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Elektrischer Schalter Die Erfindung bezieht sich auf einen elektrischen
Schalter mit innerhalb eines Gehäuses befindlichen, mindestens einem festen und
mindestens einem beweglichen, die Löschkontaktstelle bildenden Kontaktstück innerhalb
eines Löschkammerraumes, von denen wenigstens eines einen düsenähnlich ausgebildeten
Innenkanal auß weist und zwischen denen bei einer Ausschalthehndlung ein Schaltlichtbogen
brennt, wobei der Schaltlichtbogen mit von einer durch eine Antriebsvorrichtung
betätigten, in Einschaltstellung die Löschkontaktstelle umgebenden Kolben-Zylinder-Anordnung
komprimierten Löschgas, insbesondere SF6, welches durch die Innenkanäle der Kontaktstücke
aus dem Lösobkanimerraum strömt, beblasen wird, wobei an einem der beiden Kontsktatücke
Mittel zur Erzeugung eines mit dem Schaltlichtbogen in Reihe liegenden, zweiten
Lichtbogens bei einer Schalthandlung vorgesehen sind, und wobei der zweite Lichtbogen
in einem außerhalb der Eolben-Zylinderanordnung befindlichen Brennraum brennt, dabei
durch Temperaturerhöheung den Druck des Gases innerhalb des Brennraumes so erhöht,
daß die für die Löschung von Stromstärken bis etwa zum Nennstrom ausreichende mechanische
Energie des Antriebs so unterstützt wird, daß die Beblasung der Löschkontaktstelle
auch für die Ausschaltung des Nennausschaltstromes genügt, nach Patent.........
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(Patentanmeldung P 23 49 263.9).
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Bei dem Schalter nach dem Hautpatent wird durch den mit dem Schaltlichtbogen
in Reihe liegenden zweiten Lichtbogen der Gasdruck in dem Brennraum erhöht, so daß
einerseits die Ausschaltbewegung des beweglichen Kpntaktstückes und andererseits
diesem primierung des Geses im eigentlichen Löschkammeraum u. damitdilöangasströmung
unterstützt
wird. Dadurch können mit einer solchen Schalter auch Kurzschlußströme sicher geschaltet
werden. Damit der Materialabbradn an den den zweiten Lichtbogen führenden Blcktroden
klein gehalten wird, sind diese ringförmig ausgebildet und umgeben das bewegliche
bzw. das feste krontaktstück konzentrisch. Die elektroden sind als Spulen mit einer
oder nehrercn Windungen ausgeführt; hierdurch wird ein magnetisches Feld erzeugt,
welches den Lichtbogen in Rotation versetzt.
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FüßiRurze Zeit des Stromdurchflusses durch die Elektroden bei einer
Kurzschlußschaltung reichen kleine Wicklungsquerschnitte aus. Für den im geschlossenen
Schalter dauernd fließenden Nannstrom aber müssen die Querschnitte ausreichend groß
ausgeführt sein, so daß eine wirtschaftliche Auslegung der Elektroden und damit
auch des Schalters nicht mehr erfolgen kann..
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, den elektrischen Schalter nach
dem Hauptptent....... (Patentanmeldung P 23 49 263.9) weiter zu verbessern. Insbesondere
soll der Schalter wirtschaftlich herstellbar sein, wobei auch die Baugröße das bisher
übliche Maß nicht wesentlich übersteigt.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß im Brennraum
eine Kommdutierungsvorrichtung vorgesehen ist1 welche den i'1 geschlossenen Zustand
über die Kontaktstücke fließenden Stroia bei einer Ausschalthandlung auf die Mittel
zur Er7eugui1g des zweiten Lichtbogens kommutiert, so daß die im geschlossenen Zustand
stromfreien MStel den Strom lediglich bei einer Ausschalthandlung übernehmen und
zwischen sich den zweiten Lichtbogen ziehen.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung geht dahin, daß eine
erste Elektrode fest mit einem der Kontaktstücke und eine zweite der ersten nachlaufend
ausgebildet ist und einen größeren Durchmesser als die erste aufweist, daß an dem
die erste Elek
trode tragenden Kontaktstiick ein rad.ial verlaufender
zur Innenwand des Gehäuses reichender, mit einem an der Innenwand angebrachtem,
axial verlaufendlem Stremführungselement zusammenwirkender erster Kontaktfinger
angebracht ist, und daß an dem Strom zuftihrungseleinent ein radial nach innen verlauf
ender zweiter Kontaktfinger befestigt; ist, welcher mit der zweiten Elektrode zusamrnenwirkt,
dergestalt, daß im eingeschalteten Zustand der erste Kontaktfinger mit dem Stromzuführuigselement,
der zweite Kontaktfinger nicht mit der zweiten Elektrode in elektrischer Verbindung
steht, bei einer Ausschalthandlung jedoch sich der erste Kontaktfinger von dem Stromzuführungselement
entfernt, gleichzeitig der zweite Kontaktfinger mit der zweiten Elektrode in Verbindung
gelangt und so den Stromfluß vom Stromzuführungselement über den ersten Kontaktfinger
auf die beiden Kontaktstücke nunmehr über den zweiten Kontaktfinger und die beiden
Elektroden auf die Kontaktstücke kommutiert.
