[0001] Die Erfindung betrifft einen Druckgasschalter der im Oberbegriff des Anspruches 1
genannten Art.
[0002] Solche Schalter sind beispielsweise aus den US-PS 4 149 051 und 4 144 426 bekannt.
Bei diesen bekannten Schaltern ist das abströmseitige Ende beider Lichtbogenkontakte
von einem Kühler aus übereinander angeordneten Wickellagen aus Metallgewebe umgeben,
welcher Kühler die austretenden, heissen Schaltgase kühlen und auch deren Strömung
wenigstens teilweise axial umkehren soll. Diese Kühler stellen aber ein Hemmnis für
die bei einem Ausschalthub plötzlich eintretende Gasströmung dar. Dieses Hemmnis kann
zur Folge haben, dass sich dem die Blasdüse verlassenden Gasstrom nach der Beblasung
des Schaltlichtbogens und bevor dieser Gasstrom das abströmseitige Ende des Lichtbogenkontaktes
erreicht, gewissermassen eine "stehende Welle" überlagert, d.h. in dem die Blasdüse
verlassenden Gasstrom bilden sich starke Schwingungen aus, die abwechselnd und mit
sehr hoher Frequenz Bereiche mit höherem und mit niedrigerem Druck in diesem Gasstrom
zur Folge haben. Verminderter Druck bedeutet aber auch verminderte Gasdichte und damit
verringerte dielektrische Festigkeit des Gases, zumal dieses noch zum Teil ionisiert
sein kann.
[0003] Ein weiterer Schalter der eingangs genannten Art ist auch aus der US-PS 4 095 068
bekannt. Bei diesem ist der feste Lichtbogenkontakt im inneren eines Kontaktrohres
gehalten, welches stromabwärts des abströmseitigen Endes des festen Lichtbogenkontaktes
kiemenartige und durch leitschaufelförmige Ringsegemente begrenzte Umfangsschlitze
aufweist. Durch diese Ringsegmente wird wohl ein Teil der den ortsfesten Lichtbogenkontakt
verlassenden Schaltgase nach aussen und axial umgelenkt. Die umgelenkten Schaltgase
gelangen bei diesem Schalter jedoch in einen das Kontaktrohr umgebenden Mantelraum,
der durch Kühlbleche, deren Flächen parallel zur Schalterachse liegen, durchsetzt
ist. Auch diese Kühlbleche stellen ein Hemmnis für die bei einem Ausschalthub plötzlich
einsetzende Gasströmung dar, die nicht nur eine Folge des dem Druckraum entströmenden
Löschgases ist, sondern auch eine Folge der plötzlichen Erhitzung des Löschgases im
Bereich des Schaltlichtbogens.
[0004] Bei beiden vorbekannten Schaltern haben die erhitzten Schaltgase einen "Pfropfen"
von vorerst noch kühlem, auf der Abströmseite vorhandenen Löschgas zu verdrängen,
wobei dieser "Pfropfen" nur gegen die genannten Hemmnisse verdrängt werden kann, was
zur Bildung der genannten, der Strömung überlagerten Schwingungen (vergleichbar mit
der Schwingung der Luftsäule in einer Orgelpfeife) führen kann, mit den oben erwähnten
Konsequenzen.
[0005] Es ist mithin ein Anliegen der Erfindung, einen Schalter der eingangs genannten Art
zu schaffen, bei dem die erwähnten Nachteile weitgehend vermieden sind.
[0006] Dementsprechend ist der Erfindung die Aufgabe zugrundegelegt, einen Schalter der
genannten Art derart auszubilden, dass bei einem Ausschalthub die Verdrängung des
"Pfropfens" des kalten Löschgases gegen ein Mindestmass an Widerstand erfolgen kann
und dass die Kühlung der heissen Schaltgase nicht in erster Linie durch Konvektion
an Kühlflächen erfolgt, sondern durch Durchwirbelung der heissen Schaltgase mit dem
nicht unmittelbar mit dem Schaltlichtbogen in Berührung gewesenen, noch kühlen Löschgas
des "Pfropfens" erfolgt.
[0007] Zu diesem Zweck weist der vorgeschlagene Schalter die im kennzeichnenden Teil des
Patentanspruches 1 definierten Merkmale auf.
