DE4025553A1 - Schalter mit selbsterzeugter loeschgasstroemung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Schalter mit selbsterzeugter Löschgasströmung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aus der DE-OS 37 20 816 ist ein Schalter mit selbsterzeugter Löschgasströmung bekannt, der eine mit Isoliergas gefüllte Schaltkammer aufweist, mindestens zwei Schaltstücke, von denen mindestens eines beweglich ist, eine Kompressionseinrichtung, die bei der Schaltbewegung betätigt wird und aus einem Kompressionskolben und einem Kompressionszylinder mit Zylinderboden besteht. An den Kompressionszylinder schließt sich eine Druckkammer mit Isolierstoffdüse an. Im Zylinderboden befinden sich Durchlässe mit Ventilen, durch die - bei stromschwachen Lichtbögen - zusammengepreßtes Gas aus dem Kompressionsraum in die Druckkammer geblasen wird. Bei stromstarken Lichtbögen schließen sich die Ventile im Zylinderboden, so daß das Eindringen von Gas mit hohem Druck in den Kompressionsraum verhindert wird. Der hohe Druck im Kompressionsraum würde zu einer Bremsung der Abschaltbewegung führen. In einem anderen Ausführungsbeispiel nach dem Stand der Technik sind im Kompressionskolben Entlüftungsöffnungen mit Ventilen angeordnet, die sich öffnen und Gas aus dem Kompressionraum in die Schaltkammer strömen lassen, sobald der Druck im Kompressionsraum - verursacht durch einen stromstarken Lichtbogen - so groß ist wie der in der Druckkammer. Auf diese Weise soll eine zu starke Bremsung der Ausschaltbewegung durch den ansteigenden Druck im Kompressionsraum vermieden werden.
Das unter hohem Druck stehende Gas verbleibt beim Ausschalten großer Ströme in der Druckkammer und steht zur Beblasung des Lichtbogens voll zur Verfügung. Dabei setzt kurz vor dem Stromnulldurchgang eine starke Löschmittelströmung ein.

Solche Schalter neigen jedoch zu sog. späten Rückzündungen, die etwa 10 bis 40 ms nach der Stromunterbrechung unter Einwirkung der dann anstehenden wiederkehrenden Spannung entstehen. Dies erklärt sich daraus, daß aus der Druckkammer nur relativ heißes Gas und nur realtiv kurze Zeit lang einströmen kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Schalter der im Oberbegriff des Anspruchs 1 beschriebenen Gattung so weiterzuentwickeln, daß bei möglichst einfachem Aufbau die Wahrscheinlichkeit einer Rückzündung verringert wird.

Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Schalter durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Vorteilhaft wirkt sich aus, daß im ausgeschalteten Zustand ein Restvolumen, gefüllt mit Löschgas, vorhanden ist. In dem Restvolumen ist beim Ausschalten stromstarker Lichtbögen komprimiertes Gas gespeichert, solange der Druck im Druckraum größer ist als der im Restvolumen und dadurch die Ventile in den Durchlässen zwischen Kompressionsraum und Druckkammer geschlossen sind. Das Restvolumen läßt sich durch eine mit einfachen Mitteln erreichbare Begrenzung des Kolbenwegs einrichten. Daher ist ein solcher Schalter kostengünstig herzustellen.

Eine günstige Ausführung ist in Anspruch 2 beschrieben. Das Restvolumen speichert beim Ausschalten großer Ströme komprimiertes, nicht durch einen Lichtbogen ionisiertes Löschgas. Das Restvolumen ist gegen einen feststehenden Kolben abgedichtet und das Gas entweicht nicht über Durchlässe im Zylinderboden, solange der Druck in der Druckkammer höher ist als der im Kompressionsraum und dadurch die Verschlüsse - z. B. Rückschlagventile - gechlossen sind.

Dadurch daß bei der in Anspruch 3 beschriebenen Anordnung der feststehende Kompressionskolben so gestaltet ist, daß er ein Teilvolumen aufweist, in das der Zylinderboden beim Ausschalten nicht eindringt, wird der Druck - bei entsprechender Bemassung des Teilvolumens - im Restvolumen nicht so groß, daß der Antrieb beim Ausschalten erheblich gebremst wird.

