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Hochspannungsflüssigkeitsschalter mit mehreren in Reihe geschalteten
Schaltstrecken Elektrische Schalter für hohe Spannungen werden häufig aus mehreren
in Reihe geschalteten gleichartigen Schaltstrecken für kleinere Spannungen aufgebaut.
Der Vorteil dieser Maßnahme liegt darin, daß Löscheinrichtungen, die bereits erprobt
worden sind, verwendet werden können. Der Antrieb der beweglichen Schaltelektroden
erfolgt in den meisten Fällen, z. B. häufig bei Druckgasschaltern, durch Einzelantriebsaggregate,
die pneumatisch zentral gesteuert werden, damit ein gleichzeitiges Arbeiten aller
Löscheinrichtungen gewährleistet ist. Bei Flüssigkeitsschaltern mit einem einzigen,
den Schaltstrecken gemeinsamen Antriebsaggregat muß die Antriebskraft für die beweglichen
Schaltkontakte durch Isoliergestänge zu den einzelnen Lichtbogenlöscheinrichtungen
hin übertragen werden. In jedem Fall ergeben sich bei derartigen Schaltern für hohe
Spannungen komplizierte Aufbauten mit großen Abmessungen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen Flüssigkeitsschalter mit einer
Reihenschaltung erprobter Lichtbogenlöscheinrichtungen zu schaffen, bei dem der
Antrieb der beweglichen Schaltkontakte von einem einzigen Antriebsaggregat aus hervorgerufen
wird. Hierzu geht die Erfindung aus von einem elektrischen Flüssigkeitsschalter
für hohe Spannungen mit mehreren gleichachsig aneinandergereihten und elektrisch
in Reihe geschalteten Schaltstrecken mit einem feststehenden und einem direkt durch
den Schalterantrieb geradlinig bewegten Schaltkontakt und mit wenigstens einer Zwischenelektrode,
die zwei benachbarte Schaltstrecken miteinander verbindet und beim Schalten in Bewegungsrichtung
des beweglichen Schaltkontaktes langsamer als dieser bewegt wird. Bei bekannten
Schaltern dieser Art erfolgt die Bewegung der Zwischenelektrode unter dem Einfluß
einer Feder. Die Erzeugung mehrerer Lichtbogenteilstrecken ist bei diesen Schaltern
nicht immer sichergestellt, weil z. B. bei langsamer Bewegung des bewegten Schaltkontaktes
die Zwischenelektrode nicht sicher von diesem abhebt. Auch können diese Schalter
nicht durch einfache Reihenschaltung von Lichtbogenlöscheinrichtungen erstellt werden,
die für niedere Spannungen bereits erprobt sind.
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Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die
Schaltstrecken in an sich bekannter Weise einander gleich ausgebildet und bemessen
sind und daß die Zwischenelektroden an solchen Bauteilen der Löscheinrichtung befestigt
sind, die vom Schalterantrieb über mechanische Untersetzungsgetriebe mit einer Geschwindigkeit
bewegbar sind, die annähernd gleich dem arithmetischen Mittelwert der Geschwindigkeiten
der beiden der jeweiligen Zwischenelektrode benachbarten Elektroden bzw. Schaltkontakte
ist. Dabei muß die relative Trenngeschwindigkeit zweier benachbarter Zwischenelektroden
etwa gleich der Trenngeschwindigkeit sein, mit der die einzelne Löscheinrichtung
bei ihrer Nennspannung arbeitet. Durch die erfindungsgemäße Ausbildung wird erreicht,
daß die relativen Trenngeschwindigkeiten der einzelnen Kontaktpaare einander gleich
sind.
