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Elektrischer Kompressionsschalter
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Die Erfindung betrifft einen elektrischen Kompressionsschalter gemäß
dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
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Ein derartiger elektrischer kompressionsschalter ist aus der DE-OS
26 03 041 bekannt. Eindruckschalter, insbesondere SF6-Eindruckschalter, sind bekanntlich
dadurch gekennzeichnet, daß der für die Beblasung und Löschung des Lichtbogens erforderliche
überdruck des Löschgases während der Ausschaltung durch Kompression des Löschgases
in einem Zylinder erzeugt wird. Aus wirtschaftlichen Gründen wird bei der Umsetzung
der Antriebsenergie in den Druck des Löschgases ein möglichst hoher Wirkungsgrad
angestrebt.
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Betrachtet man den in Figur 1 dargestellten grundsätzlichen Verlauf
der Zylinderbewegung des bekannten Schalters, so ist festzustellen, daß sich nach
einer Beschleunigungsphase eine etwa konstante Geschwindigkeit einstellt.
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Gegen Ende der Bewegung bewirkt dann der stark zunehmende Löschgasdruck
in Verbindung mit einer Dämpfungseinrichtung eine Abnahme der Geschwindigkeit bis
zum Stillstand. Bei dem bekannten Schalter ist die Dämpfungseinrichtung im hydraulischen
Antrieb des Schalters angeordnet, wobei der hydraulische Antrieb einen in einem
Arbeitszylinder gleitenden Differentialkolben aufweist, für den zwei mit je einem
Rückschlagventil versehene Dämpfungseinrichtungen vorgesehen sind, um die Bewegung
des Kolbens in den beiden Endlagen abzubremsen. Derartige äußere Dämpfungen sind
jedoch insofern nachteilig, als bei ihnen ein relativ großer Anteil der Antriebsenergie
für die Druckerzeugung verlorengeht. Man ist daher bestrebt, bei diesen Schaltern
die Bewegung möglichst nicht durch eine äußere Dämpfung abzubauen, um so einen hohen
Anteil der Antriebsenergie in Druck des Löschgases umzusetzen.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Schalter der
eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, daß eine äußere Dämpfung möglichst
weitgehend vermieden wird.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die den Patentanspruch 1
kennzeichnenden Merkmale gelöst.
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Durch die erfindugnsgemäße Lösung wird in vorteilhafter Weise erreicht,
daß im wesentlichen die Druckkraft des komprimierten Gases die Abbremsung der bewegten
Massen am Ende der Ausschaltbewegung, wenn der Kolben und das bewegliche Element
weitestgehend aneinander angenähert sind, übernimmt.
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Mit der Erfindung werden in vorteilhafter Weise verschiedene Probleme
gelöst. Für das Ausschaltvermögen ist nämlich nicht nur die Amplitude des Druckimpulses
maßgebend, sondern der Druck, der über eine Zeit von etwas mehr als 10 ms aufrecht
erhalten wird, innerhalb der der Schalter in der Lage sein muß, den Kurzschlußstrom
abhängig von dessen Phasenlage zu unterbrechen. Dimensioniert man nun den Kompressionszylinder
so, daß der Zylinder gerade bei der Berührung des Kolbenbodens und damit bei verschwindend
kleinem Kompressionsvolumen zum Stillstand kommt, so ergibt sich, wie die strichpunktierten
Kurven in Figur 1 zeigen, zwar ein sehr hoher Maximalwert des Löschgasdruckes. Der
Druck bricht aber, wenn man einmal das Volumen zwischen Zylinderboden und Düsenengstelle
vernachlässigt, schlagartig zusammen. Die Breite des Druckimpulses ist damit nur
gering. Dimensioniert man andererseits so, daß der Stillstand des Zylinders schon
vor der Berührung von Zylinder und Kolben, d. h. bei einem größeren Kompressionsvolumen
erreicht wird, so wird, wie die ausgezogenen Kurven in Figur 1 zeigen, der Druckimpuls
breiter und es wird über die erforderliche Zeitspanne trotz des geringen Maximaldruckes
ein höherer Druck erreicht. Die Darstellung zeigt aber, daß nun der Zylinder unter
der Wirkung des Druckes seine Bewegungsrichtung umkehrt. Dadurch wird das Kompressionsvolumen
wieder vergrößert und das Löschgas entspannt. Dadurch bedingt nähern sich auch die
Schaltstücke wieder einander.
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Durch die erfindungsgemäße Lösung wird nun in sehr vorteilhafter Weise
der Druckimpuls verbreitert, was dadurch gelingt, daß die Bewegungsumkehr und damit
die Entspannung des komprimierten Löschgases verhindert wird. Der Druckverlauf der
erfindungsgemäßen Lösung ist aus der in Figur 1 gestrichelt gezeichneten Kurve ersichtlich.