Nach der Ausführung der Erfindung gemäß Anspruch 4 ergibt sich der Vorteil, daß komprimiertes Löschgas, das nicht durch den Lichtbogen erwärmt und ionisiert wurde, im Sinne einer Frischgasnachspülung für die Beblasung des Raumes zwischen den Schaltstücken genutzt werden kann. Wenn nach der Lichtbogenlöschung der Druck in der Druckkammer niedriger ist als im Restvolumen, dringt das komprimierte Gas durch die Druckkammer in den Bereich zwischen den Schaltstücken vor und trägt dazu bei, daß die dort noch verbliebenen freien Ladungsträger beseitigt werden.

Vorzugsweise wird gemäß Anspruch 6 ein ebener Kompressionskammerboden - unter der Spannung einer Feder stehend - verschiebbar im Kompressionskolben angeordnet, so daß bei der Ausschaltbewegung der Druck im Kompressionsraum schneller steigt als bei einer Ausführung der Erfindung mit einem Restvolumen in einem vertieften Kompressionskolben. Erst wenn der Druck einen bestimmten Wert erreicht hat, bewegt sich der Kompressionskammerboden im Verlaufe des Ausschaltens gegen die Kraft der vorgespannten Feder, und es entsteht auf diese Weise das Restvolumen. Ein ähnlich aufgebauter Druckgasschalter ist aus der DE-OS 33 22 597 bekannt (vgl. dort Fig. 1). Dort ist eine kräftigere Feder für den beweglichen Kolben vorhanden, damit sich der Kolben nur bei stromstarken Lichtbögen verschiebt.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand von in Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen, aus denen sich weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile ergeben, näher beschrieben.

Fig. 1 zeigt die für die Beblasung wesentlichen Teile eines Schalters nach dem Stand der Technik im Schnitt, wobei der Schalter links der Symmetrieachse im eingeschalteten Zustand und rechts im ausgeschalteten Zustand gezeichnet ist.

Fig. 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Schalters nach dem Stand der Technik im Schnitt, wobei der Schalter links der Symmetrieachse im eingeschalteten Zustand und rechts während der Unterbrechung eines kleinen Stromes gezeichnet ist.

Fig. 3 zeigt die für die Beblasung wesentlichen Teile eines Ausführungsbeispiels der Erfindung im Schnitt, wobei der Schalter links der Symmetrieachse im eingeschalteten Zustand und rechts während der Unterbrechung eines kleinen Stromes gezeichnet ist.

Fig. 4 zeigt in den Diagrammen (a) bis (d), bei denen auf der Abszisse die Zeit aufgetragen ist, den Spannungs- bzw. Stromverlauf zwischen den Schaltstücken, den zurückgelegten Weg des beweglichen Schaltstücks beim Ausschalten, den Druckverlauf in Druckkammer und Kompressionsraum in einem Schalter nach dem Stand der Technik und den Druckverlauf im erfindungsgemäßen Schalter nach Fig. 3.

Fig. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Schalters im Schnitt, bei dem ein Kompressionskammerboden verschiebbar unter der Spannung einer Feder angeordnet ist.

Fig. 6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem zwischen zwei Böden des Kompressionskolbens ein Volumen zum Zwischenspeichern von Löschgas vorhanden ist.

Die Teile nach den Fig. 1, 2, 3, 5 und 6 sind, soweit sie untereinander übereinstimmen, mit denselben Bezugszeichen versehen.

