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DRUCKCASSCHALTER
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Die Erfindung betrifft einen Druckgasschalter der im Oberbegriff des
Patentanspruches 1 genannten Gattung.
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Ein solcher Schalter ist beispielsweise aus der CH-PS 588 154 oder
aus der dieser weitgehend entsprechenden DE-PS 2 329 501 bekannt.
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Bei diesen beweglichen Schalter ist das bewegliche, rohrförmige Kontaktstück
in einer rohrförmigen, am Pumpkolben auf dessen dem Pumpraum des Pumpzylinders abgekehrten
Seite angeformten Führungsnabe geführt.
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Diese Führungsnabe besitzt ebenfalls radial durchgehende Oeffnungen,
mit denen die Ausblasöffnungen im beweglichen Kontaktstück erst im Zuge des Ausschalthubes
zur Fluchtung gelangen. Der Abstand der Ausblasöffnungen im beweglichen Kontaktstück
vom Boden des Pumpzylinders ist grösser als die Länge des Schalthubes. Daraus ergibt
sich, dass die Ausblasöffnungen im beweglichen Kontaktstück in Einschaltstellung
auf alle Fälle und auch am Anfang des Ausschalthubes durch die Führungsnabe verschlossen
bleiben.
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Erfolgt nun ein Ausschalthub, erfährt das im Pumpzylinder befindliche
Löschgas beim bekannten Schalter eine Vorkompression. Das im Innern des beweglichen
Kontaktstückes
befindliche Löschgas erfährt dagegen keine oder keine nennenswerte Vorkompression,
solange der Schaltstift noch in das bewegliche Kontaktstück eingreift, da die Verbindung
zwischen dem Pumpraum und dem Inneren des beweglichen Kontaktstückes unterbunden
oder zumindest stark gedrosselt ist. Kurz bevor das bewegliche Kontaktstück den
Schaltstift verlässt, herrscht also ein Druckgefälle vom Pumpraum zum Inneren des
beweglichen Kontaktstückes hin. Sobald nun das bewegliche Kontaktstück den Kontaktstift
verlässt, zündet der Lichtbogen, der sofort eine erhebliche Drucksteigerung des
Gases im Beblasungsraum der Blasdüse zur Folge hat.
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Solange nun dieser Beblasungsraum noch verschlossen ist, entsteht
wegen des erwähnten Druckgefälles (und auch wegen der erwähnten Drucksteigerung)
ein kräftiger Gasstrom in das Innere des beweglichen Kontaktstückes, bis die Drücke
im Pumpzylinder und im beweglichen Kontaktstück ausgeglichen sind. Damit geht aber
auch ein Teil der Vorkompression verloren, die erst dann voll zum Zuge kommen sollte,
wenn der Beblasungsraum vom Schaltstift freigegeben wird.
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Darüberhinaus wird (zumindest solange als der Beblasungsraum noch
nicht freigegeben worden ist) ein Teil der durch den Lichtbogen hochgespannten und
ionisierten Gase zurück in die Blaskanäle und den vorderen Teil des Pumpraumes gedrückt,
so dass nach Freigabe des Beblasungsraumes und damit der Abströmmöglichkeit des
Löschgases zuerst noch während einer vergleichsweise längeren Zeitspanne erhitztes
und ionisiertes Gas durch die Blasdüse und durch das bewegliche Kontaktstück strömt,
was einer raschen Kühlung und Löschung des Schaltlichtbogens abträglich ist.
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Bei diesem Stand der Technik ist ein Zweck der Erfindung darin zu
sehen, einen Druckgasschalter der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem auch
im "kritischen" Moment, nämlich dann, wenn das bewegliche Kontaktstück den Schaltstift
verlassen hat, der Beblasungsraum der Blasdüse jedoch noch vom Schaltstift verschlossen
ist und ionisierte Gase in den Pumpraum zurückgedrückt werden, diese in den hinteren
Teil des Pumpraums gedrängt werden und damit die Vorkompression erhöhen, sowie eine
anschliessende Kühlung und Löschung des Lichtbogens nicht behindern. Ausserdem soll
die Durchtrittszeit der Ausblasöffnung des beweglichen Kontaktstückes möglichst
verringert werden, so dass die Abströmmöglichkeit des Löschgases durch das bewegliche
Kontaktstück hindurch praktisch nicht unterbrochen wird.