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Es sind bereits Schalter bekannt, bei denen -die Unterbrechung des
Stromes mit Hilfe einer großen Zahl in Reihe geschalteter Trennstellen erfolgt,
die entweder gleichzeitig oder durch geeignete konstruktive Maßnahmen in rascher
Folge nacheinander geöffnet werden. Bei diesen Anordnungen weist jede Schaltstrecke
ein feststehendes und ein bewegliches Schaltstück auf, und alle beweglichen Schaltstücke
bewegen sich mit gleicher Geschwindigkeit. Der Schalterantrieb muß die Summe aller
für die Betätigung der Trennstellen erforderlichen Kräfte aufbringen. Demgegenüber
muß der Antrieb beim Schalter nach der Erfindung zwar die Summe der Schaltwege,
aber nur die zur Betätigung einer Schaltstrecke erforderliche Kraft aufbringen,
was gelegentlich vorteilhaft sein kann. Darüber hinaus bietet eine Anordnung nach
der Erfindung den Vorteil, daß die erforderlichen Untersetzungsgetriebe auf einfache
Weise konzentrisch zu den Schaltstiften angeordnet werden können. Eine solche Anordnung
kann leicht in die bei Durchführungen für hohe Spannungen erforderlichen langen
Isolierstoffkörper eingebaut werden.
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Ein weiterer wesentlicher Vorteil, der den erfindungsgemäßen Schalter
vor den bekannten Schaltern auszeichnet, ist, daß nur eine einzige zu installierende
Stromübergangsstelle
von einem feststehenden Anschluß auf eine bewegliche Schaltelektrode erforderlich
ist. Bei den bekannten baulichen Vereinigungen von vollständigen Löscheinrichtungen
zu einem elektrischen Schalter für hohe -Spannungen muß hingegen jede Schaltstrecke
eine derartige Stromübergangsstelle, die im allgemeinen als Rollen-oder Schleifkontakt
ausgeführt wird, aufweisen. Demgegenüber ergibt sich durch die vorliegende Erfindung
eine wesentliche konstruktive Vereinfachung und eine Verringerung der Abmessungen
des Schalters.
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Als mechanisches Untersetzungsgetriebe für den Antrieb der Zwischenelektroden
empfiehlt sich ein Antriebssystem, das nach dem Prinzip der losen Seilrolle arbeitet.
Eine lose Rolle, die in ein Seil eingehängt ist, dessen eines Ende fest eingespannt
ist, während das andere Ende bewegt wird, bewegt sich bekanntlich in gleicher Richtung
wie das nicht eingespannte Seilende, und zwar mit einer Geschwindigkeit, die gleich
der halben Geschwindigkeit des Seilendes selbst ist. Das gleiche wie für die in
ein Seil eingehängte lose Rolle gilt auch für die schlupflose Rolle zwischen zwei
Laufflächen oder für ein Zahnrad, das zwischen zwei gegeneinander beweglichen Zahnstangen
läuft.
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Bei Anwendung dieser Getriebe für den Antrieb von Zwischenelektroden
bei elektrischen Schaltern gemäß der Erfindung wird jeweils eine Zwischenelektrode
an einer losen Rolle bzw. an einem Zahnrad befestigt. Die beiden zugehörigen Laufflächen,
Zahnstangen oder Seilenden sind dann jeweils mit einer benachbarten Elektrode fest
zu verbinden. Dabei ergibt sich dann zwangläufig, daß die Zwischenelektrode mit
einer Geschwindigkeit fortbewegt wird, die gleich dem arithmetischen Mittelwert
der Geschwindigkeiten der beiden zugehörigen, mit Nachbarelektroden verbundenen
Laufflächen ist.
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Solche Rollen, die zwischen einer an dem feststehenden Schaltergehäuse
befestigten und einer mit dem beweglichen, vom Schalterantrieb aus direkt angetriebenen
Schaltkontakt verbundenen Lauffläche rollen, können gleichzeitig als Stromzuführung
zum beweglichen Schaltkontakt dienen.
