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Elektrischer Druckgasschalter
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Die Erfindunq bezieht sich auf einen elektrischen Druckgasschalter
mit einem Kontaktsystem, bestehend aus mindestens einem festen und einem beweglichen
Schaltstück, von denen wenigstens eines zur Abfuhr von Schaltgasen hohl ausgebildet
ist und zwischen denen beim Ausschalten ein Lichtbogen brennt, und mit einer das
Kontaktsystem umgebenden Kolben-Zylinder-Anordnung zur Erzeugung einer Löschgasströmung,
und mit zwei mit dem Kontaktsystem elektrisch in Reihe geschalteten Elektroden,
von denen eine feststehend und die andere beweglich angeordnet und mit dem beweglichen
Schaltstück starr gekoppelt gemeinsam angetrieben ist zur Erzeugung eines Hilfslichtbogens
in einem außerhalb der Kolben-Zylinder-Anordnung vorgesehenen mit Druckgas gefüllten
Brennraum, der während des Ausschaltvorganges geschlossen ist und einen mit dem
beweglichen Teil der Kolben-Zylinder -Anordnung verbundenen beweglichen Wandteil
aufweist.
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Bei einem derartigen elektrischen Druckgasschalter, wie er aus der
DE-PS 23 49 263 bekannt ist, ist der Brennraum so ausgebildet, daß während des Ausschaltvorganges
eine Gasströmung aus diesem heraus verhindert ist, wobei die Antriebsvorrichtung
so ausgelegt ist, daß ihre Energie für die Ausschaltung etwa des Nennstromes ausreicht
und die für die Ausschaltung des Nennausschaltstromes erforderliche Zusatzenergie
durch den Hilfslichtbogen erzeugt wird. Beim bekannten Schalter ist damit die Antriebsenergie,
die zur Bewegung der Schaltstücke des Kontaktsystems, der Elektrode und des beweglichen
Teils der Kolben-Zylinder-Anordnung erforderlich ist, verringert. Dennoch muß der
Antrieb auf
den für die Löschmittelströmung notwendigen Hub einerseits
und im Hinblick auf die zur Beschleunigung der zu bewegenden Massen erforderlichen
Kräfte andererseits ausgelegt werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Druckgasschalter der
eingangs genannten Art anzu»eben, bei dem der Antrieb von der Größe des zu schaltenden
Stromes unabhängig und mit einem möglichst geringen Hub bei geringen bewegten Massen
ausgebildet ist, wobei die Vorteile einer Kolben-Zylinder-Anordnung zur Beblasung
des Schaltlichtbogens beibehalten werden.
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Nach der Erfindung wird dies dadurch gelöst, daß der bewegliche Teil
der Kolben-Zylinder-Anordnung und der bewegliche Wandteil des Brennraumes nur von
der Energie des Hilfslichtbogens gegen die Kraft einer Rückstellfeder bewegbar und
vom Antrieb des beweglichen Schaltstückes und der beweglichen Elektrode mechanisch
entkoppelt sind.
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Durch Anwendung der Erfindung sind die vom Antrieb zu bewegenden Massen
wirksam verringert, weil nur noch das Kontaktsystem und die für den Hilfslichtbogen
vorgesehene Elektrodenanordnung bewegt werden müssen. Der notwendige Antriebshub
ist lediglich von den Isolationsstrecken zwischen den geöffneten Kontakten bestimmt,
so daß die Schaltstücke und Elektroden entsprechend massearm ausgebildet werden
können. Nur der bewegliche Teil der Kolben-Zylinder-Anordnung, der jedoch vom Antrieb
mechanisch entkoppelt ist, ist noch auf den für eine wirksame Löschgasströmung notwendigen
Verdichtungs- und Blashub auszulegen. Die hierfür erforderliche Antriebsenergie
wird jedoch nicht mehr dem Antrieb entzogen, sondern im Brennraum durch den Hilfslichtbogen
erzeugt. Damit besteht die Möglichkeit, einen einfachen, vergleichsweise schwachen
und kurzhubigen Antrieb für den elektrischen Druckgasschalter zu verwenden.