Fig. 1 zeigt einen Selbstblasschalter nach dem Stand der Technik. Die Schaltbewegung wird mit einer Antriebsstange (1) vollzogen, die mit einem beweglichen Schaltstück (2), einem Kompressionszylinder (3), der einen ebenen Zylinderboden (4) aufweist, und mit einer Isolierstoffdüse (5) fest verbunden ist. Beim Ausschalten trennen sich das bewegliche Schaltstück (2) und ein feststehendes Schaltstück (6). Dabei entsteht zwischen den Schaltstücken (bewegliches Schaltstück 2, feststehendes Schaltstück 6) ein Lichtbogen. Stromschwache Lichtbögen - wie sie im Rahmen des Normalbetriebs auftreten - werden mit einer Kompressionseinrichtung beblasen; bei diesem Vorgang schiebt sich der Kompressionszylinder (3) über einen Kompressionskolben (7); auf diese Weise wird das Volumen eines Kompressionsraumes (8), der von dem Kompressionszylinder (3), dem Zylinderboden (4) und der Antriebsstange (1) begrenzt wird, verringert.

Das im Kompressionsraum (8) zusammengepreßte Gas strömt durch Durchlässe (9) im Zylinderboden (4) in eine Druckkammer (10), die von der Isolierstoffdüse (5) und dem beweglichen Schaltstück (2) begrenzt wird. Aus der Druckkammer gelangt das Gas in den Bereich der Schaltstücke (bewegliches Schaltstück 2, feststehendes Schaltstück 6) und bebläst den Lichtbogen während der Ausschaltbewegung. In den Durchlässen (9) befinden sich Verschlüsse (11), die hier als Ventile ausgeführt sind und eine Gasströmung nur in einer Richtung zulassen, nämlich aus dem Kompressionsraum (8) heraus in die Druckkammer (10). Bei stromschwachen Lichtbögen ist der Druck in der Druckkammer (10) niedriger als im Kompressionsraum (8), so daß die Verschlüsse (11) sich öffnen.
Bei stromstarken Lichtbögen ist der Druck in der Druckkammer (10) größer als der im Kompressionsraum (8), weil infolge der großen thermischen Energie dieser Lichtbögen der Gasdruck in der Druckkammer (10) erheblich ansteigt. In einem solchen Fall bleiben die Verschlüsse (11) geschlossen; dadurch dringt der hohe Druck nicht bis in den Kompressionsraum (8) vor, was zu einem Bremsen der Ausschaltbewegung infolge der Druckerhöhung im Kompressionsraum (8) führen würde.
Das unter Druck stehende Gas in der Druckkammer (10) steht für die Beblasung des stromstarken Lichtbogens kurz vor dem Stromnulldurchgang zur Verfügung, weil vorher der Lichtbogen die Iolierstoffdüse (5) verstopft und dadurch ein Entweichen des Gases verhindert wird.
Die genannten feststehenden und beweglichen Teile des Selbstblasschalters sind gasdicht untergebracht in einer Schaltkammer (12), die von einem Gehäuse (13), von einem mit dem feststehenden Schaltstück (6) leitend verbundenen Gehäusedeckel (14), von einem leitenden Zwischenstück, das in das Gehäuse (13) eingesetzt ist, und von einem - in den Zeichnungen nicht dargestellten - Gehäuseboden begenzt wird.

Fig. 2 zeigt - mit seinen für den Schaltvorgang wesentlichen Elementen - ein weiteres Ausführungsbeispiel nach dem Stand der Technik, das gegenüber dem nach Fig. 1 einen Unterschied aufweist: Im Kompressionskolben (7′) befinden sich Entlüftungsöffnungen (15), in denen Ventile (16) eingebaut sind. Die Ventile (16) öffnen sich gegen den Druck von Federn, sobald bei einem stromstarken Lichtbogen die Verschlüsse (11) geschlossen sind und gleichzeitig durch die Ausschaltbewegung der Druck im Kompressionsraum (8) stark ansteigt.

Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, das eine Verbesserung darstellt gegenüber dem Schalter nach Fig. 1.
Der Unterschied zu den Ausführungsbeispielen nach Fig. 1 und Fig. 2 liegt in der Gestaltung des Kompressionskolbens (7′′), der im ausgeschalteten Zustand ein Restvolumen (17) innerhalb des Kompressionsraums (8) freiläßt, wie in Fig. 3 beispielhaft gezeigt ist.
Das Restvolumen (17) ist ein Teil des Kompressionsraums (8) und wird in der Ausschaltstellung begrenzt durch den Kompressionszylinder (3) mit dem Zylinderboden (4), durch die Antriebsstange (1), durch die Dichtungshalterung (18) am Kompressionskolben (7′′), durch den Boden des Kompressionskolbens (7′′) und durch die in den Kompressionsraum (8) hineinragende Wand des Kompressionskolbens (7′′).
Beim Ausschalten stromstarker Lichtbögen bleiben die Verschlüsse (11) zunächst wegen des hohen, durch die thermische Energie des Lichtbogens verursachten Drucks in der Druckkammer (10) geschlossen und das Gas im Kompressionsraum (8), das nicht durch den Lichtbogen erhitzt und ionisiert ist, wird im Verlaufe der Ausschaltbewegung komprimiert. Die im Schalter nach Fig. 2 vorhandenen Entlüftungsöffnungen (15) mit den Ventilen (16) werden im erfindungsgemäßen Schalter eingespart, weil das Restvolumen (17) so groß bemessen ist, daß dort kein Druck entsteht, der wegen seiner Höhe die Ausschaltbewegung bremst. Durch den Verzicht auf die zusätzlichen Entlüftungsöffnngen (15) und Ventile (16) beim erfindungsgemäßen Schalter wird die Herstellung vereinfacht, der Schalter im Verkauf günstiger und die Zuverlässigkeit erheblich gesteigert.

In den Fig. 1, 2, 3, 5 und 6 sind die Öffnungen und Verschlüsse nicht dargestellt, die beim Einschalten eine Gasströmung von der Schaltkammer (12) aus in den Kompressionsraum (8) ermöglichen, dessen Volumen sich bei der Einschaltbewegung vergrößert.

Mit Fig. 4 lassen sich die Vorgänge in den Schaltern nach Fig. 2, der aus der DE-OS 37 20 816 (dort Fig. 2) bekannt ist, und nach Fig. 3 beim Ausschalten stromstarker Lichtbögen nachvollziehen.
Fig. 4a zeigt - in Abhängigkeit von der Zeit t - den Strom i bzw. die Spannung u zwischen den Schaltstücken (feststehendes Schaltstück 2, bewegliches Schaltstück 6) bei Schaltern nach Fig. 2 und Fig. 3. Es ist der kritische Bereich eingetragen, in dem bei Schaltern nach dem Stand der Technik häufig Rückzündungen auftreten.
Fig. 4b gibt an, welchen Weg s das bewegliche Schaltstück (2) nach Fig. 2 und Fig. 3 über der Zeit zurücklegt. Ab dem Zeitpunkt t₁ sind die Schaltstücke (feststehendes Schaltstück 2, bewegliches Schaltstück 6) getrennt und es entsteht ein Lichtbogen.
Fig. 4c zeigt - über der Zeit t aufgetragen - in Kurve (20) den Druck p in der Druckkammer (10) eines Schalters gemäß Fig. 2 (Stand der Technik). In Kurve (21) ist der Druck p im Kompressionsraum (8) dargestellt. Zum Zeitpunkt t₂ öffnen sich die Ventile (16), die Gas ungenutzt in die Schaltkammer (12) strömen lassen, damit der Druck nicht zu hoch wird.
Fig. 4d gibt - für einen erfindungsgemäßen Schalter - in Kurve (20′) den Druck p in Druckkammer (10) und in Kurve (21′) den Druck p im Kompressionsraum (8) wider - jeweils aufgetragen über der Zeit t. Zum Zeitpunkt t₅ öffnen sich die Verschlüsse (11), weil der Druck in der Druckkammer (10) niedriger ist als der im Kompressionsraum (8). Das Restvolumen (17) entleert sich - nach dem Erlöschen des Lichtbogens - über die Druckkammer (10) in Richtung der Öffnung der Isolierstoffdüse (5). Durch diese Löschmittelströmung im Anschluß an die Stromunterbrechung wird kaltes, nicht ionisiertes Gas in den Bereich zwischen die Schaltstücke (bewegliches Schaltstück 2, feststehendes Schaltstück 6) gebracht und der negative Einfluß des erhitzten Gases oberhalb der Isolierstoffdüse (5) auf die elektrische Festigkeit ausgeschaltet; eine Rückzündung wird vermieden.