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Dieser Zweck wird bei dem vorgeschlagenen Druckgasschalter durch die
im kennzeichnenden Teil des vorangehenden Patentanspruches 1 festgelegten Merkmale
erreicht. Damit steht (auf alle Fälle in Einschaltstellung aber auch zu Beginn eines
Ausschalthubes) das Innere des beweglichen Kontaktstückes über die Ausblasöffnung
in Verbindung mit dem Pumpraum, so dass das Löschgas sowohl im Pumpraum als auch
im beweglichen Kontaktstück in gleichem Masse vorkomprimiert wird. Im genannten
"kritischen" Moment steht der vom Lichtbogen ausgehenden Druckwelle sowohl im Pumpraum
als auch im Inneren des beweglichen Kontaktstückes praktisch derselbe Druck entgegen.
Dies insbesondere dann, wenn der Abstand der Ausblasöffnung vom Boden des Pumpzylinders
etwa dem bis zum Erreichen der minimalen Löschdistanz zwischen dem Kontaktstift
und dem beweglichen Kontaktstück zurückzulegenden Teil des Schalthubes entspricht.
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Ausserdem wird die Durchtrittszeit der Ausblasöffnung durch den Pumpkolben
durch die gegensinnige Bewegung dessen vom beweglichen Kontaktstück durchsetzten
Teiles ganz erheblich gekürzt, so dass die Abströmmöglichkeit des Löschgases durch
das bewegliche Kontaktstück hindurch praktisch zu keiner Zeit unterbrochen ist.
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Das nicht vollständig vermeidbare Eindringen der erhitzten und ionisierten
Gase in den hinteren Teil des Pumpraumes ist von geringer Bedeutung, da bei der
Löschung und Kühlung des Lichtbogens das im vorderen Teil des Pumpraumes liegende,
kalte Löschgas durch den Beblasungsraum gepresst wird.
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Merkmale bevorzugter Ausführungsformen des vorgeschlagenen Druckgasschalters
sind den abhöngigen Patent ansprüchen zu entnehmen.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nachstehend anhand der Zeichnung
näher beschrieben. Es zeigt: Fig. 1 und 2 schematische Axialschnitte durch je eine
Ausführungsform, links jeweils in Einschaltstellung, rechts in Fig. 1 in einer Stellung
des Ausschalthubes, wo die Schaltstrecke etwa der minimalen Löschdistanz entspricht,
rechts in Fig. 2 dagegen in Ausschaltstellung Die dargestellten Bestandteile des
Druckgasschalters 10 sind in einem in Fig. 1 nicht und in Fig. 2 nur teilweise gezeigten
und mit einem Löschgas (beispielsweise SF6) unter Druck gefüllten Gehäuse G angeordnet.
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Die beweglichen Bestandteile des in Fig. 1 dargestellten Schalters
umfassen ein langgestrecktes, rohrförmiges Kontaktstück 11, dessen freies Ende durch
einen Kranz federnder Kontaktfinger 12 gebildet ist. Das Kontaktstück 11 weist eine
axiale Bohrung 13 auf, die sich bis zum oberen, kegelförmigen Ende eines eingepressten
Stopfens 14 erstreckt. Die kegelige Endfläche 15 dieses Stopfens 14 dient als Leitfläche
für das durch das Kontaktstück 11 in axialer Richtung strömende Gas, so dass dieses
zu im Kontaktstück 11 im Abstand von den Kontaktfingern 12 ausgebildete Ausblasöffnungen
16 und durch diese hindurch geleitet wird. Das untere Ende des Kontaktstückes 11
ist an einen Antrieb (nicht gezeigt) gekoppelt, der dieses zusammen mit den mitbeweglichen
Bestandteilen in axialer Richtung zur Ausführung der Schalthübe verschiebt.