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Der besondere Vorteil dieser hlordnung liegt darin, daß die beiden
Elektroden nicht auf den Nennstrom als Dauerstrom ausgelegt sein müssen, sondern
nur auf den höheren, dafür aber nur sehr kurze Zeit, etwa 100 ms, fließcnden Kurzschlußstrom.
Daher kann der Querschnitt der beiden, den zweiten Lichtbogen zwischen sich ziehenden
Elektroden verhältnismäßig klein gehalten werden, ao daß die Baugröße des Brenuraumes
ebenso wie die Menge des zuverwendenden Materials und damit die Kosten klein gehalten
werden können bzw. nicht höher anzusetzen sind wie bei einem zur Zeit üblichen Druckgaaschalter,
wohl aber die Abschaltleistung bei einem Kurzschluß wesentlich höher liegt.
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Wenn die beiden Elektroden außerhalb der Kolben-Zylinderanordnung
im wesentlichen im Bereich des dem beweglichen Kontaktstück nachlaufenden festen
Kontaktstückes angeordnet sind, dann ist die zweite Elektrode der ersten nachlaufend
ausgebildet.
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Das hierbei auftretende Problem liegt insbesondere darin, daß der
Nachlaufweg des festen Kontaktstückes relativ groß gewählt werden muß, da auch die
zweite Elektrode der ersten nachlaufen muß. In vorteilhafter Weise sind daher die
erste Elektrode und der Kontaktfinger mit dem beweglichen Kontaktstück verbunden,
und zwischen der ersten Elektrode und dem ersten Kontaktfinger ist diesem benachbart
eine Isolierzwischenwand zur Vermeidung von Rückzündungen vom Stromzuführungselement
zum ersten Kontaktfinger angeordnet.
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Diese Ausführung ist deshalb besonders vorteilhaft, weil der Nachlaufweg
des festen Kontaktstückes in normalen und üblichen Grenzen gehalten werden kann.
Der Weg, den die zweite Elektrode zurücklegt, um mit dem zweiten Kontaktfing r in
elektrische Verbindung zu gelangen, kann im Vergleich zum Ausschaltweg ausreichend
groß gewählt werden; es bleibt dann immer noch genug Weglänge übrig, um einen genügenden
Abstand zwischen beiden Blektroden zu erhalten.
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Anhand der Zeichnung sollen weitere, Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen
der Erfindung an einem Ausführungsbeispiel erläutert und näher beschrieben werden.
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Es zeigt Fig. 1 einen elektrischen Schalter mit einer erfindungsgemäßen
Kommutierungseinrichtung, im eingeschæiteten Zustand, Fig. 2 den elektrischen Schalter
nach Fig. 1 in der Kommutierungsstellung und Fig. 3 den Schalter nach den Fig. 1
und 2 in Löschstellung, jeweils im Querschnitt.
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Ein Schalter 1 mit der Kommutierungsennrichtung nach der Erfindung
besitzt ein Gehäuse 2, in welchem sich ein festes und ein
bewegliches
Kontaktstück 3 bzw. 4 befinden. Dabei ist das feste Kontaktstück 3 als dem beweglichen
Kontiktstück 4 nachlaufend ausgebildet, wobei der NachlauIweg klein ist gegenüber
dem Weg, den das bewegliche Kontaktstück 4 bei einer Ausschalthandlung zurücklegt.
Das bewegliche Kontaktstück 4 besitzt einen düsenähnlich ausgebildeten Innenkanal
5 und wird von einer nicht weiter dargestellten Antriebsvorrichtung angetrieben.
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An dem an der Kontaktstelle befindlichen Ende, also an dem dem festen
Kontaktstück 3 zugewandten Ende des beweglichen Kontaktstückes 4 ist ein Formstück
6 mittels Tragelementen 7 befestigt.
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Die Tragelemente 7 lassen in axialer Richtung verlaufende Durch laßöffnungen
8 frei, deren Funktion weiter unten erläutert wird.
