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Hochspannungsschaltkammer
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Gegenstand der Erfindung Zusatz zu der DE-PS ., .. ... , Patentanmeldung
32 40 774.2.
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Der Zusatz betrifft gleichfalls eine Hochspannungs-Druckgasschaltkammer
mit Vorkompression des Schal.tgases und lYnterbrechung des Schaltlichtbogens durch
eine Schaltgasströmung insbesondere in einer Doppeldüsenanordnung.
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Die DWsenkörper gehören Jedoch nun zu den bewegbaren Bauteilen der
Unterbrechereinheit.
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Stand der Technik In der DE-PS 19 13 969 wird die AusSiihrung einer
ifochspannungs-Druckgasschaltkammer mit Vorkompression des Schaltgases beschrieben.
Darin ist wie bereits bekannt ein
bewegbarer zweiteiliger Zylinder
als Kompressionszylinder und teilweise als Schaltstück eingesetzt. Dieser Zylinder
besteht zunächst aus einem auf der Antriebsseite abgedichteten metallischen Teilzylinder
(4).
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Daran schließt sich ein Isolierstoffzylinder an, der an der Stirnseite
in eine ebenfalls aus Isolierstoff angefertigte mit (8) bezeichnete Abschlußplatte
übergeht.
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Entsprechend dem auf die Abschlußplatte einwirkenden Gasdruck bei
der Vorkompression des Schaltgases nimmt ihr Querschnitt in Richtung auf die Zylinderwand
aus mechanischen Gründen zu.
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Zentral weist diese Abschlußplatte eine kreisförmige das feststehende
Lichtbogenschaltstuck (2) umgebende Öffnung auf.
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In der Lehre von derBewegung der Gase wird eine solche Öffnung als
Blende bezeichnet (E. Schmidt, Thermodynamik, Zehnte verbesserte Auflage, Springer-Verlag
Berlin/Göttingen/Heidel berg).
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Zutreffend definiert auch der Patentanspruch 1 der genannten DE-PS
das durch die Verbindung der beiden zylindrischen Teile aus Metall und Isolierstoff
entstandene .Bauelement als t'2laszylinder (4,8)' und nicht als "krise".
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Das zur Abfuhr von Schaltgasen hohl ausgebildete bewegliche Schaltstück
bildet mit dem Blaszylinder - genauer ausgedrückt, mit dem Rand der Isolierstoffblende
in der Abschlußplatte des Blaszylinders - einen Ringspalt (11), der unmittelbar
mit dem Kompressionsvolumen des Kolben-Zylindersystems verbunden ist0 Ein Anströmkanal
zu diesem Ringspalt ist also nicht vorhanden Bei einer Ausschaltung verläßt das
Schaltgas durch den Ringspalt den Kompressionsraum und findet unmittelbar daran
anschließend eine Konfiguration vor von zwei sehr unterschiedlichen Abströmwegen,
nämlich die schon zitierte Kreisblende nach der einen Seite und ein langes Rohr
nach der anderen.
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Düsen sind nicht erkennbar.
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Unter diesen Umständen ist der zu entionisierende Schaltlichtbogen
einer nur wenig beeinflußbaren und daher nicht optimal löschwirksamen Schaltgasströmung
ausgesetzt.
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Die unmittelbare Verbindung des Ringspaltes mit dem Kompressionsraum
des "Blassylinder9" bedeutet aber auch, daß heiße Schaltgase wegen der fehlenden
radialen Gegenströmung frischen Schaltgases in diesen Xompressionsraum eindringen
können. Ein solches Phänomen wirkt sich gleichfalls wenig förderlich aus auf das
Vermögen des Schalters insbesondere große Kurzschluß ströme zu unterbrechen.
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Auf die Isolierstoffblende folgt unmittelbar senkrecht zur Schaltkammerachse
eine glatte Isolierstoffwand, und zwar ist es die Innenwand der Abschlußplatte,
Sie ist in dieser Anordnung der direkten Einwirkung des Schaltlichtbogens insbesondere
seiner Strahlung ausgesetzt.
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Ein Umstand, der die dielektrische Festigkeit des Ringspaltes sowohl
während einer Ausschaltung als auch später im ausgeschalteten Zustand beeinträchtigen
kann.
