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(11) | EP 0 175 954 A2 |
| (12) | EUROPÄISCHE PATENTANMELDUNG |
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| (54) | Druckgasschalter |
| (57) @ Ein vorzugsweise zum Schalten von Hochspannung geeigneter Druckgasschalter weit
zwei längs einer Achse relativ zueinander bewegliche Lichtbogenkontakte (8, 17) auf,
sowie konzentrisch zur Achse ein Aufheiz- (11) und ein Kompressionsvolumen (12). Mittels
eines Kompressionsschiebers (6) wird Löschgas im Kompressionsvolumen (12) komprimiert.
Sobald der Gasdruck hinreichend hoch ist, strömt ein Teil des Löschgases über ein
Rückschlagventil (14) in das Aufheizvolumen (11) und hilft von dort aus mit, einen
bei einem Ausschaltvorgang zwischen den Lichtbogenkontakten (8, 17) gezogenen Lichtbogen
bei kleinen Strömen, bei denen die Aufheizung einen vergleichsweise geringen Löschgasdruck
im Heizvolumen (11) erzeugt, zu beblasen. Bei diesem Schalter soll die Ausschaltleistung
bei gleichzeitiger Verringerung der Antriebsenergie erhöht werden. Dies wird dadurch
erreicht, dass der Lichtbogenkontakt (8) des beweglichen Schaltstücks (8a) einen von
seinem dem feststehenden Schaltstück (17a) zugewandten freien Ende in axialer Richtung
erstreckten und in das Expansionsvolumen (13) mündenden Abströmkanal (32) aufweist,
und dass zwischen Kompressionsvolumen (12) und Expansionsvolumen (13) eine Vorrichtung
zum Steuern des Druckes und zum Nachfüllen des im Kompressionsvolumen (12) befindlichen
Löschgases vorgesehen ist. |
[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft einen Druckgasschalter gemäss dem ersten Teil von Patentanspruch 1.
[0002] Ein derartiger Druckgasschalter ist bereits aus der US-A-4 139 732 bekannt. Bei diesem Schalter wird beim Ausschalten vom Schaltlichtbogen aufgeheiztes und komprimiertes Löschgas in einem Aufheizvolumen gespeichert. Komprimiertes Löschgas wird beim Ausschalten zusätzlich durch die Bewegung eines Kompressorkolbens in einem mit dem Aufheizvolumen über ein Rückschlagventil verbundenen Kompressionsraum erzeugt. Durch diese Massnahme ist es möglich, mit einer vergleichweise geringen Antriebsenergie auch dann eine Löschung des Schaltlichtbogens zu erreichen, wenn der Druck des durch Aufheizen komprimierten Löschgases im Aufheizvolumen gering ist. Beim Schalten starker Kurzschlussströme verschliesst der hohe Druck des im Aufheizvolumen gespeicherten komprimierten Löschgases jedoch das Rückschlagventil und hemmt die Bewegung des im Kompressionsvolumen gleitenden Kompressionskolbens.
[0003] Aus der EP-PS 0 035 581 ist ferner ein Druckgasschalter bekannt, bei welchem der für die Lichtbogenlöschung nötige Blesdruck durch den Lichtbogen in einem Lichtbogenraum selbst erzeugt und über ein Rückschlagventil in einen Druckspeicherraum geführt wird, wo er bis zum Einsetzen der Beblasung gespeichert wird. Ferner ist ein Kompressionskolben angegeben, welcher zeitlich verzögert weiteres komprimiertes Löschgas bereitstellt, welches über ein Rückschlagventil in den Druckspeicherraum eingespeist wird und von dort, zusammen mit dem vom Lichtbogen selbst erzeugten komprimierten Löschgas, über ein weiteres Rückschlagventil in den Lichtbogenraum strömt, um von dort aus, den Lichtbogen beblasend, in einen Expansionsraum zu strömen.