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Die einzelnen Löscheinrichtungen selbst werden mit den gleichen Abmessungen
und der gleichen relativen Lage der Bauteile verwendet, die diese während der Schaltvorgänge
zueinander bei der Nennspannung einnehmen, bei der sie erprobt sind. Das bedeutet,
daß beispielsweise Druckzylinder, die die Schaltstrecke umgeben, und Einrichtungen
zur Erzeugung einer Löschmittelströmung zusammen mit den zugehörigen Zwischenelektroden
fortbewegt werden müssen. Auch andere wichtige Konstruktionsmerkmale, die bei der
Einzellöscheinrichtung vorhanden sind, müssen bei der Reihenschaltung erhalten bleiben
bzw. sinngemäß abgeändert werden. Dies gilt beispielsweise für Öffnungen in den
Wandungen von Druckzylindern. Diese dienen bei Schaltern mit flüssigem Löschmittel
oft dazu, bei der Abschaltung entstehende Gasblasen aus dem Lichtbogenlösehraum
zu entfernen. Verbleibt nach einer Abschaltung eine Gasmenge im Lichtbogenlöschraum,
so liegen bei dem darauffolgenden Ausschaltvorgang infolge des Gaspolsters veränderte
Druckverhältnisse vor, was im allgemeinen das Schaltvermögen der Löscheinrichtung
sehr stark herabsetzt. Da die Gasblasen auf Grund des Flüssigkeitsauftriebs bestrebt
sind, nach oben zu steigen, müssen die Öffnungen in den Wandungen der Druckzylinder
möglichst oberhalb der Lichtbogenstrecken angeordnet sein.
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Die Zwischenelektroden der Lichtbogenteilstrecken können entweder
als Doppeltulpenkontakte oder als Doppelschaltstifte ausgeführt werden. Welcher
Konstruktion dabei der Vorzug gegeben wird, richtet sich nach dem Aufbau der verwendeten
Löscheinrichtung.
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In den Abbildungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung wiedergegeben.
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A b b. 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Schalter mit zwei Schaltstrecken,
die nach dem Ölströmungsprinzip arbeiten. In gleicher Weise sind in A b b. 2 vier
Schaltstrecken dieser Art zu einem Schalter für entsprechend höhere Spannungen vereinigt.
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In A b b. 1 ist der Schalter in der linken Abbildungshälfte in Einschaltstellung,
rechts in der Ausschaltstellung dargestellt. Mit 1 ist der feststehende und mit
2 der bewegliche, vom Schalterantrieb aus direkt angetriebene Schaltkontakt bezeichnet.
Das Isoliergehäuse 3 umfaßt das gesamte Löschsystem und ist mit Löschflüssigkeit
gefüllt. Die Löschflüssigkeitsoberfläche soll im Gehäuse 3 so hoch liegen, daß das
gesamte Löschsystem bedeckt ist. Es muß jedoch noch ein ausreichendes Gasvolumen
zwischen der Flüssigkeitsoberfläche und dem oberen Deckel des Gehäuses erhalten
bleiben, das als Gaspolster das Auftreten unzulässig hoher Drücke verhindert.
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Der Druckzylinder 5 umschließt die beiden Schaltstrecken und trägt
die Zwischenelektrode 4. Während eines Schaltvorganges wird der Druckzylinder 5
vom Zahnrad 6 mitgenommen, das zwischen den Zahnstangen 7 und 8 läuft. Die Zahnstangen
7 sind am Schaltergehäuse 3, die Zahnstangen 8 am beweglichen Schaltkontakt 2 befestigt.
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Die als Schaltstifte ausgebildeten Schaltkontakte 1 und 2 sind von
zylinderförmigen Pumpkolben 10 bzw. 11 umgeben, die mit einer düsenförmigen Ausströmöffnung
versehen sind, durch die die Schaltstiftspitzen in der Einschaltstellung hindurchgreifen.
Während des Ausschaltvorganges wird der Schaltkontakt 2 in Richtung des Pfeiles
9 angetrieben. Dabei laufen die Drehachsen der Zahnräder 6 und damit auch der Druckzylinder
5 sowie die Zwischenelektrode 4 mit halber Geschwindigkeit mit. Die Trenngeschwindigkeiten
der Schaltstrecken zwischen den Elektroden 2 und 4 bzw. 1 und 4 sind dabei gleich
der halben Geschwindigkeit des Schaltkontaktes 2.
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Bei der Ausschaltbewegung liegen die zylinderförmigen Pumpkolben mit
ihrer Innenkante an den bundförmigen Mitnehmervorrichtungen 12 und 13 der Schaltkontakte
1 und 2 an. Dadurch bilden die Schaltstiftspitzen dieser Schaltkontakte zusammen
mit den Ausströmöffnungen der Pumpkolben 10 und 11 ringförmige Ausströmdüsen, durch
die Löschmittel hindurchströmt und die Lichtbogenfußpunktsgebiete intensiv bespült.