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Thermodynamisch und dielektrisch verbesserungsfähige Konfigurationen
gibt es auch bei den bisher bekannt gewordenen I)ruckgas-Vorkompressionsunterbrechereinrichtungen
mit bewegten Isolierstoffdilsen.
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Z.B. verbindet in diesen Fällen ein verhEltnism0ßig sehr langer und
vorwiegend achsial verlaufender Kanal die DUseneinströmöffnung mit dem Kompressionsraum.
So können große Kurzschlußströme beim Ausschalten mit ihrer großen Lichtbogenenergie
die Löschgaszufuhr in den DUsenraum erheblich verzögern und die Unterbrecherwirkung
reduzieren.
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Als repräsentativ ftir viele derartiger Unterbrechereinrichtungen
seien zitiert ohne dabei Vollständigkeit zu beanspruchen: DE-OS 17 65 153, DE-OS
25 45 479, DE-OS 28 28 773.
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Aufgabe der Erfindung Die stationäre Anordnung symmetrischer boppeldüsenkörper
gemäß P 32 40 774.2 soll in eine physikalisch mindestens äquivalente bewegbare Anordnung
transformiert werden.
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Diese Maßnahme soll im Fortschritt zu dem dargelegten Stand der Technik
die Stromunterbrecherwirkung und auch die dielektrische Festigkeit im ausgeschalteten
Zustand insbesondere im Bereich sehr hoher Nennspannungen erhöhen.
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Darstellung der Erfindung Die gestellten Aufgaben der Erfindung werden
im wesentlichen durch folgende konstruktive Maßnahmen realisiert: Ein bewegbarer
Kompressions-Ringzylinder, eine bewegbare Druckkammer also, wird von den Tragzylindern
symmetrischer Düsenkörper gebildet.
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Je ein Isolierstoff- und Leitstoff- Düsenkörper wird in den Stirnbereich
Je eines Tragzylinders so eingesetzt, daß ein symmetrisches DoppeldUsensystem entsteht.
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Dabei durchdringt der Isolierstoffdüsenkörper die vorteilhaft gleichfalls
aus Isolierstoff bestehende Stirnwand des Kompressionsraumes und begrenzt gleichzeitig
diesen Raum teilweise in Richtung zur Schaltkammerachse.
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Die den Isolierdiisenkörper tragende Druckrautn-Stirnwand aus Isolierstoff
befindet sich im Schatten des Isoli.erdiisenkörpers und ist der direkten Einwirkung
des Schaltlichtbogens entzogen.
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Das Schaltgas wird dem Düsenraum durch einen Ringkanal zugeführt,
dessen Ebene der Schaltkammerachse hauptsächlich senkrecht zugeordnet ist.
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Der feststehende Kompressionskolben ist wischen der mechanischen
Verbindung der die Druckkammer bildenden 1)üsenkbrper-Tragzylinder und dem Ringkanal
angeordnet.
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Diese Problemlösung wird durch die im Patentanspruch 1 sowie in den
nachfolgenden Patentansprüchen spezifizierten Erfindungsmerkmale definiert und an
Hand von zwei Ausführungsbeispielen prinzipiell erläutert.
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Ausführungsbeispiel Die wesentlichen Merkmale der Erfindung werden
an zwei Ausführungsbeispielen erläutert.
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Fig. 1 zeigt eine bewegbare Isolierstoff- Leitstoff- Ddsenkörperanordnung
mit zwei Vorkompressionsräumen A und B.
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Diese Räume sind geometrisch in Reihe geschaltet und pneumatisch
parallel.
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Der Vorkompressionshub ist etwa gleich dem geometrischen Hub sg in
P 32 40 774.2.
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Fig. 2 stellt gleichfalls eine bewegbare Isolierstoff- Leitstoo- 1)Usenkörperanordnung
dar jedoch mit einem einzigen durch einen abgestuften Kompressionszylinder und Kompressionskolben
vergrößerten Vorkompressionsraum.
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Der Vorkompressionshub gleicht etwa dem düsenwirksamen Hub sd in
P 32 40 774.2 , wobei sd kleiner ist als sg.