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Das Formstück 6 ist im Prinzip kegelstumpfförmig ausgebildetund öffnet
sich in Richtung zum beweglichen Kontaktstück 4. Die von Jenem wegweisende Spitze
besitzt eine Öffnung 9, welche einem beweglichen Kontaktstück 4 weg in Ri.chtung
auf das feste Kontaktstück 3 hinweisende Erweiterung 10 besitzt. Die Innenkontur
der Öffnung 9 ist daher düsenförmig ausgestaltet. Das Formstück 6 umfaßt im eingeschalteten
Zustand das feste Kontaktstück 3 druck dicht. Am beweglichen Kontaktstück 4 ist
eine ringförmig ausgebildete Elektrode 11 mit Befestigungsmitteln 12 befestigt;
als BeSestigungsmittel 12 können Tragarme verwendet werden. Dies ist allerdings
hier nicht weiter dargestellt. Die Elektrode 11 uafaßt das bewegliche Kontaktstück
4 konzentrisch und ist über die Befestigungsmittel 12 mit Jenem elektrisch leitend
verbunden.
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Zwischen der Elektrode 11 und der Löschkontaktstelle ist an der Innenwand
des Gehäuses 2 eine annähernd radial nach innen verlaufende Wand 13 angeordnet,
derart, daß im ausgeschalteten Zustand zwischen Formstück 6 und der Wand 13 ein
Abstand D gewahrt ist. Der Raum zwischen Formstück 6 und der Wand 13 ist der eigentliche
Kompressionsraum und ist mit der Bezugsziffer 14 bezeich-,net. Der Abstand D, den
das Formstück 6 und dieWand 13 im ausgeschalteten
Zustand zwischen
sich einhalten, ist im wesentlichen abhängig von dem im Kompressionsraum 14 befindlichen
Löschgas und von dem gewählten Löschgasdruck.
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Im Bereich zwischen der Elektrode 11 und den Tragelementlen 7 ist
das bewegliche Kontaktstück 4 von einem Isoliermantel 15 umgeben.
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Die Wand 13 umfaßt das bewegliche Kontaktstück 4 mitsamt dem Isoliermantel
15 mit einer Bohrung 13, wobei sie mit dem Isolier mantel 15 derart zusammenwirkt,
daß eine druckdichte Berührung zwischen beiden erreicht ist. Zwischen der Wand 13
und der Elektrode 11 ist eine weitere Elektrode 16 vorgesehen, welche genau so wie
die Elektrode 11 aufgebaut ist; der Durchmesser ist Jedoch größer als der der Elektrode
11.
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Diese weitere Elektrode 16 ist in einem gewissen Bereich beweglich
und im eingeschalteten Zustand von der Elektrode 11 gegen den Druck einer Feder
17 gegen die Wand 13 gedrückt.
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Jenseits der Elektrode 11, also i der Zeichnung rechts von der Elektrode
11, ist am beweglichen Konta/ktstück 4 ein Kolberzbodcn 18 befestigt; Der zwischen
der Wand 13 und dem Kolbenboden 18 befindliche Raum ist als Brennraum 19 bezeichnet.
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Auf der dem Brennraum 19 gegenüberliegenden Seite des Kolbenbodens
18 ist ein radial verlauf ender und bis zur Innenwand des Gehäuses 2 reichender
erster Kon-Laktfinger 20 am beweglichen Kontaktstück 4 befestigt, an dessen freiem
Ende ein Gleitkontaktstück 21 angebracht ist. An der Innenwand des Gehäuses 2 ist
ein in axialer Richtung verlaufendes, als Stromsuftihrungselemerltdienendes Gleitkontaktband
22 angeordnet, welches an seinem in Ausschaltrich/tung weisenden Endes also in der
Zeichnung an seinem rechten Ende, eine Abwinkelung 23 nach außen durch das Gehäuse
2 hindurch und an seinem anderen Ende, also in der Zeichnung ar, seinem linken Ende,
eine solche nach innen aufweist. Letztere
trägt die Bezugsziffer
24 und endet in einem Gleitkontaktstück 25 dessen Abstand von der Mittelachse des
Schalters 1 dem Außendurchmesser der weiteren oder zweiten Elektrode 16 entspricht.
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Die Abwinklung 24 nach innen ist auch als zweiter Kontaktfinger 24
bezeichnet. Die Länge des Gleitkontaktbandes 22 und der Ort an der Innenwand des
Gehäuses ist derart, daß im eingeschalteten Zustand das Gleitkontaktstück 21 am
Kontaktfinger 20 gerade noch mit dem Gleitkontaktband 22 in elektrisch leitender
Verbindung steht, die Abwinkelung 24 aber zusammen mit der Elektrode 11 in einer
Querebene zur Mittelachse, nicht in leitender Verbindung, zu liegen kommt.