[0008] Merkmale bevorzugter Ausführungsformen sind den abhängigen Patentansprüchen zu entnehmen.
Ein Ausführungsbeispiel des vorgeschlagenen Schalters ist nachstehend anhand der Zeichnung
näher beschrieben. Es zeigt:
Fig. 1 einen Axialschnitt durch einen Teil eines metallgekapselten Druckgasschalters,
wobei hauptsächlich der Satz fester Kontakte gezeigt ist, während die in vorliegendem
Zusammenhang weniger wesentlichen Bestandteile gestrichelt angedeutet sind, und wobei
links die Einschalt- und rechts die Ausschaltstellung gezeigt ist,
Fig. 2 einen Axialschnitt vor allem durch den übrigen Teil des Schalters gemäss Fig.
l, wobei jedoch das Schaltergehäuse weggelassen ist, und
Fig. 3 in vergrössertem Massstab eine Draufsicht aus Richtung der Pfeile A in Fig.
1 in Ausschaltstellung und ohne Schaltergehäuse.
[0009] Zuerst wird auf die Fig. l und 2 Bezug genommen. Beim dargestellten Schalter handelt
es sich um einen metallgekapselten Druckgasschalter 10 mit einem im wesentlichen rohrförmigen,
metallischen Gehäuse 11, das ein Löschgas, beispielsweise SF
6, unter Ueberdruck enthält. Obernends ist das Gehäuse 11 mittels eines Tragisolators
12 dicht verschlossen, der seinerseits mittels eines ringförmigen Flansches 13 festgekelmmt
ist. Mittig durch den Tragisolator 12 führt ein von diesem dicht umschlossener, nur
schematisch angegebener Anschlussleiter 14. Am unteren, in den Innenraum 15 des Gehäuses
11 ragenden Ende des Anschlussleiters 14 ist eine als ganzes mit 16 bezeichnete Umlenkhaube
befestigt. Diese weist einen Bodenteil 17 auf, an dessen dem Tragisolator 12 zugekehrten
äusseren Seite ein Stutzen 18 zur Aufnahme des unteren Teiles des Anschlussleiters
14 angeformt ist. Die dem Stutzen 18 gegenüberliegende Seite des Bodenteiles 17 weist
eine Umlenkfläche 19 in der Form eines hohlen, halben Torus auf, wobei in der Achse
dieser torusförmigen Umlenkfläche 19 noch ein konisch zugespitzter Strömungskörper
20 im Bodenteil 17 eingesetzt ist. Auf der Höhe des peripheren Randes des Bodenteils
17 ist an dessen Aussenseite ein Befestigungs- und Distanzring 21 beispielsweise mittels
Stiften oder Schraubbolzen (nicht gezeigt) befestigt.
[0010] An den metallischen Bodenteil 17 schliesst ein ebenfalls metallischer, zylindrischer
Abschnitt 22 an, dessen Innenfläche 23 mit dem peripheren Teil der Umlenkfläche 19
fluchtet. Der Abschnitt 22 ist mittels eines Halteringes 24 satt gegen den Bodenteil
gepresst. Von der Innenseite des metallischen Halteringes 24, der bezüglich Innen-
und Aussendruchmesser im wesentlichen mit dem Abschnitt 22 übereinstimmt, ragen Tragrippen
25, beispielsweise deren vier, radial nach innen. In diesen sind Gewindebohrungen
26 (nur eine ist gezeigt) vorhanden, in welche Spannbolzen 27 eingeschraubt sind,
deren Kopf durch den Bodenteil 17 abgestützt ist (Fig. 1, rechts oben). Die Tragrippen
25 tragen an ihrem inneren Ende einen einen Bestandteil eines festen Nennstromkontaktes
28 bildenden Trägerring 29, an dessen unterer Stirnseite ein Kranz radial nach aussen
federnd auslenkbare Kontaktfinger 30 befestigt ist, welche in Einschaltstellung (Fig.
1, links) im Eingriff mit einem beweglichen Nennstromkontakt 31 sind, dessen Bauweise
und übrige Funktion noch anhand der Fig. 2 zu beschreiben sein wird.