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Zu Fig. 1 Thema des Ausfthrungsbeispiels sind metallgekapselte SF6-isolierte
dreipolige Leistungsschalter insbesondere mit Nennspannungen von 245 bis 362 kV
und mit nur einer Schaltkammer pro Schalterpol.
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In diesem Zusammenhang zeigt es einen Längsschnitt durch die erfindungsgemäße
Unterbrechereinrichtung 1.
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Das Schaltgefäß, in das diese Unterbrechereinrichtung eingebaut istp
und das stützende Isolierrohr sind nicht mit dargestellt. Beides wird für die Erläuterung
von Aufbau und Funktionieren der Unterbrechereinrichtung nicht benötigt.
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Auf der einen Seite der Mittellinie des Schnittbildes sieht man die
Unterbrechereinrichtung im eingeschalteten Zustand und auf der anderen Seite im
ausgeschalteten. Zwischen diesen beiden Stellungen findet während einer Ausschaltung
die nicht dargestellte Unterbrechung des Lichtbogenstromes statt.
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An der ringförmigen Grundplatte (71) sind das Tragrohr (11) sowie
die Stromleitungs- und Kontaktfingerhülse (21) montiert.
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Die Grundplatte ist an dem schon erwkhnten Isolier- und StUtzrohr
befestigt.
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Auf der entgegengesetzten Seite ist eine zweite ringförmige Platte
(74) vorhanden als Mittel zur Halterung von Bauteilen der Unterbrechereinrichtung
und ihrer Befestigung an dem Schaltgefäß. So gibt diese Ringplatte dem Gehäuse (77)
Halt.
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Darin befinden sich flach bauende Kontaktfinger (78). Sie werden von
Jeweils einer Kontaktfeder, die im Körper des Kontaktfingers eingebettet ist, gegen
die Kontaktauflagen im Kontaktgehäuse und an dem bewegbaren Schaltstück gedrückt.
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Das hülsenförmige Gehäuse (77) erweitert sich zu dem abgeschlossenen
Schaltgas-Expansionszylinder (76), Seine Höhe und damit sein Volumen hängt von der
Größe des Nennkurzschlußausschaltstromes des Schalters ab.
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In Richtung von der Antriebs- zur Stirnseite des Kompressionszylinders
(12) folgt auf einen metallischen Teilzylinder (12a) ein Isolierstoff-Teilzylinder
(12b), dessen Isolierstoff-Abschlußkörper (1 2c) erfindungsgemäß ein Isolierstoff-Düsenkörper
(4) durchdringt.
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Dabei dringt der Isolierstoffdüsenkörper so tief in den Kompressionszylinderraum
ein, daß die darin befindliche Partie erfindungsgemäß teilweise die Innenwand dieses
Raumes A bildet.
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Auf den Isolierstoffdüsenkörper folgt im achsialen Abstand ein ebenfalls
teilweise die Innenwand des Kompressionsraumes A bildender Leitstoffdüsenkörper
(3); er ist in ein bewegbares Gasabströmrohr (16) eingefügt.
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Auch das Gasabströmrohr beteiligt sich als innerer Kompres sionszylinder
an der Bildung des ringzylindrischen Kompressionsraumes A. Es trägt desweiteren
einen Ringplattenansåtz (84), der mit einer Gasdichtung ausgerüstet ist, und es
führt gasdicht an einem ersten (10) und zweiten (80) feststehenden Kompressionskolben
vorbei. Beide Kompressionskolben sind an dem Tragrohr (11) angebracht und mit Gasdichtungen
versehen.
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Anschließend erweitert sich das Gasabströmrohr auf einen erheblich
größeren Durchmesser. In diesem Bereich ist es mit dem metallischen Teil (12a) des
äußeren Kompressionszylinders (12) verbunden Zu dieser Verbindung trägt der Zapfen
(85) bei, an dem ein Arm (91) eines nicht zu sehenden gabelförmigen Antriebselementes
angreift. Die leicht federnden Gabelarme erleichtern die Montage, denn bei der gewählten
Konstruktionsform eritbrigt sich eine Sicherung. Als Folge des erweiterten Rohrquerschnitts
wird die Schaltgasabströmung durch die Antriebselemente praktisch nicht behindert.
