterdruck im für die
Löschung des Lichtbogens entscheidenden Zeitintervall realisieren, in dem man die
Bewegung des Kompressionszylinders zusätzlich zum Absaugen des Gases heranzieht,
d. ht durch einc schnellt' Vergrößerung des Volumens hinter dem Kompreseionskolbon
bei dor Ausschaltbewegung wird ein Unterdruck erzeugt, wobei dieses Volumen durch
entsprechend ausgebildete Strömungikanäle mit der Düseninnenwand verbunden wird,
so daß das Gas von der Düsenwand
abgesaugt wird und in der Umgebung
des ausströmenden Gc ;trdhl.
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ein Unterdruck entsteht. Das für die Strömungsgeschwindigkeit masgebende
Verhältnis von Pumpendruck zum Gegendruck in der Düse 'nn durch diese Maßnahme stark
erhöht werden, ohne wesentlich mehr Antriebskraft zur Verfügung stellen zu müssen.
Der zusätzliche Kraftaufwand für die Erzeugung des Unterdruckes ist erh@blich geringer,
ca. nur 30 %, als er zur Erzielung verglei(-ht cr Dr@@-verhsltnisse durch reine
Kompression nötig ware.
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Bereits durch eine Reduzierung des Betriebs- d. h. Gegendrucke von
6 bar auf 1 bar partiell an der Düseninnenwand, läßt sich eine stärkere Strahlexpansion
und damit eine höhere Strömungsgeschwin-lig keit erzielen. Bei hinreichend niedrigem
Gegendruck kann sogar ene Strahlablösung verhindert werden.
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Das physikalische Verhalten von Gasströmungen in einer llfise abhängig
von dem Druck in der Düse ist seit langem bekannt; Prandtl, Strömungslehre, Seite
135, Vieweg Braunschweig, 1949.
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Dennoch hat diese bekannte physikalische Tatsache auf den Konstrukteur
von Druckgas-Hochspannungsschalternkeinen Einflun dahingehend ausüben können, daß
er in der Düse einen Unterdruck erzeutlt, um die Strömungseigenschaften zu verbessern.
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Es ist auch ein Mittelspannungsschalter bekannt, bei dem durch gegenläufige
Bewegungen zwischen zwei Teilen ein verhältnismäßig großer Raum hinter der Düse
im Druck erniedrigt wird, jedoch erfolgt in diesem bekannten Fall im Gegensatz zur
Erfindung die Druck änderung nicht partiell im Düsenbereich.
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Die Druckerniedrigung im gesamten Raum ist daher im bekannten Fall
so niedrig, daß sie auf die Gasströmung im Düsenbereich praktisch keinen Einfluß
hat.
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Anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungspieles wird
die Erfindung näher erläutert. Die einzige Figur dur Zeicinung zeigt das Leistungskontaktsystem
sowie die Schaltstreckenpumpe eines autopneumatsichen--Druckgas-Hochspannungsschalters,
dassiiin nicht dargestellter Weise innerhalb einer Gasatmosphäre befindet, wobei
das Gas meist ein SF6-Gas ist. Dieses Gas besitzt üblicherweise~einen Betriebsdruck
von ca. 6 bar.
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Bei vorgenannten autopneumat i.chen Druckgasschaltern findet dit Erfindung
wegen des dort ungünstigen Pumpverhältnisses besonders vorteilhaft Anwendung. -
Sie kann jedoch auch bei: anderen Druckgasschaltern Anwendung finden, Die obere
Hälfte der einzigen Figur zeigt den Schalter in der Stellung AUS, die untere Hälfte.den
Schalter in der Stellung EIN.
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Das Leistungskon-t'aktsystem besteht aus dem feststehenden Kontak
t( 6) und dem beweglichen Kontakt 5. Die Schaltstreckenpumpe besteht als einem Kompressions-
bzw. Pumpzylinder (13), der mit einem feststehenden Kolben (2) zusammenwirkt; An
dem Zylinder (13) ist stirnseitig eine Düse (1) aus Isolierstoff vorgesehen, die
Querbohrungen (11) aufweist. Diese Düse ist an sich durch die DE-OS2710 868 bekannt
geworden. Der bewegliche Schaltstift (5) und der Pumpzylinder (13) werden in nicht
dargestellter Weise von dem Antrieb des Schalters bewegt, während der Kompressionskolben
(2) f:.Lstt'ht.
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Der Pumpzylinder (13) weist einen Fortsatz (13a) auf, d.r mittels
einer Dichtung (10 a) gegenüber dem feststehenden Kompressionskolben
abgedichtet
ist. Am stirnseitigen Ende dieses Kompressionskolbens ist eine Dichtung (lOb) zwischen
Kompressionskolben und Kompressionszylinder torgesehen. Dadurch ist hinter dem Kompressionskolben
(2) ein Raum (4) vorgesehen, der abgedichtet ist und der bei bei der Bewegung des
Kompressionszylinders (13) während der Ausschaltbewegung nach links fortwährend
vergrößert wird, d.h. expandiert, so daß in diesem Raum (4) ein Unterdruck bei der
Ausschaltbewegung entsteht. In dem zylindrisch ausgebildeten Kompressionszylinder
(13) ist ein Ringkanal (9) vorgeseEwen, der auf der einen Seite mit den Querbohrungen
(11) der Düse (1) verbunden ist und der auf der anderen Seite über Schlitze (8)
in der Innenwand des Pumpzylinders (13), wobei zwischen zwei benachbartXn Schlitzen
ein Steg vorhanden ist, mit dem Expansionsraum (4) verbunden ist. Der feststehende
Kompressionskolben (2), der mittels einer Dichtung (14) gegenüber dem beweglichen
Schaltsti (5>abgedichtet ist, besitzt einen ringförmigen Schirm (7), der sich
1i der Stellung ftEINt in einem Ringkanal (12) innerhalb des Fortsates (13a) befindet.