[0011] An der Innenseite 23 des Abschnittes 22 sind ebenfalls radial nach innen ragende
Tragrippen 32 befestigt, die vorzugsweise nach den Tragrippen 25 ausgerichtet sind
und an ihrem inneren Ende einen rohrförmigen, einen Bestandteil eines festen Lichtbogenkontaktes
33 bildenden Nabenteil 34 tragen. In diesem Nabenteil 34 ist auf auswechselbare Weise
(beispielsweise durch Verschraubung) ein den anderen Bestandteil des festen Lichtbogenkontaktes
33 bildender rohrförmiger (also durchblasbarer) Abreisskontaktstift 35 befestigt.
Dieser weist eine zentrale, von seinem freien Ende ausgehende Bohrung 36 auf, die
sich erweitert und von der vor dem Ende des Stiftes 35 seitliche Durchlässe 37 ausgehen,
wobei sich die Bohrung 36 im übrigen in der Bohrung im Nabenteil 34 fortsetzt.
[0012] Wie der Fig. 1 entnonmen werden kann, verschliesst der Abreisskontaktstift 35 in
Einschaltstellung eine zu den beweglichen Bestandteilen des Schalters gehörende Blasdüse
38 aus einem elektrisch isolierenden Material, beispielsweise aus PTFE und greift
in ein im wesentlichen rohrförmiges Endstück 39 ein, das an sich den beweglichen Lichtbogenkontakt
in dem Sinne bildet, als an diesem Endstück 39 der eine Fusspunkt des Schaltlichtbogens
ansetzt.
[0013] An der Innenseite 23 des Abschnittes 22 sind schliesslich zwei Sätze von je sechs
Zungen 41, 42 je in gleichmässigen Umfangsabständen befestigt, wobei die Sätze der
Zungen 41, 42 in zwei verschiedenen Ebenen angeordnet sind. Die Zungen 41 und 42 sind,
vorzugsweise aus leitendem Material, eben und stehen vorzugsweise mit ihren Ebenen
quer zur Achse des Abschnittes 22. Die Zungen 41-sind in bezug auf die Zungen 42 je
um 30
0 verdreht angeordnet, was wegen der einfacheren Darstellung an sich nicht aus der Fig.
1 hervorgeht. Die Funktion der Zungen 41 und 42 ist nachstehend noch zu beschreiben.
[0014] Schliesslich sind im Abschnitt 22 noch Fenster 43, 44 ausgebildet, die vom Innenraum
45 der Umlekhaube 16 radial nach aussen führen. Diese Fenster 43, 44 sind von einem
dünnwandigen, den Abschnitt 22 in radialem Abstand umgebenden und am Befestigungring
21 befestigten Rohr 46 vorzugsweise aus Metall abgedeckt. Zwischen diesem Rohr 46
und der äusseren Mantelfläche des Abschnittes 22 ist somit ein Mantelraum 47 vorhanden,
der, wie der Fig. 1 zu entnehmen ist, nach unten offen ist.
[0015] Betrachtet man nun die Fig. 2, so erkennt man in deren oberen Teil im wesentlichen
die im unteren Teil der Fig. 1 vorhandenen, bereits beschriebenen Bestandteile, so
dass eine nochmalige Beschreibung, abgesehen von der Zuteilung der gleichen Bezugsziffern,
überflüssig erscheint. Aus Fig. 2 ist ersichtlich, dass der bewegliche Nennstromkontakt
31 eine Schulter 48 aufweist, mittels welcher ein einlasseitiger Umfangsflansch 49
der Blasdüse 38 an der Stirnseite eines äusseren, metallischen Zylinders 50 festgeklemmt
ist. Zu diesem Zweck ist der bewegliche Nennstromkontakt 31 mittels Bolzen 51 axial
auf einem vom Zylinder 50 nach aussen abstehenden Umfangswulst 52 festgeschraubt.
Der Zylinder 50 ist über einen im wesentlichen ringförmigen Boden 53 aus Leitermaterial
mit einem inneren, ebenfalls metallischen Zylinder 54 verbunden, der zugleich ein
Bestandteil des beweglichen Lichtbogenkontaktes ist und diesbezüglich als Ausblasrohr
und zur Stromführung dient. An der oberen Stirnseite des inneren Zylinders 54 ist
das bereits erwähnte Endstück 39 auswechselbar befestigt, z.B. eingeschraubt.