Gleichzeitig wird durch die erfindungsgemäß verhinderte Rückwärtsbewegung des Zylinders
die damit verbundene unerwünschte Verringerung des Kontaktabstandes vermieden.
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Aus den DE-OS'en 23 63 171 und 25 29 623 sind zwar bereits elektrische
Kompressionsschalter bekannt, bei denen im Kompressionsraum zwischen Kolben
und
Zylinder bewegliche Elemente vorgesehen sind, die den Kompressionsraum in zwei bzw.
drei Teilkompressionsräume aufteilen; auch weisen die beweglichen Elemente bei diesen
bekannten Schaltern verschließbare Durchgange auf, die die Teilkompressionsräume
verbinden. Die beweglichen Elemente, die bei diesen bekannten Schaltern als federnd
abgestützte Zwischen kolben ausgeführt sind, dienen jedoch dort nicht zur Dämpfung,
sondern dazu, die Zufuhr des Löschgases zum zwischen den Schaltkontakten brennenden
Lichtbogen vorteilhaft zu steuern. Insofern sind bei den bekannten Schaltern auch
die in den Zwischenkolben vorgesehenen Ventile anders ausgebildet und unterscheiden
sich in ihrer Arbeitsweise grundsätzlich von der der Erfindung.
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Gemäß vorteilhaften Ausgestaltungen der Erfindung ist vorgesehen,
daß das bewegliche Element ein plattenförmig ausgebildeter Zwischenkolben ist, der
in seiner Ausgangsstellung auf einer im Zylinder vorgesehenen Stufe aufliegt.
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Der Zwischenkolben wird in dieser Ausgangsstellung mittels einer Feder,
insbesondere einer Druckfeder gehalten.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sehen vor, daß das Verschlußelement
ein Rückschlagventil ist, welches ein plattenförmiges Schließglied aufweist, das
auf dem beweglichen Element aufliegt und das mittels einer Feder, insbesondere einer
Druckfeder, in seiner Schließstellung gehalten ist.
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In vorteilhafter Weise ist gemäß weiteren Ausgestaltungen vorgesehen,
daß zwischen dem Kolben und dem beweglichen Element eine Dämpfungsschicht angeordnet
ist, die vorteilhaft auf der Kolbenfläche angebracht ist und aus Kunststoff besteht.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt
und im folgenden näher beschrieben.
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Es zeigen: Figur la ein Heg/Zeitdiagramm des Zylinders bzw. des damit
verbundenen Schaltkontaktes; Figur Ib ein Druck/Zeitdiagramm des Zylinders bzw.
des damit verbundenen Schaltkontaktes; Figur 2 eine Teildarstellung eines Eindruckschalters
im vereinfachten Längsschnitt.
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Es wird zunächst auf die Figur 2 Bezug genommen, die einen Eindruckschalter
zeigt, der eine Kompressionseinrichtung, bestehend aus einem feststehenden Kolben
2 und einen diesen umgebenden beweglichen Zylinder 4 aufweist. An der Stirnseite
des beweglichen Zylinders 4 ist ein beweglicher Schaltkontakt 6
fest-angebracht,
der von einer Isolierdüse 8 umgeben ist. Die Isolierdüse weist vom Innenraum des
Zylinders 4 ausgehende und zu dem beweglichen Schaltkontakt führende Durchgänge
10 auf, um das Löschgas zu den Schaltkontakten zu führen.
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Die Innenwand des Zylinders 4 weist eine Stufe 12 auf, auf der ein
bewegliches, plattenförmig ausgebildetes Element 14 in seiner Ausgangsstellung aufliegt.
Das bewegliche Element 14 teilt den Kompressionsraum in zwei Teilkompressionsräume
16, 18 die durch in dem Element 14 vorgesehene verschließbare Offnungen 20 miteinander
in Verbindung stehen. Um das bewegliche Element 14 in seiner Ausgangsstellung an
der Stufe 12 zu halten, ist eine Druckfeder 22 vorgesehen, die sich an der Stirnseite
des Zylinders 4 und am Element 14 abstützt.
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Zum Verschließen der verschließbaren Öffnung 20 ist ein gleichfalls
plattenförmig ausgebildetes Verschlußelement 24 vorgesehen, das in seiner Ausgangsstellung
auf dem beweglichen Element 14 aufliegt und das bezüglich seines Durchmessers so
bemessen ist, daß es die Öffnungen 20 verschließt. Das Verschlußelement 24 wird
mittels einer sich gleichfalls an der Stirnseite des Zylinders abstützenden Druckfeder
26 in seiner Ausgangslage gehalten.