Diese Löschmittelmengen gelangen aus den hinter den Pumpkolben gelegenen Räumen
14 und 15 durch parallel zur Schaltstiftachse verlaufende Bohrungen in den bundförmigen
Mitnehmervorrichtungen 12 und 13 in den vorderen Teil der Pumpkolben. Während des
größten Teils des Ausschaltvorganges sind die Bohrungen in der Wandung der Pumpkolben
durch die Mitnehmervorrichtungen
12 und 13 versperrt. Um die Löschmittelbespülung
an den Spitzen der schaltstiftförmigen Kontakte zu verbessern, sind diese mit axialen
Längsbohrungen versehen, die das Innere des Druckzylinders 5 mit dem druckentlasteten
Raum innerhalb des Isoliergehäuses 3 verbinden. Die Löschmittelströmung veranlaßt
dann den Lichtbogenfußpunkt, zur Mitte der Schaltstiftspitze oder an die Innenwandung
der Bohrung zu wandern, so daß die Abbranderscheinungen an den kontaktgebenden Außenflächen
des Schaltstiftes klein gehalten werden.
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Der Druckzylinder 5 umschließt in dem hier dargestellten Beispiel
zwei Lichtbogenteilstrecken. Er ist mit Öffnungen 16 versehen, durch die Gasblasen,
die während des Schaltvorganges gebildet werden, entweichen können und durch die
der Druckzylinder mit frischem Löschmittel wieder aufgefüllt wird. Ist die ganze
Löscheinrichtung über Kopf angeordnet, d. h. daß der feststehende Schaltkontakt
1 sich oben befindet, während der bewegliche Schaltkontakt von unten her
angetrieben wird, so müssen sich die öffnungen 16 auch wieder in der oberen Hälfte
des Druckzylinders befinden, damit in seinem Inneren keine Gasrückstände verbleiben.
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Wird der Druckzylinder durch eine Trennwand im Bereich der Zwischenelektrode
4 in zwei Hälften unterteilt, so muß jede dieser Hälften mit Öffnungen in der Zylinderwandung
versehen werden.
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Zu Beginn der Einschaltbewegung befindet sich der Schalter in der
in A b b. 1 rechts gezeigten Stellung. Vom Schalterantrieb aus direkt angetrieben,
bewegt sich zunächst der stiftförmige Schaltkontakt 2 in Richtung entgegengesetzt
dem Pfeil 9. Der Pumpkolben 10 wird über die bundartige Mitnehmervorrichtung 12
erst dann mitgenommen, wenn sich der Schaltkontakt 2 bereits in Bewegung befindet
und wenn die Schaltstiftspitze bereits durch die düsenförmige Ausströmöffnung des
Pumpkolbens hindurchgetreten ist. Der hinter dem Pumpkolben 10 gelegene Raum
15 füllt sich mit Löschmittel, das durch die in der Wandung des Pumpkolbens
befindlichen Bohrungen strömt. Gasblasen können aus dem Raum 15 durch die Nut 17
entweichen, die in Einschaltstellung den Raum 15 mit dem druckentlasteten Inneren
des Isoliergehäuses 3 verbindet.
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Im Bereich des feststehenden Schaltkontaktes 1 verläuft der Einschaltvorgang
zur gleichen Zeit entsprechend: Es setzt sich zunächst der Druckzylinder 5, angetrieben
über das Zahnrad 6, in Bewegung. Durch einen im Raum 14 entstehenden geringen Unterdruck
wird dabei der Pumpkolben 11 mitgenommen, bis er wieder mit einer Innenkante an
der Mitnehmervorrichtung 13 anliegt. Im folgenden strömt dann Löschmittel
durch die Bohrungen in der Wandung des Pumpkolbens 11 und füllt den Raum 14 an.