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Wie der Fig. 1 zu entnehmen ist, erstreckt sich das Kontaktstück 11
durch einen mitbeweglichen und mit Durchlässen 17 versehenen Boden 18 eines Pumpzylinders
19 aus Metall, der auf einem auf einem Stützrohr 20 ortsfest abgestützten Pumpkolben
21 verschiebbar ist.
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Der Pumpzylinder 19 umschliesst somit zwischen seinem Boden 18 und
dem Pumpkolben 21 einen Pumraum 22. In der Mitte des mit einem Ansaugventil 23 versehenen
Pumpkolbens 21 ist - als Bestandteil desselben - eine durchführungshülse 24 verschiebbar
gelagert. Diese besitzt eine Führungsbohrung 25, in der seinerseits das Kontaktstück
11 dichtend, jedoch verschiebbar geführt ist. Am unteren Ende des Pumpzylinders
19 ist ein Kranz federnder Gleitkontakte 26 montiert, die an der äusseren Mantelfläche
des ebenfalls leitenden Stützrohres 20 angreifen.
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Auf der dem Pumpraum 22 abgekehrten Seite ist auf dem Boden 18 mittels
eines Sprengringes 28 eine Blasdüse 27 aus einem Isolierstoff montiert, deren Düsenraum
in einen mantelförmigen, mit den Durchlässen 17 in Verbindung stehenden Einlassabschnitt
29, in einen daran anschliessenden Beblasungsraum 30 und daraufhin in einen diffusorartig
sich erweiternden Aus last 31 gegliedert ist. An der dem Pumpraum 22 abgekehrten
Seite ist ferner auf dem Boden 18 ein die Blasdüse 27 umgebender Kranz von Leistungs-Kontaktfedern
32 montiert, die ihrerseits von einer elektrisch leitenden-Abschirmung 33 (zur Vergleichmässigung
des elektrischen Feldes) umgeben sind.
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Die Leistungs-Kontaktfedern 32, die bezüglich der Kontaktfinger 12
zurückversetzt angeordnet sind, greifen in Einschaltstellung (Fig. 1, links) an
der äusseren Mantelfläche eines festen Kontaktrohres 34 an. Dieses Xontaktrohr 34
umgibt einen darin koaxial angeordneten, rohrförmigen, festen Kontaktstift 35, dessen
Aussendurchmesser im wesentlichen dem Innendurchmesser des Beblasungsraumes 30 der
Blasdüse 27 entspricht und in Einschaltstellung in den Kranz der Kontaktfinger 12
eingreift. Das freie Ende 36 des Kontaktstiftes 35 steht über das Ende des Kontaktrohres
34 vor, so dass im Zuge des Ausschalthubes zuerst die Kontaktfedern 32 ausser Eingriff
mit dem Kontaktrohr 34 und erst danach die Kontaktfinger 12 ausser Eingriff mit
dem Kontaktstift 35 gelangen, der seinerseits am Anfang des Ausschalthubes die Blasdüse
27 verschlossen hält.
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Die radial innere Wand des mantelförmigen Einlassabschnittes 29 in
der Blasdüse 27 ist durch eine Hülse 37 gebildet, die ihrerseits den Kranz der Kontaktfinger
12
umgibt. Damit ist der Einlassabschnitt im wesentlichen durch glatte Wände begrenzt,
die die Ausbildung einer Gasströmung begünstigen. In diesem Einlassabschnitt 29
sind vorteilhaft Einbauten angeordnet, die eine Rückströmung, d.h. eine Strömung
vom Beblasungsraum 30 zurück zu den Durchlässen 17 und damit in den Pumpraum 22
hemmen. Diese Einbauten können, wie in Fig. 1 dargestellt, durch geneigte Ventilzungen
38 gebildet sein, die mit ihren unteren Enden an der' Hülse 37 und mit ihren oberen
Enden an der äusseren Innenwand des Einlassabsehnittes federnd und abhebbar anliegen.
