-
Elektrischer Schalter mit Lichtbogenlöschung durch ein Druckmittel
Es sind Schalter bekannt, bei denen die Lichtbogenlöschung durch strömende Druckmittel
erfolgt, deren Druck durch die Lichtbogenwärme in einem durch das Schaltstück im
wesentlichen kolbenartig verschlossenen Raum erzeugt wird. Dies sind insbesondere
Flüssigkeits-, z. B. Öl- oder Wasserschalter (vor allem Löschkam@merschalter),
auch Gasschalter, bei denen das unter Atmosphären-oder höherem Anfangsdruck stehende
Gas durch den Lichtbogen erwärmt wird. Schließlich sind auch ,Schalter nicht mehr
neu, bei denen der Lichtbogen in der Nähe gasabgebender Isolierwandungen brennt
und bei denen die Gase durch die Lichtbogenwärme aus diesen Wandungen entwickelt
werden.
-
Bei allen diesen Schaltern wächst der zur Lichtbogenlöschung erforderliche
Druck mit der Größe des abzuschaltenden Stromes und erreicht in der Regel bei starken
Kurzschlußströmen hohe Werte. Durch diesen Druck wird das die Löschkammer angenähert
oder vollständig kolbenartig verschließende Schaltstück im Sinne der Ausschaltbewegung
beschleunigt.. Diese Beschleunigung ist an sich erwünscht, da sie eine schnellere
Längung des Lichtbogens und damit eine schnellere Löschung gerade bei großen Strömen
ergibt. Es treten jedoch am Schalter beim Erreichen der Ausschaltstellung große
Massenkräfte auf, deren Beherrschung besonders stabile Konstruktionen erfordert.
-
Diese Massenkräfte hängen in ihrer Stärke von der Höhe des abzuschaltenden
Stromes ab. Deshalb ist es nicht ohne weiteres möglich, sie durch Bremsen am Ende
der Schaltbewegung zu vernichten, da die für die Abbremsung größtmöglicher Massenkräfte
bemessenen Bremsen die Ausschaltung bei kleinen Strömen verzögern würden.
-
Es ist versucht worden, diese Kräfte durch Puffer abzufangen. Derartige
Puffer, die in der Lage sind, auf kurzem Wege die gesamte Energie aufzunehmen, sind
schwer und teuer; ferner neigen sie zu Schwingungen, die durch einen Rückstoß des
Schaltstückes zu Rückzündungen führen können.
-
Die Erfindung vermeidet alle diese \Tachteile, indem erfindungsgemäß
den auf das bewegliche Schaltstück während des Ausschaltvorgangs beschleunigend
wirkenden Kräften Kräfte entgegenwirken, deren Größe mit dem vom Lichtbogen erzeugten
Druck des Löschmittels wachsen. Zu diesem Zweck wirkt der Löschdruck, der auf den
kolbenartig -die Löschkammer verschließenden Schaltstift wirkt, auf einen mit dem
Schaltstück verbundenen Gegenkolben, dessen Kraft entgegen der auf das Schaltstück
ausgeübten Kraft wirkt.
i Dieser Gegenkolben bzw. diese Gegenkolbenfläche
kann in verschiedener ZVeise finit (lein Schaltstück verbunden werden, insbesoildere
wixd er durch das entgegengesetzte Ende des Schaltstückes gebildet oder mit ihn?
verbunden sein, wobei er sich in einen Raum hewegt, der mit dem Druckrahm in Verbindung
steht. Die Verbindung kann am einfachsten dadurch hergestellt werden, daß das Schaltstück
eine Längsbohrung enthält, die den Gegenlzolben führt.
-
Ist mit dein beweglichen Schaltstück ein stiftförmiger Isolierfortsatz
verbunden, so kann der Gegenkolben an dieseln Isolierfortsatz des Schaltstückes
angeordnet werden.