[0016] Der zwischen den Zylindern 50 und 54 vorhandene Mantelraum ist ein Pump- oder Druckraum
55, der einerends direkt in die Blasdüse 38 führt und der andernends durch einen ortsfest
abgestützten, ringförmigen Pumpkolben 56 begrenzt ist. Der Pumpkolben 56 ist sowohl
gegen die Aussenwand des Zylinders 54 als auch gegen die Innenwand des Zylinders 50
abgedichtet und diese beiden Zylinder sind entlang des Pumpkolbens 56 verschiebbar.
[0017] Der Pumpkolben 56 ist auf mehreren Säulen 57, (hier deren drei) abgestützt. Jede
Säule 57 ist verschiebbar durch eine im Boden 53 ausgebildete Durchführung 58 hindurchgeführt.
Darüberhinaus weist jede Säule 57, wie der Fig. 2 rechts zu entnehmen ist, eine metallische
Distanzhülse 59 auf, die einerends an der dem Druckraum 55 abgekehrten Seite des Pumpkolbens
56 und andernends am Bodenstück 60 einer weiteren Umlenkhaube 61 abgestützt ist. Jede
Distanzhülse 59 ist mittels eines diese durchsetzenden und im Bodenstück 60 eingeschraubten
Spannbolzens 62 verspannt. Ausserdem greift an der Aussenseite
-jeder Distanzhülse 59 ein in jeder der Durchführungen 58 eingelassener Schleifkontakt
63 an, der eine gute elektrische Verbindung zwischen den ohnehin schon galvanisch
miteinander verbundenen Zylindern 50 und 54 einerseits und - über die Distanzhülse
59 - dem Bodenstück 60 gewährleistet.
[0018] Von der Innenwand des Zylinders 54 ragen mehrere Tragrippen 64 radial nach innen,
die ein strömungsgünstig geformtes Endteil 65 einer Antriebsstange 66 tragen. An das
Endteil 65 schliesst eine Zug- und Schubstange 67, vorzugsweise aus einem elektrisch
isolierenden Material, an, die verschiebbar durch eine zentrale Bohrung 68 im Bodenteil
60 geführt ist und - wie gestrichelt angegeben - an einen Antrieb 69 gekoppelt ist.
[0019] Aus dem Gesagten ergibt sich, dass der bewegliche Nennstromkontakt, der bewegliche
Lichtbogenkontakt 40 und die Blasdüse 38 fest an die Antriebsstange 66 gekoppelt sind.
Es ergibt sich ferner, dass der im wesentlichen aus dem Endstück 39 und dem inneren
Zylinder 54 bestehende, bewegliche Lichtbogenkontakt 40 (sobald das Endstück 39 im
Zuge eines Ausschalthubes vom festen Lichtbogenkontakt 33 freigegeben ist) durchblasbar
ist, wobei der Strömungskanal 70 von den Tragrippen 64, die keinen nennenswerten Strömungswiderstand
bieten, durchsetzt ist.
[0020] Das abströmseitige Ende des beweglichen Lichtbogenkontaktes 40 ist durch die breits
genannte Umlenkhaube 61 überspannt, deren Bodenstück 60, wie erwähnt, ortsfest angeordnet
ist und daher auch als Anschlussstelle für den zweiten Anschlussleiter 71 dient. Auch
dieses Bodenstück 60 besitzt an seiner dem Lichtbogenkontakt 40 zugekehrten Seite
eine die Bohrung 68 umgebende Umlenkfläche 72 in der Form eines halben, hohlen Torus.
Auch die Umlenkhaube 61 besitzt einen im wesentlichen zylindrischen Abschnitt 73,
der tangential an den peripheren Teil der Umlenkfläche 72 des Bodenteils 60 anschliesst
und an diesem befestigt ist. An der Innenseite 74 des Abschnittes 73 sind in zwei
zur Achse des Abschnittes 73 rechtwinkligen Ebenen je ein Satz Zungen 75, 76 befestigt.