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Zwischen den Leitstoff- und Isolierstoffdüsenkörpern ermöglicht erfindungsgemäß
ein ringförmiger Kanal (92) die symmetrische Einströmung des Schaltgases in den
Disenraum.
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Im ausgeschalteten Zustand stellt dieser Kanal eine Isolierstrecke
dar. Damit weist die erfindungsgemäße Unterbrechereinrichtung inagesamt zwei isolierende
Gasspalte auf, was als besonders vorteilhaft angesehen werden darfO
In
die Leitstoffdüse ragt ein feststehender okörper (17) hinein und gibt am Düseninnenrand
Kontakt. Während einer Ausschaltung und auch nach der Vorzündung bei einer ,inschaltung
fungieren BeitstoffdUsen- und Rohr- Körper (3,17) als Lichtbogenschaltstücke. Zweckmäßigerweise
bestehen beide Körper aus Graphit.
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Das feststehende Lichtbogenschaltrohr (17) erweitert sich konusförmig
zu einem nicht mehr sichtbaren Tragrohr.
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Sowohl in das Lichtbogenschaltrohr als auch in den Übergangskegel
sind Längsschlitze eingearbeitet, die das Abströmen der Schaltgase erleichtern.
In Wechselwirkung rnit den kegeligen Leitblech (93) tragen sie dazu bei, daß kein
heißes Schaltgas die Hülse (77) verlaßt in Richtung auf die in Entstehung begriffene
offene Schaltstrecke, Die Rückströmung des Spaltgases aus dem Expansionsraum in
den Bereich der Schaltstrecke beruht zum Teil auf dern örtlichen Druckanstieg infolge
der mitgeführten Lichtbogenenergie, 1enn dem in den Expansionsraurn einströmenden
Schaltgas soviel Wärme entzogen wird, daß es sich dielelctrisch praktisch als Isollergas
verhält - dies trifft zu bei Temperaturen unter 1900 K mit zugehörigen elektrischen
Lei.tfähigkeiten unter 10-10 Siemens/m - dann strömt wegen der damit verbundenen
Druckverminderung bereits weniger Gas aus dem Expansionsraum, und das was davon
noch in den Bereich der Schaltstrecke gelangt, kann ihre dielektrische Ji'estigkeit
nicht mehr beeinträchtigen.
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Diese Druckabsenkung im Expansionsraum ermöglicht auch eine größere
Wärmetransportfähigkeit des Schaltgases, was wieder die Unterbrecherwirkung erhöht.
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Die Kiihlung der heißen Schaltgase erfolgt durch Wärmetauscher, etwa
gemäß DE-OS 24 11 836, die jedoch nicht wie dort angegeben im Gasabströmrohr angeordnet
sind sondern sich in der Hülse (77) und im Expansionsgefäß (76) befinden.
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Der metallische Teil (12a) des Kompres.sionBzylinders (12) erfüllt
außerdem noch die Funktion eines bewegbaren Dauerstromschaltstücks. Zu diesem Zweck
ist es an seiner Stirnseite mit einer Kontaktauflage (14) versehen, die auch gemeinsam
mit dem Leitstoffdüsenkörper (3) wie eine sehr großflächige Elektrode wirkt.
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Auf der entgegengesetzten Stirnseite ist die Wandstärke des Kompressionszylinders
(12) abschnittsweise verstärkt, um daran einfach das Abströhmrohr (16) sowie den
Verbindungs- und Lagerzapfen (85) befestigen zu können.
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Die Außenoberfläche des Kompressionsæylinders berühren die Kontaktfinger
(20).
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Die Teilzylinder (12a,12b) haben erfindungsgemäß noch eine weitere
Aufgabe. Gemeinsam mit dem Tragrohr (11) bilden sie den Ringkanal (81), der die
Kompressionsräume A und B pneumatisch parallel schaltet. Die Einströmöffnungen sind
mit (82) bezeichnet.
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Als Distanzstück und gleichzeitig als Gleitlager für den Blaszylinder
ist der Ansatz (83) an dem ragrohr (11) vorgesehen; in seinem Bereich befindet sich
ein nicht mehr dargestelltes Rückschlagventil.
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Im Ablauf einer Ausschaltung wird in den pneumatisch parallel geschalteten
Räumen A und B das Schaltgas verdichtet.