-
Es wirken am Schaltstück also außer dem Antrieb zwei Kräfte, die von
dem abzuschaltenden Strom abhängig sind. Diese Kräfte sind bestimmt durch die Drücke
an beiden Seiten des Kolbens und von den wirksamen Kolbenflächen. An der einen Seite
des Kolbens wirkt der Druck in der Löschkainnier. Die Drücke (Gegendrücke) auf der
anderen Seite des Kolbens können ihrer Grölie und ihrem Verlaufe nach weitgehend
beeinflußt werden. Bei einer Anordnung, bei welcher der Zvlinderratini des Gegenkolbens
mit der Schaltkammer in Verbindung steht, kann der Gegendruck auf der dein Schaltrauen
abgekehrien Seite des Kolbens konstant sein, wenn an der Rückseite des Kolbens ein
Raum konstanten Druckes angeordnet ist. Dies ist insbesondere der Fall, wenn der
Raum hinter dein Kolben mit der Atmosphäre in Verbindung steht. Dadurch wird erreicht,
daß unabängigvon etwaigen Undichtigkeiten der Kolbenführung die Gegenkraft ausschließlich
in dem mit dein Schaltraum bzw. vom Druck in dein finit dein Schaltraum verbundenen
Zvliiiderrauin abhängt. Wenn dagegen der Gegendruckrauni geschlossen ist, so entstellt
bei der Ausschaltbewegung des Kolbens in diesem Rauin ein L'iterdruclc, der eine
finit dein Schaltweg zunehmende Bremswirkung hervorruft. Hierbei ergeben sich IZegelniiglichkeiten
dadurch, dali die Kolbenführung einen gewissen Druckausgleich zwischen dein denn
1_ichtbogendruckrauin zugekehrten Rauin und dein Gegetidritcl:ratitn gestattet.
Dies erfolgt am einfachsten, indem zwischen der Gleitbahn und dein Kolben ein Zwischenraum
vorgesehen wird. Es kann hierzu das Bewegungsspiel zwischen dein Kolbendurchinesser
und dein Zvlin(ler(ltirclnnesser entsprechend bemessen ywerden, oder es können auch
in den Zylinderwandungen besondere Rillen, Aussparungen ti. dgl. vorgesehen sein.
Durch ihre Anordnung kann die Verbindung der Räunie an beiden Seiten des Kolbens
hinsichtlich ihres Strömungswiderstandes wegabhängig gemacht werden. In der Zeichnung
sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt.
-
Abb. i zeigt zunächst in Forin eines Diagrainnies den Bewegungsverlauf
bei einem Schalter der betrachteten Art. In der Senkrechten ist der Weg des Schaltstückes
beim Ausschalten, in der Waagerechten die Zeit dargestellt. Kurve a, stellt den
Verlauf der Bewegung beim Abschalten kleiner Ströme dar, d. h. den Bewegungsverlauf,
der durch den Antrieb allein bewirkt wird. d bedeutet die Kontaktstellung bei der
Kontakttrennung, c# die Ausschaltstellung.
-
Kurve b zeigt den Verlauf heim Abschalten eines hohen Kurzschlußstrornes.
Nach der Kontakttrennung findet eine starke Beschleunigung des Schaltstückes statt.
Es prallt infolgedessen finit einer außerordentlich großen Wucht gegen den Endanschlag
hei t.
-
Bei.Aiwendung der Gegenkolbenbremsung geinä ß der Erfindung kann der
Verlauf zweckmäßig entsprechend der Kurve e abgeändert werden. Iin ersten Teil des
Schaltvorganges von o bis g besteht zwischen beiden Seiten des Kolbens eine Verbindung.
Der Druck steigt also zu beiden Seiten des Kolbens an. Bei g wird diese Verbindung
unterbrochen. Während der Druck an der Gegenseite des Kolbens nun hei der Weiterbewegung
absinkt. steigt er an der Lichthogenseite weiter an. Während bis g der Lichtbogendruck
beschleunigend auf (las Schaltstück wirkte, erfolgt jetzt je nach Bemessung der
Kolbenflächen eine mehr oder minder große Bremsung, die zusammen finit der Reibung
die Geschwindigkeit am Ende des Schaltvorganges angenähert auf den beim stromlosen
Abschalten erreichten Wert herabsetzt, der durch die Kurve c von g bis e dargestellt
ist. Dieser Verlauf ergibt eine schnelle Längung des Lichtbogens und trotzdem einen
sanften Aufprall beim Erreichen der Endlage.
-
Eine zweckmäßige Anordnung, mit der dieser Verlauf erzielt werden
kann, zeigt Abb. 2. Dargestellt ist ein Schalter mit gasabgebenden Wandungen. i
ist der feste, 2 der bewegte stiftförmige Kontakt. 3 ist die Isolierschaltröhre
aus gasabgebendem Stoff. 4 ist der sogenannte Füllstift. der an dein Schaltstück
= befestigt ist und diesem bei der Ausschaltbewegung in die Schaltröhre 3 hinein
nachfolgt. Am freien Ende ist der Füllstift .1 mit einem Gegenkolben 5 %-crschen,
der dichtend in dein Füilstiftbehälter 6 gleitet. Die Dichtung kann als Lab_vrintlidichtung,
als Kolbenringdichtung, als Stopfbuchse oder einfach durch genaues Einpassen des
Kolbens erreicht werden. In der Wandung des Behälters G sind Rillen ; angebracht,
die den Zylinderraum 8, in dein der Lichthogendruck herrscht, finit dein Gegenraum
9 verbinden.