Diese Zungen 75, 76 sind ebenfalls leitend, eben und zur Achse des Abschnittes 73
rechtwinklig sowie je in gleichmässigen Umfangsabständen angeordnet. Es sind beispielsweise
ebenfalls sechs Zungen 75 und sechs Zungen 76 vorhanden, wobei - wie bei den Zungen
41 - die Zungen 75 in bezug auf die Zungen 76 um 30
0 verdreht angeordnet sein können, was aus Fig. 2 nicht direkt hervorgeht.
[0021] Bei einem Ausschalthub wird - solange die Lichtbogenkontakte 33 und 40 im Eingriff
sind - zunächst das im Pumpraum 55 vorhandene Löschgas vorkomplimiert. Sobald das
Endstück 39 den Abreisskontaktstift 35 verlässt, aber noch bevor dieser die Blasdüse
38 freigegeben hat, beginnt die Beblasung des zwischen 39 und 35 gezogenen Schaltlichtbogens,
wobei die erhitzten Schaltgase zunächst durch den Strömungskanal 70 abströmen, an
der Umlenkfläche 73 nach aussen und axial umgelenkt werden und sodann in den zylindrischen
Abschnitt 73 mit den Zungen 75, 76 gelangen, wo sie, durch das Vorhandensein der Zungen,
kräftig mit dem schon zuvor im zylindrischen Abschnitt 73 vorhandenen, noch kühlen
Löschgas durchwirbelt werden, ohne dass es zur Erzeugung einer der Strömung überlagerten
"stehenden Welle" kommen könnte. Dies deswegen, weil die Strömung ein Mindestmass
an Strömungswiderstand zu überwinden hat. Sobald die Blasdüse 38 vom Abreisskontaktstift
35 freigegeben wird, erfolgt die Beblasung des Schaltlichtbogens auch in Richtung
der festen Kontakte. Die in dieser Richtung abströmenden Gase beaufschlagen die Umlenkfläche
19, werden an dieser nach aussen und axial umgelenkt. Schon zuvor können die in dieser
Richtung abströmenden Schaltgase durch die Zungen 41, 42 mit kühlem Löschgas durchwirbelt
werden. Diese Durchwirbelung erfolgt jedoch auf alle Fälle nach der Umlenkung, wobei
die Fenster 43, 44 zusätzlich sowohl die Verdrängung des noch kühlen Löschgases als
auch das Abfliessen des Schaltgas-Löschgas-Gemisches mit einem Mindestmass an Strömungswiderstand
begünstigen. Sowohl in Fig. l als auch in Fig. 2 ist die bei einem Ausschalthub auftretende
Gasströmung durch Pfeile angedeutet. Schliesslich sei noch auf Fig. 3 hingewiesen,
in der die bereits erwähnte geometrische Anordnung der Zungen 41, 42 und der Tragrippen
32 in dem vom Abschnitt 22 umschlossenen Innenraum 45 dargestellt ist. Hier ist allerdings
das dünnwandige Rohr 46 nicht gezeigt.
[0022] Es versteht sich, dass auch die dem Satz beweglicher Kontakte 31, 40 zuoeordnete
Umlenkhaube 61 ähnlich wie die Umlenkhaube 16 ausgestaltet sein kann, nämlich mit
Fenstern und mit einem diese in radialem Abstand abdeckenden, dünnwandigen Rohr. Ausserdem
ist es auch möglich, die Zungen 41, 42, 75 und 76 ähnlich wie die Schaufeln eines
Gebläserades schräg zu stellen, um den abströmenden Gasen zusätzlich einen Drall zu
erteilen, der der Kühlung und Entionisierung förderlich ist.