Bei
einem bevorzugten Ausführungsbeispie3 des Erfindungsgedankens sind di.e feststehende
und die bewegliche Elektrode als Ringelektroden ausgebildet, zwischen denen der
gezogene Hilfslichtbogen in eine möglichst günstige Verteilung innerhalb des Brennraumes
gezogen werden kann. Dabei kann es zweckmäßig sein, die bewegliche Ringelektrode
als Überbrückungsschaltstück auszubilden, das im Einschaltzustand die feststehende
Elektrode mit einer davon im Abstand angeordneten zweiten feststehenden Ringelektrode
verbindet, auf die der während des Ausschaltvorganges gezogene Hilfslichtbogen von
der beweglichen Elektrode kommutierbar ist.
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Auf diese Weise brennt der Hilfslichtbogen nach der kurzhubigen Bewegung
des Uberbrückungsschaltstückes im wesentlichen zwischen den beiden feststehenden
Ringelektroden und wird auch dort gelöscht, nachdem er die zum Löschen des Schaltlichtbogens
erforderliche Energie zum Bewegen des beweglichen Teils der Kolben-Zylinder -Anordnung
erzeugt hat.
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Ein besonderer Vorteil ergibt sich, wenn zumindest eine der feststehenden
Ringelektroden mit einer Spule zur Erzeugung eines den Hilfslichtboqen in eine Umlaufbewegung
zwingenden Magnetfeldes verbunden und die Spule vom Strom des Hilfslichtbogens durchflossen
ist. Es ergibt sich damit eine besonders gute Ausnutzung des Lichtbogenstromes für
die Ausnutzung der Antriebsenergie für die Kolben-Zylinder-Anordnung und weiterhin.
günstige Selbstlöschungseigenschaften, weil der Lichtbogen nicht an einer Stelle
des Brennraumes verharrt, sondern ständig quer zum Gas bewegt und damit besser gekühlt
wird. Die Spule ist im Einschaltzustand zweckmäßigerweise stromlos.
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Eine bevorzugte Ausgestaltung des Erfindungsgedankens besteht darin,
daß die Brennstrecke des Hilfslichtbogens von einer Isolierstoffblende aus lichtbogenbeständigem
Isoliermaterial umgeben ist, um die dem Lichtbogen benachbarten
Wandteile
des Brennraumes vor schädigenden Einflüssen des Lichtbogens zu schützen.
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Der Brennraum kann ein Schieberventil aufweisen, das vom beweglichen
Teil der Kolben-Zylinder-Anordnung nach der Kompressionsphase in die Offenstellung
und vor Beginn der Kompression in die Schließlage überführbar ist. Auf diese Weise
ist sichergestellt, daß der Brennraum von Verunreinigungen des Gases befreit wird
und die Kolben-Zylinder-Anordnung durch die Kraft der Rückstellfeder in die von
ihr bestimmte Vorzugslage (Kompressionslage) überführt wird. Die Kolben-Zylinder
-Anordnung kann zusätzlich oder anstelle des Schieberventils eine Bohrung zum Belüften
des Brennraumes nach der Kompressionsphase enthalten, um die Rückführung des beweglichen
Teils der Kolben-Zylinder-Anordnung in die Kompressionsstellung in allen Betriebsfällen
sicher zu gewährleisten.
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Der Antrieb des beweglichen Schaltstückes und der beweglichen Elektrode
kann mit einem Stößel verbunden sein, der während des Einschaltvorganges den beweglichen
Teil der Kolben-Zylinder -Anordnung zwangsweise in die eine nachfolgende Kompression
ermöglichende Ausgangsstellung überführt. Der Stößel unterstützt damit die Wirkung
der Rückstellfeder, die deshalb nur das Gewicht und etwaige Reibungsverluste der
Kolben-Zylinder -Anordnung zu kompensieren hat und entsprechend schwach ausgelegt
werden kann.
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Anhand der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen
elektrischen Druckgasschalters beschrieben und die Wirkungsweise erläutert.
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Die Figur zeigt in einem Längsschnitt einen elektrischen Druckgasschalter
in schematischer Darstellung mit einem aus zwei feststehenden düsenförmigen Kontakten
1, 2 und einem
beweglichen Schaltstück 3 bestehenden Kontaktsystem.
Die beiden feststehenden Schaltstücke 1, 2 sind zur Abfuhr des Löschgases hohl ausgebildet.
Zwischen den aus lichtbogenbeständigem Material, insbesondere Graphit, bestehenden
Stirnseiten la, 2a der Schaltstücke 1 und 2 brennt beim Ausschalten ein Lichtbogen.