Beim Abschalten eines großen Stromes steigt
der Gasdruck in beiden Räumen 8 und 9 zunächst etwa gleichmäßig an. Die auf das
Schaltstück ausgeübte zusätzliche beschleunigende Kraft ist gleich dem Produkt aus
dem Querschnitt q1 des Schaltstückes 2 und dem Lichtbbgendruck p1. Nach Überschleifung
der Rillen 7 durch den Kolben erfolgt eine Trennung der Räume 8 und g. Während der
Druck p1 im Raum 8, insbesondere falls die Lichtbogenlöschung noch nicht erfolgt
ist, weiter ansteigt, sinkt der Druck p2 im Raum g. Die zusätzliche, auf das Schaltstück
ausgeübte Kraft ist jetzt: q2 p2 - (q2 - ui) pl-Dabei bedeutet q2
den. Querschnitt des Kolbens 5. Wird er hinreichend groß bemessen, so läßt sich
stets erreichen, daß der obige Ausdruck negativ wird, d. h. die auf das Schaltstück
ausgeübte Kraft verzögernd wirkt.
-
Abb.3 zeigt die Anwendung des Erfindungsgedankens auf Flüssigkeitsschalter.
Der Ausschaltvorgang erfolgt in gleicher Weise wie bei Abb. 2 beschrieben, indem
der Lichtbogen aus der Schaltflüssigkeit Gase und Dämpfe entwickelt, die in der
Kammer 3 einen Druck erzeugen. Dieser Druck wirkt über die Flüssigkeit auf den Kolben
5. Beim Einschalten jedoch muß die in dem.Raum 9 befindliche Flüssigkeit durch den
Kolben 5 herausgedrückt werden. Dies erfolgt durch ein Überdruckventil io, das über
die Kanäle i i mit der Löschkammer in Verbindung steht. Bei dieser Anordnung bleibt
der Isolierstift 4. innerhalb der Löschkammer.
-
Abb.4 zeigt ein Beispiel für die Anordnung des Gegenkolbens 5 am entgegengesetzten
Ende des Schaltstückes. Das Schaltstück ist hier hohl ausgeführt. Durch diese Bohrung
13 steht der Kontaktraum 12 mit dem Druckraum 8 in Verbindung. Diese Anordnung
ist für alle Arten von Schaltern mit Lichtbogenlöschung durch strömende Druckmittel
verwendbar, z. B. für Löschkammerdruckgasschalter, Flüssigkeitsschalter usw. Dargestellt
ist ihre Anwendung bei einem Schalter mit gasabgebenden Wandungen, bei dem das Schaltstück
hohl ausgebildet wird. 14 ist- ein feststehender Isolierstift, der in der Schaltröhre
3 angeordnet ist.
-
Die - Abb. 5 zeigt eine andere Anordnung des Gegenkolbens am Beispiel
eines Flüssigkeitsschalters. Das bewegte Schaltstück 2 besitzt eine Bohrung 13,
die den mit Flüssigkeit gefüllten Kontaktraum-12 mit dem Druckraum 8 verbindet.
Die Hülle 6 des Raumes 8 stellt die Fortsetzung des Schaltstiftes 2 dar, wird also
mitbewegt. Darin gleitet der feststehende Kolben 5, der an der stromleitenden Führungsstange
15 befestigt ist: Im Anfang des Schaltvorganges wird die Verbindung zwischen den
Räunien 8 und g -durch Schlitze; hergestellt. Im Raum 8 stellt sich der Lichtbogendruck
ein, indem durch die Bohrung 13
Flüssigkeit und Schaltgase eintreten und die
darin eingeschlossene Luft verdichten.
-
Ein besonderer Vorteil der dargestellten Anordnung besteht darin,
daß hierbei die Spitze des bewegten Kontaktes sich innerhalb einer intensiven Löschmittelströmung
befindet, wodurch die Lichtbogenlöschung wesentlich begünstigt wird. Der am Ende
des Kontaktes 2 angeordnete Abbrennstift 1G, der den Lichtbogenfußpunkt führt, wird
dabei allseitig vom Löschmittelstrom umfaßt. Die Bremsung am Ende des Schaltvorganges
erfolgt, indem der Druck im Raum 8 auf die ,Fläche 17 entgegen der Schaltbewegung
wirkt.
-
Auch bei kleinen Strömen ergibt sich eine zusätzliche Löschwirkung,
indem die Luft aus dem Raum 8 herausgedrückt wird und dabei den Lichtbogenfußpunkt
an der Spitze des bewegten Kontaktes bebläst.