Fig. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem ein Kompressionskammerboden (21) innerhalb des Kompressionskolbens (7′′′) verschiebbar angeordnet ist und unter der Spannung einer Feder (22) steht, die auf einem feststehenden Vorsprung (23) im Kompressionskolben (7′′′) abgestützt ist. Beim Ausschalten verkleinert sich das Volumen des Kompressionsraumes (8) und das dort eingeschlossene Gas wird komprimiert; es erhöht sich sehr schnell der Druck des Gases - ähnlich wie in einem Schalter nach dem Stand der Technik (vgl. Druckanstieg im Kompressionsraum bis zum Zeitpunkt t₂ nach Kurve (20) in Fig. 4c). Es ist damit gewährleistet, daß bei stromschwachen Lichtbögen sehr rasch nach dem Beginn der Ausschaltbewegung eine Löschgasströmung zur Isolierstoffdüse (5) einsetzt. Bei stromstarken Lichtbögen wird nach Erreichen eines bestimmten Gasdruckes eine solche Kraft auf den Kompressionskammerboden (21) ausgeübt, daß die Kraft der vorgespannten Feder (22) überwunden wird und der Kompressionskammerboden (21) sich gegen die Federkraft bewegt; auf diese Weise wird komprimiertes Löschgas für eine Frischgasnachspülung gespeichert.

Fig. 6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem der Kompressionskolben (7′′′′) zwei Kolbenböden (24) aufweist. Zwischen den Kolbenböden (24) ist das Restvolumen (17′). Die Wand des Kompressionskolbens (7′′′′) hat im Bereich zwischen den Kolbenböden (24) mehrere Öffnungen zur Wand des Kompressinszylinders (3). In der Einschaltstellung schließen Dichtungen zwischen den Kolbenböden (24) und der Wand des Kompressionszylinders (3) das Restvolumen (17′) dicht ab. In der Nähe des Zylinderbodens (4) weist der Kompressionszylinder (3) in seinem Innern einen größeren Durchmesser auf. Wenn der Schalter sich in der Nähe der Ausschaltstellung befindet und der Zylinderboden (4) fast auf dem Kompressionskolben (7′′′′) aufliegt, strömt Gas aus dem Kompressionsraum (8) in das Restvolumen (17′), weil durch den größeren Innendurchmesser des Kompressionszylinders (3) in der Nähe des Zylinderbodens (4) die Wirkung der Dichtungen zwischen den Kolbenböden (24) und dem Kompressionszylinder (3) aufgehoben ist.

Bezugszeichenliste
(nicht für die Veröffentlichung bestimmt)

 1 Antriebsstange
 2 bewegliches Schaltstück
 3 Kompressionszylinder
 4 Zylinderboden
 5 Isolierstoffdüse
 6 feststehendes Schaltstück
 7; 7′; 7′′; 7′′′; 7′′′′ Kompressionskolben
 8 Kompressionsraum
 9 Durchlässe
10 Druckkammer
11 Verschlüsse
12 Schaltkammer
13 Gehäuse
14 Gehäusedeckel
15 Entlüftungsöffnung
16 Ventil
17; 17′ Restvolumen
18 Dichtungshalterung
19; 19′ Druck p in der Druckkammer
20; 20′ Druck p im Kompressionsraum
21 Kompressionskammerboden
22 Feder
23 Vorsprung
24 Kolbenböden

Claims (7)