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Die zweite Elektrode 16 ist von der ersten Elektrode 11 gegen die
Wand 13 gedrückt und befindet sich in einem Abstand zu dem Gleijkontaktstück 25.
Der Nachlaufweg der zweiten Elektrode 16 ist nun so groß wie der eigene halbe Druchmesser
plus dem halben Durchmesser der Wicklungen der beiden Elektroden. Daher bewegt sich
die zweite Elektrode 16 bei einer Ausschalthandlur.g solange der ersten Elektrode
11 nach, b.is sie mit dem Gleitkontektstück 25 an der Abwinkelung 24 in elektrisch
leitende Verbindung gelangt und dort bei weiterer ausschaltbewegung stehen bleibt.
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Die Wirkungsweise des Schalters 1 soll im. folgenden näher erläutert
werden: im eingeschalteten Zustand, wenn also die beiden Kontaktstücke 3 und 4 sich
berühren, fließt der Strom über die Abwinkelung 23, den Kontaktfinger 20 zum beweglichen
Kontaktstück 4; von dort zum festen Kontaktstück 3 bzw umgekehrt. Er fließt nicht
über die beiden Elektroden 11 und 16, welche als Wicklungen ausgeführt nicht für
den Nennstrom dimensioniert sind Bei einem Ausschaltvorgang, insbesondere bei einem
Kurzschluß, bewegt sich unter der Einwirkung der Antriebsvorrichtung das be 1 wegliche
Kontaktstück 4 in Pfeilrichtung A. Dabei entfernt sich der Kontaktfinger 20 vom
Gleitkontaktband 22, wobei kurz zuvor der Gleitkontakt 25 auf die Elektrode 16 gelangt
ist. Ein I.icht
bogen zwischen dem Gleitkontaktband 22 und dem Kont£tfinger
20 ist nicht gezogen worden, das Gas im Kompressionsraum 14 ist zu diesem Zeitpunkt
komprimiert worden, da das Formstück 6 gegen die Wand 13 gesogen wurde. Das nachlaufende
festeKontaktstück 3 ist zu diesem Zeitpunkt immer noch mit dem beweglichen Kontaktstück
4 in elektrischer Verbindung. (Fig.2) Bei weiterer Ausschaltung entfernt sich die
Elektrode 11 von der Elektrode 16 und zieht einen zweiten Lichtbogen 26, wobei die
Löschkontaktstelle zunächst immer noch geschlossen bleibt. Auf Grund der. Ausbildung
der Elektroden 11 und 16 als Widlungen beginnt der zweite Lichtbogen, oder auch
Zweitlichtbogen genannt, zu rotieren und erreicht dadurch eine gleichmäßige Erwärmung
des Gases im Brennraum 19, wobei er wegen seiner helixförmigen Ausbildung praktisch
alle Teilbereiche des Brennraumes 19 erreicht.
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Nachdem also der Zweitlichtbogen 26 gezogen ist, wobei er noch nicht
seine volle Länge erreicht hat, bleibt das naclEaufende feste Kontaktstück 3 stehen,
während das bewegliche Kontakt stück 4 weiterbewegt wird. Dabei trennen sich beide
voneinander und ziehen den Schaltlichtbogen 27 zwischen sich. Das Formstück 6 bo
wegt sich dabei immer weiter gegen die Wand 13; dadurch wird das Gas im Kompressionsraum
immer weiter komprimiert; es beginnt, kurz nach Öffnung der Kontaktstücke 3 und
4 in Pfeilrichtung B und später, nach Entfernung des Formstückes 6 vom festen Kontaktstück
3 auch in Pfeilrichtung C eine Gasströmung zur Beblasung des Lichtbogens aus dem
Kompressionsraum 14. Der Zweitlichtbogen 26 erhöht die Temperatur des Gases im Brennraum
und damit dessen Druck plötzlich sehr stark und drückt dadurch den Kolbenboden 18
und damit das bewegliche Kontaktstück 4 weiter in Pfeilrichtung A. Bei großen Strömen
die eine starke Lichtbogenbeblasung erfordern, muß im Kompressionsraum 14 das Löschgas
stark komprimiert werden, damit eine hohe Löschmittelgeschwindigkeit erreicht wird.
Da jedoch bei großen Strömen auch der Zweitlichtbogen 26 groß sein wird, wird im
Brennraum 19 ein großer Druck
aufgebaut, der den Antrieb über den
Kolbenboden 18 in der Ausschaltrichtung unterstützt Der Antrieb des Schalters braucht
also trotz erforderlicher höherer Löschmittelgeschwindigkeiten bei großen Kurzschlußströmen
nicht stärker ausgelegt werden, als nach der erforderlichen Antriebskraft für eine
Nennstromabschaltung, also kleiner als bei den heute bekannten Schaltgerätenv