1. Druckgasschalter mit einem Satz fester und einem Satz beweglicher Kontakte (33,
28; 31, 40), wobei je Satz ein axial durchblasbarer Lichtbogenkontakt (33; 40) und
ein diesen koaxial umgebender Nennstromkontakt (28; 31) vorgesehen sind und mit einer
mit dem beweglichen Kontaktsatz (31, 40) mitbeweglichen, dessen Lichtbogenkontakt
(40) umgebenden und in Einschaltstellung durch den festen Lichtbogenkontakt (33) verschlossenen
Blasdüse (38), die einlasseitig mit einem bei einem Ausschalthub unter Druck setzbaren
Druckraum (55) in Verbindung steht, wobei am abströmseitigen Ende mindestens des einen
Lichtbogenkontaktes (33; 40) Mittel (16; 61) angeordnet sind, um bei einem Ausschalthub
die diesem Ende entströmenden Schaltgase axial und nach aussen umzulenken, dadurch
gekennzeichnet, dass die abströmseitigen Enden beider Lichtbogenkontakte (33; 40)
durch je eine im wesentlichen becherförmige Umlenkhaube (16; 61) überspannt sind,
welche Umlenkhauben an ihren einander zugekehrten Enden offen sind und je einen Boden
(17, 60) mit einer im Querschnitt in der Form eines halben, hohlen Torus ausgebildeten
Umlenkfläche (19; 72) aufweisen, an deren äusseren Rand ein im wesentlichen zylindrischer
Abschnitt (22, 24; 73) anschliesst, der mehrere von seiner Innenwand (23; 74) nach
innen abstehende, in gleichmässigen Umfangsabständen angeordnete Zungen (41, 42; 75,
76) trägt.
2. Druckgasschalter nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zungen
(41, 42; 75, 76) ebenflächig und mit ihrer Ebene quer zur Achse des zylindrischen
Abschnittes (22, 24; 73) angeordnet sind.
3. Druckgasschalter nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zungen
(41, 42; 75, 76) im wesentlichen rechteckig sind.
4. Druckgasschalter nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zungen
(41, 42; 75, 76) gruppenweise in mehreren, quer zur Achse des zylindrischen Abschnittes
(22, 24; 73) liegenden Ebenen angeordnet sind.
5. Druckgasschalter nach Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zungen
(41; 75) der einen Gruppe in bezug auf die Zungen (42; 76) der benachbarten Gruppe
im Umfangssinne versetzt angeordnet sind.
6. Druckgasschalter nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zungen
(41, 42; 75, 76) sich radial höchstens über die Hälfte des Radius des zylindrischen
Abschnittes (22, 24; 73) erstrecken.
7. Druckgasschalter nach Patentanspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die
Gesamtfläche aller in einer Ebene angeordneten Zungen (41; 42; 75; 76) jeweils höchstens
20 % des in dieser Ebene gemessenen Durchflussquerschnittes des zylindrischen Abschnittes
(22, 24; 73) entspricht.
8. Druckgasschalter nach einem der Patentansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet,
dass in dem zylindrischen Abschnitt (22, 24) wenigstens der einen Umlenkhaube (16)
Durchlässe (43, 44) vorhanden sind, die durch ein den zylindrischen Abschnitt (22,
24) in radialem Abstand umgebendes, dünnwandiges Rohr (46) überspannt sind.
9. Druckgasschalter nach einem der Patentansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet,
dass die dem beweglichen Lichtbogenkontakt zugeordnete Umlenkhaube (61) ortsfest angeordnet
ist.
10. Druckgasschalter nach Patentanspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Mantelraum
(47) zwischen dem zylindrischen Abschnitt -(22, 24) und dem dünnwandigen Rohr (46)
zumindest an dem dem freien Rand des zylindrischen Abschnittes (22, 24) zugekehrten
Ende offen ist.
11. Druckgasschalter nach Patentanspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der freie
Rand des zylindrischen Abschnittes (22, 24) über das dünnwandige Rohr (46) vorsteht.
12. Druckgasschalter nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zylindrische
Abschnitt (22, 24) der dem Satz fester Kontakte (28, 33) zugeordneten Umlenkhaube
(16) zweierlei nach innen abstehende Tragrippen (25, 32) aufweist, von denen die einen
(32) den ortsfesten Lichtbogenkontakt (33) und die anderen (25) den ortsfesten Nennstromkontakt
(28) tragen.
13. Druckgasschalter nach einem der vorangehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass die Zungen (41, 42; 75, 76) in der Art der Schaufeln eines Gebläserades in bezug
auf die Achse des zylindrischen Abschnittes (22, 24; 73) geneigt sind.