1. Schalter mit selbsterzeugter Löschgasströmung, mit einer mit Isoliergas gefüllten Schaltkammer, mit mindestens zwei Schaltstücken, von denen mindestens eines beweglich ist, einer durch die Schaltbewegung betätigbaren Kompressionseinrichtung aus einem Kompressionskolben und einem Kompressionszylinder mit Zylinderboden und einer daran anschließenden Druckkammer mit einer Isolierstoffdüse, wobei ein oder mehrere Durchlässe den Kompressionsraum mit der Druckkammer verbinden und der oder die Durchlässe Verschlüsse aufweisen, die geschlossen sind, wenn der Druck in der Druckkammer höher ist als im Kompressionsraum und die sich öffnen, wenn der Druck in der Druckkammer niedriger ist als im Kompressionsraum, und die Kompressionseinrichtung so bemessen ist, daß sie die zur Löschung stromschwacher Lichtbögen erforderliche Löschgasströmung erzeugt, indem während der Ausschaltbewegung im Kompressionsraum ein Druck erzeugt wird, der höher ist als der in der Druckkammer und der das Öffnen der Verschlüsse verursacht, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompressionsraum (8) derart gestaltet ist, daß er im ausgeschalteten Zustand des Schalters ein Restvolumen (17; 17′) aufweist, welches beim Ausschalten stromstarker Lichtbögen komprimiertes Gas enthält.

2. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das beim Ausschalten stromstarker Lichtbögen im Kompressionsraum (8) komprimierte Gas mindestens solange vollständig dort gespeichert bleibt, bis der Druck in der Druckkammer (10) nach Verlöschen des Lichtbogens niedriger ist als der im Kompressionsraum (8) .

3. Schalter nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Restvolumen (17; 17′) eine solche Größe aufweist, daß auch in der Nähe der Ausschaltstellung - nach dem Löschen eines stromstarken Lichtbogens - das komprimierte Gas im Kompressionsraum (8) einen solchen Druck aufweist, daß der Antrieb des Schalters, verursacht durch den Gegendruck des komprimierten Gases, nur unwesentlich gebremst wird.

4. Schalter nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Löschen stromstarker Lichtbögen komprimiertes, nicht durch den Lichtbogen erwärmtes und ionisiertes Gas aus dem Restvolumen (17; 17′) durch den oder die Durchlässe (9) und durch die Druckkammer (10) zu der Isolierstoffdüse (5) strömt, wenn der Druck in der Druckkammer (10) nach dem letzten Stromnulldurchgang unter den Druck im Restvolumen (17; 17′) gesunken ist und dadurch der oder die Verschlüsse (11) sich öffnen.

5. Schalter nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Restvolumen (17) innerhalb des Kompressionsraums (8) durch den Kompressionszylinder (3), durch die Antriebsstange (1), durch den Kompressionskolben (7) und durch die Dichtungshalterung (18) eingeschlossen wird, wenn der Schalter sich in der Ausschaltstellung befindet.

6. Schalter nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kompressionskammerboden (21) verschiebbar zwischen Kompressionsraum (8) und Schaltkammer (12) angeordnet ist und unter der Spannung einer Feder (22) steht, die auf einem unbeweglichen Vorsprung (23) abgestützt ist und eine steigende Kraft - entgegen der Bewegungsrichtung - auf den Kompressionskammerboden (21) ausübt, sobald sich der Kompressionskammerboden (21) - bei einem entsprechenden Druckanstieg im Kompressionsraum (8) - verschiebt.

7. Schalter nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompressionskolben (7′′′′) zwei feststehende Kolbenböden (24) aufweist, zwischen denen das Restvolumen (17′) vorhanden ist, das an der Antriebsstange (1) abgedichtet ist und zur Wand des Kompresionszylinders (3) eine oder mehrere Öffnungen aufweist, wobei oberhalb und unterhalb der Öffnung(en) Dichtungen zwischen den Kolbenböden (24) und dem Kompressionzylinder (3) vorhanden sind, und daß der Kompressionszylinder (3) im Bereich des Zylinderbodens (4) an mindestens einer Stelle im Innern eine Ausdehnung nach außen aufweist, so daß in der Nähe der Ausschaltstellung die Wirkung der Dichtungen an den Kolbenböden (24) aufgehoben ist und der Gasdruck zwischen dem Kompressionsvolumen (8) und dem Restvolumen (17′) sich ausgleicht.