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Es ist bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel vorgesehen,
daß die Stromzuführung zum beweglichen Schaltkontakt 2 über das Antriebszahnrad
6 erfolgen soll. Die Zahnstangen 7 und 8 und das Zahnrad 6 müssen hierzu aus einem
Material mit ausreichender Leitfähigkeit und guten Kontakteigenschaften hergestellt
werden. Eine weitere Voraussetzung ist, daß Zahnstangen und Zahnräder fest genug
miteinander im Eingriff stehen, um einen zu hohen Kontaktwiderstand zu vermeiden.
Eine andere Möglichkeit besteht darin, Zahnstangen und Zahnräder mit Kontaktbahnen
zu versehen, die sich unmittelbar neben den Zahnreihen befinden. Die Kontaktbahn
des Zahnrades läuft dann zwischen den beiden Kontaktbahnen der Zahnstangen, wobei
ein ausreichender Kontaktdruck aufgebracht werden kann, während die Zähne nur lose
ineinandergreifen dürfen.
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Die Zahl der Schaltstrecken, die erfindungsgemäß in Reihe geschaltet
werden können, ist grundsätzlich nicht begrenzt. A b b. 2 zeigt einen Schalter mit
vier Schaltstrecken, dessen Nennspannung etwa doppelt so hoch ist wie die des Schalters
nach A b b. 1. Der Schalter ist in Ausschaltstellung dargestellt. Mit 20 ist hier
der feststehende, mit 21 der vom Schalterantrieb direkt angetriebene bewegliche
Schaltkontakt bezeichnet. Es sind ferner ein als Doppelschaltstift 24 und zwei als
Doppeltulpenkontakt 22, 23 ausgebildete Zwischenelektroden vorhanden. Der Doppelschaltstift
24 ist an einem Isoliergestänge 25 befestigt, das von den Zahnrädern 26 mit der
halben Geschwindigkeit des beweglichen Schaltkontaktes 21 angetrieben wird. Die
Zahnräder 26 laufen jeweils zwischen einer Zahnstange 27, die am Isoliergehäuse
28 des Schalters befestigt ist, und einer weiteren Zahnstange 29, die mit dem Schaltkontakt
21 starr verbunden ist. Die Stromzuführung zur Schaltelektrode 21 kann auch hier
über die Zahnräder 26 erfolgen. Der Druckzylinder 30 umschließt zwei Schaltstrecken
und trägt die Zwischenelektrode 23. Er wird durch Zahnräder 31 angetrieben, die
jeweils zwischen einer am Schaltergehäuse befestigten Zahnstange 32 und einem der
zu Zahnstangen ausgebildeten Fortsätze des Gestänges 25 laufen. Der Druckzylinder
33 umschließt ebenfalls zwei Schaltstrecken und trägt den Doppeltulpenkontakt 22.
Er erhält seinen Antrieb über die Zahnräder 34 vom beweglichen Schaltkontakt
21 einerseits und vom Gestänge 25 andererseits. Die Zahnräder 34 laufen zwischen
Zahnstangen 35, die mit dem beweglichen Schaltkontakt 21 starr verbunden sind, und
Teilendes Gestänges 25, die ebenfalls als Zahnstangen ausgebildet wurden. Bei dieser
Konstruktion wird erreicht, daß die Kontakte sämtlicher Schaltstrecken die gleiche
Trenngeschwindigkeit erhalten. Jede dieser Kontakttrenngeschwindigkeiten ist gleich
einem Viertel der Geschwindigkeit, mit der der vom Schalterantrieb direkt angetriebene
bewegliche Schaltkontakt 21 fortbewegt wird.
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Um eine gleichmäßige Aufteilung der an den Schaltkontakten 20 und
21 anliegenden Spannung auf die einzelnen Schaltstrecken zu erzielen, kann es erforderlich
sein, daß kapazitive oder auch Ohmsche Widerstände als Spannungsteiler parallel
zu den Schaltstrecken angeordnet werden. Es besteht die Möglichkeit, diese Vorrichtungen
innerhalb des mit Löschmittel angefüllten Raumes unterzubringen, eventuell auch
innerhalb der Druckzylinder. Die Ölfüllung des Schalters wirkt hier gleichzeitig
als Isoliermittel, so daß nur kleine Abstände gewahrt werden müssen.