Durch diese Ventilzungen 38 (die eine Art Flatterventil bilden) wird auf alle Fälle
eine Gasströmung zu den Durchlässen 17 hin stärker gehemmt als eine Gasströmung
von den Durchlässen 17 zum Beblasungsraum 30 hin.
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Die Länge des Schalthubes entspricht etwa dem lichten Abstand zwischen
dem Kolben 21 und dem Boden in Einschaltstellung des Schalters (Fig. 1 links) und
ist mit dem Masspfeil 40 angedeutet. Der konstant bleibende Abstand der als Ausblasöffnung
16 vom Boden 18 ist kleiner als die Länge des Schalthubes 40 und ist mit dem Masspfeil
41 angegeben. Das in Bewegungsrichtung des Kontaktstückes 11 gemessene Mass der
Ausblasöffnungen 16 ist mit dem Masspfeil 42 angegeben und entspricht etwa der Länge
der Führungsbohrung 25 (Masspfeil 43) in der Durchführungshülse 24.
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Durch diese Massnahmen wird zunächst einmal erreicht, dass in Einschaltstellung
und zu Beginn des Ausschalthubes der Pumpraum 22 über die Ausblasöffnungen 16 stets
in Strömungsverbindung mit dem Innenraum 44 des Kontaktstückes 11 bleibt. Während
des Ausschalthubes
herrscht also solange derselbe Druck im Purimra-m
22 und im Innenraum 44, als die Ausblasöffnungen 16 noch nicht durch die Durchführungshülse
24 hindurch getreten sind. Dieser Druc]causgleich erfolgt zunächst in der Vorkompressionsphase,
nämlich solange als der Kontaktstift 35 noch mit den Kontaktfingern 12 in Eingriff
steht (bis dahin entsteht kein Schaltlichtbogen), aber auch unmittelbar danach,
nämlich solange als der Kontaktstift 35 noch den Beblasungsraum 30 verschlossen
hält. Dann hat der Lichtbogen 45 bereits gezündet und der von diesem ausgehende
Druckstoss kann sich dank der Ventil zungen 38 nur gehemmt in Richtung auf die Durchlässe
17 ausbreiten, jedoch ungehemmt in richtung zu den Ausblasöffnungen 16 hin, von
wo er sich zunächst in der Nähe des Kolbens 21, also an der von den Durchlässen
17 entferntesten Stelle in den Pumpraum 22 fortpflanzt und damit für eine (erwünschte)
Druckerhöhung im Pumpraum 22 sorgt.
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An der dem Pumpraum 22 abgekehrten Seite sind an der Durchführungshülse
24 Lageraugen 45 vorhanden, an denen das eine Ende je einer Koppel 46 angelenkt
ist. Das andere Ende jeder Koppel 46 ist bei 47 an einem Ende eines zweiarmigen,
auf einem ortsfesten Schwenkzapfen 48 schwenkbar gelagerten Hebels 49 angelenkt.
Das andere Ende dieses Hebels trägt eine Folgerolle 50, wobei eine nicht gezeigte
Feder vorhanden sein kann, um die Folgerolle 50 stets an die Aussenseite des beweglichen
Kontaktstückes 11 zu drücken. An dieser Aussenseite des beweglichen Kontaktstückes
11 ist ein mit der Folgerolle zusammenzuwirken bestimmter Nocken 51 vorhanden. Dieser
weist - in Ausschaltrichtung gesehen - eine steil ansteigende, vorlaufende Flanke
52 auf und daran anschliessend ein weniger steil abfallender Rücken 53.