Dieser Schirm (7) deckt die Schlitze (8) am Anfang der Ausschaltbewegung ab, bis
das Schirmende jenseits der Dichtung (10b) liegt, d.h. die Schlitze 8 freigibt.
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Die Wirkungsweise des dargestellten Schalters ist folgende: Angenommen,
der Schalter befände sich in der Stellung gIN, die Ir.
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unteren Bildteil dargestellt ist Bei der Ausschaltung wird der Kompressionszylinder
(13) und damit die Düse (1) sowie der Schaltstift (5) nach links bewegt. Sobald
sich der Schaltstift (5) vom Gegenkontakt (6) trennt, entsteht der Lichtbogen. Bei
der Ausschalt bewegung wird das Löschgas im Raum (3) kompremiert und strömt durch
die Düse (1) aus, wobei der Lichtbogen axial gekühlt wird. Dies~lst das bekannte
Prinzip eines autopneumatsichen Schalters.
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Zur Erzeugung eines Unterdruckes an der Düseninnenwand wird gemä.3
einer Ausgestaltung der Erfindung der Unterdruck benutzt, der bei der Ausschaltbewegung
hinter dem Kompressionskolben entsteht. zwei der Ausschaltung wird nämlich der Raum
(4) hinter dem K mpr('ssi(I0r kolben (2) rasch vergrößert, so daß dort ein Unterdruck
entsteht.
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Nach einem durch die Länge des Schirmes (7) wählbaren Weg werden die
Schlitze (8) freigegeben. Über den zylindrischen Strömungskanal (9) und die Bohrungen
(11) wird jetzt der Unterdruck an die Düseninnenwand weitergegeben, so daß dort
das Gas von der DüsenwinG abgesaugt wird. Das für die Strömungsgeschwindigkeit maßgebend
Verhältnis von Pumpendruck zum Gegendruck in der Düse kann durch diese Mannahme
stark erhöht werden, ohne wesentlich mehr Antri<'b:-kraft zur Verfügung stellen
zu müssen. Es läßt sich dadurch eine stärkere Aufweitung des Gasstrahles erzielen,
damit eine stärkere Expansion des Gases und damit höhere Strömungsgeschwindigkeiten.
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Dies wirkt sich vorteilhaft auf das Löschverhalten aus. Der wesentliche
Vorteil des Schalters nach der Erfindung liegt daher in der Ver besserung der Löscheigenschaften
durch günstigere Strömungsbedingungen in der Düse. Durch einen entsprechend hohen
Unterdruck ldat sich eine weitgehende Anschmiegung des Gasstrahles an die Düsenform
erreichen.
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Um schon zu Beginn der Bewegung eine rasche Volumenvergrößerung zu
erreichen, ist der Schirm (7) in der "EIN"-Stellung in den Ringspalt (12) eingefahren.
Dieser ist jedoch nicht wie die anderen gleitenden Flächen durch Dichtungsringe
völlig abgedichtet, so daß bei der Einschaltbewegung ein zu hoher Überdruck in diesem
Raum vermleflon wird. Wahlweise kann jedoch der Schirm (7) gegenüber des Ringspalt
(12) durch Dichtringe abgedichtet werden und ein @@er nicht dargestelltes Ventil
im Kolbenboden (2) oder im Fortsatz (13a) des Pumpzylinders vorgesehen werden, welches
für den Druckausgleich im Raum (4) bei der Einschaltbewegung sorgt.
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Gegenüber dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind grundsätzli(-.h
auch andere konstruktive Anordnungen denkbar, um einen Unterdruck partiell im Bereich
der Düseninnenwand zu erzeugen.
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Wie bereits eingangs erwähnt, ist-die Erfindung nicht beschränkt auf
autopneumatische Schalter, insbesondere solche, bei denen din Düse an einem beweglichen
Kompressionszylinder befestigt ist, I>eschrtinkt, wenn gleich auch die Erfindung
mit besonderem Vorteil bei diesen Schaltern anwendbar ist. Durch die Maßnahme nach
der Erfindung - Erzeugung eines Unterdruckes partiell im Bereich der Düsenwand -
läßt sich auch bei anderen Druckerschaltern, insbesondere Zwekh=schaltern und auch
bei Druckluftschaltern anwenden und verbessert dort die Strömungsverhältnisse im
Bereich der Düse, wenn gleich auch dort die erzielten Verbesserungen graduell nicht
so bedeutend sind, weil die Druckverhältnisse bei diesen Schaltern günstiger sind.
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