Dieses Kontaktsystem ist von einer Kolben-Zylinder-Anordnung umgeben, die aus einem
beweglichen Blaszylinder 4 und einem feststehenden Blaskolben 5 besteht. Zur Erzeugung
einer Löschgasströmung wird das im Raum 6 vorhandene gasförmige Lösch- und Isoliermittel,
insbesondere SF6, komprimiert und durch das Innere der Schaltstücke 1 und 2 getrieben,
wenn das bewegliche Schaltstück 3 die Trennstrecke zwischen den beiden Stirnseiten
Ia und 2a freigegeben hat. Hierzu wird das iiberbrückungsschaltstück 3 in Pfeilrichtung
7 von einer Antriebsstange 8 bewegt.
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Mit dem Kontaktsystem 1, 2, 3 ist ein Elektrodensystem elektrisch
in Reihe geschaltet, das drei Elektroden 9, 10, 11 enthält. Die Elektroden 9 und
10 sind feststehend angeordnet und von der als tiberbrückungsschaltstück ausgebildeten
Elektrode 11 im Einschaltzustand überbrückt.
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Die bewegliche Elektrode 11 ist mit dem beweglichen Schaltstück 3
starr gekoppelt und gemeinsam von der Stange 8 angetrieben.
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Im Elektrodensystem 9, 10, 11. wird beim Ausschalten ein Hilfslichtboqen
gezogen, der in einem außerhalb der Kolben-Zylinder -Anordnung vorgesehenen, mit
Druckgas gefüllten Brennraum 12 brennt. Dieser Brennraum 12 ist während des Ausschaltvorganges
geschlossen. Er weist einen mit dem Zylinder 4 der Kolben-Zylinder-Anordnung verbundenen
beweglichen Wandteil 4a auf.
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Die starre Kopplung des beweglichen Schaltstückes 3 und der beweglichen
Elektrode 11 ist durch Isolierstangen 13 sichergestellt. Sowohl die feststehenden
Elektroden 9, 10, als auch die bewegliche Elektrode 11 sind als Ringelektroden ausgebildet.
Während der Ausschaltbewegung wird der Hilfslichtbogen zwischen der Elektrode 11
und der Elektrode 9 gezogen; wird bei Weiterbewegung in Ausschaltrichtung von der
Elektrode 11 auf die Elektrode 10 kommutiert. Damit brennt der Hilfslichtbogen zwischen
den in festem Abstand zueinander stehenden Ringelektroden 9 und 10. Ersichtlich
ist die Ringelektrode 9 mit einer Spule 14 verbunden, die zur Erzeugung eines den
Hilfslichtbogen in eine Umlaufbewegung zwingenden Magnetfeldes bestimmt ist. Die
Spule 14 ist nur vom Strom des Hilfslichtboqens durchflossen. Sie ist im Einschaltzustand
stromlos.
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Ersichtlich ist die Brennstrecke des Hilfslichtbogens zwischen den
beiden Elektroden 9, 10 von einer Isolierstoffblende 15 umgeben. Die Isolierstoffblende
15 besteht aus einem lichtbogenbeständigen Isoliermaterial, z. B. PTFE.
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Sie schirmt den beweglichen Wandteil 4a des Brennraumes 12 gegen schädliche
Lichtbogeneinflüsse ab.
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Der Blaszylinder 4 weist einen dem Brennraum 12 zugehörigen Kolbenteil
4b auf, der von einer Rückstellfeder 16 belastet ist.