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Sobald zuerst die Leitstoffdüse und kurz hinterher die Isolierstoffdse
sich von dem feststehenden Lichtbogenschaltstück (17) lösen, strömt das Schaltgas
zunächst aus dem Kompressionsraum A in den Düsenraum. Der einsetzende Druckverlust
wird jedoch durch den Gasnachschub aus dem Kompressionsraum B über den Ringkanal
¢81) kompensiert.
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Während im Raum B das Schaltgas komprimiert wirdf weitet sich der
Raum C aus als zusätzlicher Expansionsraum für das der Leitstoffdilse (5) entströmende
Schaltgas0 Die Rinströmöffnungen sind mit (94) markiert.
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Von diesem Raum geht auch eine der Schaltgasabströmung förderliche
Saugwirkung aus. Durch seinen Druck auf den bewegbaren Kolben (84) untersetzt das
Gas im Zwischenspeicher C den Antrieb. Als weiterer Expansionsraum dient der Speicher
D mit den Einströmöffnungen (96).
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Zu 2'ig. 2 Die Darstellung betrifft die Schaltkammer eines Schalterpols,
dessen Nennspannung im Spannungsbereich von 245 bis 362 kV liegt. Die zugehörigen
Nennkurzschlußausschaltströme gehören dem Bereich von 50 bis 30 kA an.
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Hinsichtlich des dargestellten Schnittbildes der Schaltkammer beschränken
sich die Erläuterungen auf die relevanten Veränderungen gegenüber der Ausführung
nach Fig. 1.
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ebenso wie dort ist auch hier die Unterbrechereinrichtung sowohl im
eingeschalteten als auch im ausgeschalteten Zustand zu sehen.
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Von Bedeutung ist, daß der metallische Teilzylinder (12a) des Kompressionazylinders
(12) gegenüber dem Isolierstoffteilzylinder (12b) einen größeren Durchmesser aufweist.
Durch diese Maßnahme entsteht ein Stufenzylinder in einer relativ sehr einfachen
Ausführungsform, Damit korrespondiert der in zwei feststehende rämlich aufeinander
folgende Teilkolben (10a,10b) gegliederte Sompressionskolben (10).
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So läßt sich der Kompressionsraum A um den Raum a vergrößern und dadurch
der Druckabfall'im Gesamtraum ebenfalls abschwächenO In einer vorteilhaften Variante
kann der äußere Teilkolben (1 ob) bewegbar und zugleich auch rastbar ausgeführt
werden.
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Wegen der leichten Vorstellbarkeit wurde diese Variante nicht in die
Zeichnung aufgenommen, Der äußere Kolben ist etwa in der Höhe des inneren Teil kolbens
festgerastet. Dadurch verkleinert sich zwar der Kompressionsraum a etwas, dafür
wird sein Gasinhalt zu einem relativ frühen Zeitpunkt vollständig in den Kompressions
raum A gedrückt und vergrößert dort wunschgemäß den Gasdruck, Anschließend wird
der Teilkolben (1 ob) entrastet und vom Kompressionszylinder in die Ausschaltposition
mitgenommen.
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Gegebenenfalls läßt sich die Verkleinerung des resultierenden Kompressionsraumes
als Folge des vorgezogenen Teilkolbens (1 ob) durch einen im Durchmesser vergrößerten
äußeren Teilzylinder und Teilkolben ausgleichen.
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Diese Variante zur Verkürzung der Vorkompressionszeit und -wie in
DE-OS 31 24 075 bereits dargelegt - auch zur Erhöhung der transienten dielektrischen
Festigkeit insbesondere beim Schalten kapazitiver Ströme ist prinzipiell schon aus
DE-OS 23 61 687 bekannt.
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Sie wird jedoch an dieser Stelle inVerbinduiig mit einer Unterbrechereinrichtung
beschrieben, die - wie unter Stand der Technik vermerkt und daraus herleitbar -
gegenüber der erfindungsgemäßen Unterbrechereinrichtung gravierende - Mängel aufweist.
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Die Vorteile dieser Schnellkompressionseinrichtung kommen also erst
voll zur Geltung in Kombination mit der erfindungsgemäßen Unterbrechereinrichtung.