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Kurz bevor der Ausschalthub einen etwa der minimalen Löschdistanz
entsprechenden Weg (Masspfeil 54) zurückgelegt hat, läuft die Flanke 52 auf die
Folgerolle 50 auf, der Hebel 49 wird verschwenkt und über die Koppel wird die Durchführungshülse
24 gegensinnig zum beweglichen Kontaktstück 11 verschoben. Dadurch treten die Ausblasöffnungen
16 innert kürzerster Zeit durch die Durchführungshülse 24, so dass der Innenraum
44 praktisch schlagartig mit einem vom Stützrohr 20 umgebenen Ausblasraum 55 verbunden
wird, in dem keine Druckerhöhung stattgefunden hat. Schon zuvor ist aber der Lichtbogen
45 auch durch die Kontaktstift 35 vor Erreichen der minimalen Löschdistanz freigegebene
Blasdüse 27 hindurch beblasen worden, wobei die erhitzten Löschgase, soweit sie
den Beblasungsraum 30 passiert haben, teils durch den Schaltstift 35 hindurch und
teils in einen vom Kontaktrohr 34 umschlossenen Ausblasraum 56 abströmen. Beim beschriebenen
Druckgasschalter ist somit Gewähr dafür geboten, dass kein Verlust an vorkomprimiertem
Löschgas eintritt, wenn die Kontaktfinger den Schaltstift 35 verlassen und ausserdem
dafür, dass gerade in der Anfangsphase des Ausschalthubes möglichst wenig erhitzte
und ionisierte Gase durch die Durchlässe 17 direkt in den Pumpraum 22 zurückverdrängt
werden, so dass im Bereich der Durchlässe 17 stets "unverseuchtes" Löschgas zur
Beblasung des Schaltlichtbogens zur Verfügung steht.
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Schliesslich ist auch Gewähr dafür geboten, dass die Durchtrittszeit
der Ausblasöffnungen 16 durch die Durchführungshülse 24 auf ein Mindestmass herabgesetzt
ist, so dass für das Löschgas praktisch kein Unterbruch in der Abströmmöglichkeit
entsteht.
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In der weit mehr schematisiert und keineswegs massstäblich dargestellten
Ausführungsform. der Fig. 2 sind
funktionell sich entsprechende
Teile mit denselben Bezugsziffern wie in Fig. 1 bezeichnet, so dass sich die nachfolgende
Beschreibung auf die wesentlichen Unterschiede beschränken kann.
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Bei diesem Schalter ist das bewegliche Kontaktstück 11 bis zu seinem
freien Ende ein Rohr. Die dem Pumpraum 22 zugekehrte Flachseite der Blasdüse 27
bildet zugleich den Boden 18 des Pumpzylinders 19, so dass die Auslässe 17 aus demselben
mit dem Einlassbereich 29 der Blasdüse 27 zusammenfallen. Das bewegliche Kontaktstück
11 durchsetzt hier den Pumpkolben 21 in der Führungsbohrung 25 einer einstückig
mit dem Pumpkolben 21 ausgebildeten Durchführungsnabe 24'. Auch hier ist der Abstand
41 der Ausblasöffnungen 16 vom Boden 18 des Pumpzylinders 19 geringer als die Länge
40 des Schalthubes und entspricht die Länge 42 der Ausblasöffnungen 16 (in Bewegungsrichtung
des Kontaktstückes 11 gesehen) etwa der Länge 43 der Führungsbohrung 25.
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Der wesentliche Unterschied zur Fig. 1 besteht jedoch darin, dass
hier die gegensinnige Bewegung der Durchführungsnabe 24t (und damit des Pumpkolbens
21) durch andere Mittel bewirkt wird.
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An der dem Pumpraum 22 abgekehrten Seite des Pumpkolbens 21 sind Lageraugen
57 vorhanden. An diesen Lageraugen ist je das Ende des ersten Gliedes 58 eines als
Ganzes mit 59 bezeichneten Kniehebels angelenkt.