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Nachfolgend ist die Arbeitsweise des Kompressionsschalters beschrieben.
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Beim Ausschalten wird mittels der am Zylinder 4 fest angebrachten
Betätigungsstange 28 der Zylinder mit dem beweglichen Schaltkontakt 6 und der Isolierdüse
8 bei dem hier dargestellten Schalter nach unten bewegt. Dadurch erfolgt zunächst
eine Verdichtung des Löschgases im Teilkompressionsraum 16.
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Der damit gegebene Differenzdruck zum Teilkompressionsraum 18 führt
zu einem Abheben des Verschlußelementes 24 vom beweglichen Element 14, so daß das
komprimierte Löschgas in den Teilkompressionsraum 18 und von diesem durch die Durchgänge
10 zu den Schaltkontakten strömen kann. Die Dimensionierung des Zylinders 4 erfolgt
im Idealfall so, daß der Stillstand des Zylinders in dem Zeitpunkt erreicht wird,
wenn der Kolben 2 das bewegliche Element 14 berührt. Wäre das bewegliche Element
14 nicht vorhanden, so würde, wie in der ausgezogenen Kurve in Figur 1 dargestellt,
eine Bewegungsumkehr des Zylinders und eine damit verbundene Entspannung des Löschgases
erfolgen.
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In diesem Augenblick verschließt jedoch das Verschlußelement 24 die
öffnungen 20 im beweglichen Element 14, da die Druckdifferenz zwischen den Teilkompressionsräumen
16 und 18 verschwindet, wenn der Kompressionszyllnder 4 zum
Stillstand
kommt. Eine Entspannung des Gases kann dadurch nicht eintreten, so daß der Druckimpuls
entsprechend der getrichelten Kurve in Figur 1 breiter wird. Eine Rückwärtsbewegung
des Zylinders und die damit verbundene unerwünschte Verringerung des Kontaktabstandes
tritt ebenfalls nicht ein.
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Sobald der Löschgasdruck so weit abgesunken ist, daß die Antriebskraft
wieder überwiegt, wird der Zylinder 4 in die Endstellung bewegt, wobei der Kolben
2 das bewegliche Element 14 gegen die Wirkung der Druckfedern 22 und 26 in Richtung
des Zylinderbodens 30 bewegt. Bei dieser erneuten Beschleunigung erreicht der Zylinder
4 wegen des geringen Resthubes eine geringere Geschwindigkeit im Vergleich zu einem
Schalter ohne Zwischenboden.
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Dies wirkt sich zusätzlich sehr vorteilhaft aus.
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Die Abbremsung dieser Bewegung kann nämlich nicht mehr durch komprimiertes
Druckgas im Zylinder erfolgen, da der Druck im Zylinder bei Erreichen der End stellung
praktisch seinen Ausgangswert erreicht hat. Die Bewegung muß deshalb durch zusätzliche
Maßnahmen erfolgen, wobei noch zu beachten ist, daß durch diese Maßnahmen die vorausgehende
Erzeugung des Löschgasdruckes möglichst wenig beeinträchtigt werden soll.
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Es sind nun noch die Fälle zu betrachten, in denen die tatsächliche
Antriebskraft von der angenommenen idealen Antriebskraft, die zu einem Stillstand
bei der Berührung von Kolben und Zwischenplatte führt, abweicht; denn ein Schalte
muß innerhalb einer gewissen Schwankungsbreite der Antriebskraft funktioniere Abweichungen
vom idealen Bewegungsablauf können aber auch dadurch zustande kommen, daß die durch
die Isolierdüse 8 abströmende Gasmenge durch einen mehr oder minder starken Verschluß
der Düse durch das Lichtbogenplasma variiert.
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Findet in diesen Fällen der Stillstand vor der Berührung von Kolben
2 und beweglichem Element 14 statt, so wird wieder eine Bewegungsumkehr des Zylinders
eintreten, während der sich der zwischen dem Kolben 2 und dem beweglichen Element
14 befindliche Anteil an komprimiertem Löschgas entspannt.
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Wenn der Stillstand später als Berührung von Kolben 2 und beweglichem
Element 14 eintritt, so wird eine Bewegungsumkehr eintreten bis das bewegliche Element
sich wieder an der Stufe 12 anlegt.
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Auch in diesen vom zunächst angenommenen Idealfall abweichenden Fällen
wird
also durch die erfindungsgemäße Ausführung des Schalters eine
Steigerung des Löschgasdruckes in dem für die Lichtbogenlöschung erforderlichen
Zeitintervall und eine Verbesserung des Bewegungsverlaufes des Zylinders und des
mit diesem verbundenen beweglichen Schaltstückes erreicht.