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Zur Uberführung des elektrischen Druckgasschalters aus der oberhalb
der Mittellinie in der Figur dargestellten Einschaltstellung in die unterhalb dieser
Mittellinie gezeichnete Ausschaltstellung wird die Antriebsstange 8 in Pfeilrichtung
7 bewegt. Zunächst wird dabei die Elektrode 11 von der Elektrode 9 getrennt, so
daß unter Einschaltung der Spule 14 zwischen den beiden Elektroden 9, 11 ein Lichtbogen
gezogen wird. Im weiteren Verlauf der Ausschaltbewegung kommutiert der Hilfslichtbogen
von der Elektrode 11 auf
die Elektrode 10 und erhitzt das im Brennraum
12 enthaltene Gas, das einen Druck auf den Kolben 4b ausübt und damit den Blaszylinder
4 in Pfeilrichtung 7 gegen die Kraft der Rückstellfeder 16 bewegt. Im Fortlauf der
Ausschaltbewegung der Antriebsstange 8 wird das bewegliche Schaltstück 3 vom Schaltstück
1 getrennt und ein zweiter elektrisch in Reihe liegender Lichtbogen gezogen, der
bei weiterer Fortbewegung der Stange 8 in Pfeilrichtung 7 von dem Schaltstück 3
auf das Schaltstück 2 kommutiert. Dabei wird vom Schaltstück 3 die Brennstrecke
zwischen den Schaltstücken 1 und 2 freigegeben und das von der Energie des Hilfslichtbogens
zwischen den Elektroden 9 und 10 durch Bewegung des Zylinders 4 verdichtete Löschmittel
im Raum 6 in das Innere der Schaltstücke 1, 2 und gegen den zweiten Lichtbogen getrieben.
Beide Lichtbögen erlöschen im Nulldurchgang des Wechsel stromes.
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Über ein mit dem Kolben 4b verbundenes Schieberventil 17 wird dabei
der Brennraum 12 entlüftet, so daß nach der erfolgten Ausschaltung der Zylinder
4 aus der unterhalb der Mittellinie gezeichneten Position in die oberhalb der Mittellinie
gezeichnete Lage unter der Kraft der Rückstellfeder 16 zurückkehren kann. Das Schieberventil
17 hat die Aufgabe, nach der Kompressionsphase in der Offenstellung und vor Beginn
der Kompression in der Schließlage für einen Gasaustausch im Brennraum 12 zu sorgen.
Das Schieberventil 17 ist dabei vom beweglichen Teil der Kolben-Zylinder-Anordnung
betätigt. Zusätzlich ist im Kolben 4a eine Bohrung 17a vorgesehen, die zum Belüften
des Brennraumes 12 nach der Kompressionsphase bestimmt ist.
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Ersichtlich ist die Antriebsstange 8 mit einem Stößel 18 verbunden,
der während des Einschaltvorganges (entgegen der Pfeilrichtung 7) den beweglichen
Teil der Kolben-Zylinder-Anordnung, nämlich den Blaszylinder 4, zwangsweise in die
eine nachfolgende Kompression ermöglichende Ausgangsstellung überführt.
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Zum Einschalten braucht nur das bewegliche Schaltstück 3 und die bewegliche
Elektrode 11 bewegt zu werden, da der Blaszylinder 4 sich bereits in der richtigen
Position befindet.
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Der Blasdruck im Kompressionsraum 6, der von dem zu löschenden Strom
innerhalb des Brennraumes durch den Hilfslichtbogen erzeugt wird, ist dem Lichtbogen
zwischen den Schaltstücken 1 und 2 immer angepaßt. Der Blasdruck und die Blasdauer
können im Schalter beispielsweise durch den Abstand zwischen den Elektroden 9, 10
und das Volumen des Brennraumes 12 vorbestimmt werden. Da das Gas im Brennraum 12
während des Ausschaltvorganges eingeschlossen ist und deshalb langsamer abkühlt
als das Löschgas, das durch die düsenförmigen Schaltstücke 1 und 2 aus dem Kompressionsraum
6 abströmt, findet nach dem Erlöschen beider Lichtbögen eine Nachbeblasung der im
Bereich der beiden von den Schaltstücken 1 und 2 gebildeten Trennstrecke statt.
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Da zwei in Reihe geschaltete Kontakt- bzw. Elektrodensysteme gemeinsamm
an der Lichtbogenlöschung teilnehmen, läßt sich beim erfindungsgemäßen Druckgasschalter
eine große Schaltleistung und eine hohe Spannung pro Schalteinheit erzielen.
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Zum Schalten kleiner Ströme, die wegen der geringen Antriebsenergie
durch den Hilfslichtbogen keine Blaszlinderbewegung bewirken, findet die Lichtbogenlöschung
im Brennraum dadurch statt, daß der dort gezogene Hilfslichtbogen infolge der durch
die Rotation zwischen den Elektroden 9, 10 bewirkten günstigen Löschbedingungen
sicher gelöscht wird.
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9 Patentansprüche 1 Figur
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