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Das Ende des zweiten Gliedes 60 dieses Kniehebels 59 ist an einem
am Gehäuse G ortsfest ausgebildeten Lagerauge 61 angelenkt. Am Kniegelenk 62 des
Kniehebels 59 ist das eine Ende eines Führungsgliedes in der Form einer Koppel 63
angelenkt, deren anderes Ende an einem an der Aussenseite des beweglichen Kontaktstückes
51
ausgebildeten Lagerauge 64 angelenkt ist.
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Wie der Fig. 2 links zu entnehmen ist, ist der Kniehebel 59 in Einschaltstellung
in Knicklage. Im Zuge eines Ausschalthubes wird durch die Koppel 63 diese Knicklage
zunächst verstärkt, d.h. der Pumpkolben 21 bewegt sich zunächst noch gleichsinnig
- wenn auch nicht mit derselben Geschwindigkeit - wie der Pumpzylinder 19. Diese
Knicklage erreicht ihr Maximum, wenn die Koppel 63 etwa rechtwinklig vom Kontaktstück
11 absteht. Danach verringert sich die Knicklage, d.h. der Kniehebel 59 wird wieder
gestreckt und der Pumpkolben 21 und damit die Durchführungsnabe 24' bewegen sich
gegensinnig zum beweglichen Kontaktstück 11. Es versteht sich, dass die Längen der
Glieder 58, 60 sowie der Koppel 63 derart zu bemessen sind, dass diese gegensinnige
Bewegung des Pumpkolbens 21 dann in vollem Gange ist, wenn die Ausblasöffnungen
16 im Begriffe stehen, durch die Durchführungsnabe 24' hindurch zu treten und damit
den Innenraum 44 des beweglichen Kontaktstückes 11 in Verbindung mit dem Ausblasraum
55 setzen.
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Z U S A M M E N F A S S U N G Ein rohrförmiges, bewegliches Kontaktstück
(11) ist von einer mitbeweglichen Blasdüse (27) umgeben, die einlasseitig an den
Auslass (17) eines ebenfalls mitbeweglichen, auf einem Pumpkolben (21) verschiebbaren,
ein Löschgas enthaltenden Pumpzylinders (19) angeschlossen ist. Die Blasdüse (27)
weist einen dem freien Ende des Kontaktstückes (11) im Abstand vorgelagerten Beblasungsraum
(30) auf, der-in-Einschaltstellung des Schalters durch einen ortsfesten, zugleich
mit dem beweglichen Kontaktstück (11) in Eingriff stehenden Schaltstift (35) verschlossen
ist. Das verschiebbar, jedoch dichtend den Pumpkolben (21) durchsetzende, bewegliche
Kontaktstück (11) weist wenigstens eine in einem Abstand von seinem freien Ende
von seinem Innenraum (44) ausgehende Ausblasöffnung (16) auf. Damit die Vorkompression
des in diesem Innenraum (44) ebenso wie des im Pumpzylinder (19) sich befindlichen
Löschgases am Anfang des Ausschalthubes durch den zu Beginn der Brenndauer des Schaltlichtbogens
entstehenden Druckstoss erhitzter Löschqasc unterstützt wird ist ist der Abstand
(41) der Ausblasöffnung (16) vom Boden (18) des Pumpzylinders (19) geringer als
die Länge des Schalthubes (40), während die Dicke (43) des Pumpkolbens (21) an der
vom Kontaktstück (11) durchsetzten Stelle (24) etwa dem in Bewegungsrichtung des
beweglichen Kontaktstückes (11) gemessenen Mass (42) der
Ausblasöffnung
(16) entspricht. Damit zugleich die Durchtrittszeit der Ausblasöffnung (16) durch
den Pumpkolben (21) auf ein Mindestmass herabgesetzt wird, sind ausserdem Mittel
(46 - 51) vorgesehen, um den vom beweglichen Kontaktstück (11) durchsetzten Teil
(24) des Pumpkolbens (21) im Zeitpunkt des Durchganges der Ausblasöffnung (16) gegensinnig
zum beweglichen Kontaktstück (11) zu verschieben.
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(Fig. 1)