[0004] Bei kleinen Ausschaltströmen ist der durch den Lichtbogen erzeugte Blasdruck gering, so dass der Lichtbogenraum für dessen Speicherung genügt, und das Rückschlagventil vom Lichtbogenraum zum Druckspeicherraum nicht öffnet. Das durch den Kompressionskolben, unabhängig von der Ausschaltstromgrösse, erzeugte komprimierte Löschgas strömt, wie bereits erwähnt, durch zwei weitere, hintereinander liegende Rückschlagventile in den Lichtbogenraum ein und bebläst von dort aus den Lichtbogen. Bei sehr grossen Ausschaltströmen ist der durch den Lichtbogen erzeugte Gasdruck so gross, dass sowohl Lichtbogenraum als auch Druckspeicherraum damit voll beaufschlagt sind. Das vom Kompressionskolben erzeugte, komprimierte Löschgas kann deshalb zunächst nicht in den Druckspeicherraum gelangen, da es unter niedrigerem Druck steht. Der Druck im Kompressionsvolumen unter dem Kompressiondkolben steigt hubabhängig weiter an, da keine Entlastung in den Druckspeicherraum erfolgen kann. Um eine Ueberbelastung des Schalterantriebes zu vermeiden, ist am Kompressionsgehäuse ein weiteres, einstellbares Rückschlagventil angebracht, welches bei zu hohem Kompressionsdruck das Kompressionsvolumen direkt in den Expansionraum entlüftet. Die vielen Rückschlagventile, die zum Teil in einem Bereich liegen, wo heisse Gase und Schaltrückstände hingelangen können, sind als Schwachstellen zu betrachten, da hier Federdefekte oder Erodierung der Dichtungssitze nicht ausgeschlossen werden können.
[0005] Der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, liegt die Aufgabe zugrunde, einen Druckgasschalter der eingangs genannten Art zu schaffen, dessen Ausschaltleistung bei gleichzeitiger Verringerung der Antriebsenergie erhöht ist.
[0006] Der erfindungsgemässe Druckgasschalter zeichnet sich dadurch aus, dass ohne Einsatz zusätzlicher bewegter Teile in sicherer Weise und gezielt der Kompressionsdruck begrenzt bzw. abgebaut wird, ehe ein bestimmter für die Antriebsauslegung massgebender Maximalwert überschritten wird, und dass hierdurch zugleich die Möglichkeit einer besonders wirkungsvollen Doppelbeblasung des zu löschenden Schaltlichtbogens eröffnet ist. Als vorteilhaft erweist sich ferner, dass der Kompressionsschieber während des gesamten Ausschalthubes kräftemässig derart gesteuert ist, dass unzulässige Beanspruchungen vermieden werden.
[0007] Nachfolgend sind Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes anhand der Zeichnung dargestellt.
[0008] Es zeigt:
Fig. 1 eine beispielsweise Ausführungsform des erfindungsgemässen Druckgasschalters,
Fig. 2 eine Abwandlung des Druckgasschalters gemäss Fig. l.
[0009] In den Fig. 1 und 2 ist jeweils ein axialer Schnitt durch einen erfindungsgemäss ausgebildeten Druckgasschalter gezeigt, wobei jeweils rechts der strichpunktiert gezeichneten Mittellinie der Ausschaltzustand und links davon der Einschaltzustand dargestellt ist. In diesen Figuren sind gleiche Teile, bzw. Teile, welche die gleiche funktion erfüllen, mit gleichen Bezugszeichen versehen.
[0010] Der erfindungsgemässe Druckgasschalter entsprechend F.ig. 1 weist ein zylindrisches, vorzugsweise aus Isolierstoff bestehendes, Gehäuse 1 auf, welches oben durch einen druckdicht eingelassenen metallischen Anschlussflansch 2 abgeschlossen wird. Nach unten schliesst, ebenfalls druckdicht, ein nicht vollständig dargestelltes zylindrisches Metallgehäuse 3 den Druckgasschalter ab. Eine Stirnwand 4 des Metallgehäuses 3 trägt einen Hohlzylinder 5. Ein mit einem Kolbenring versehener Durchbruch im Zentrum der Stirnwand 4 und auch der Hohlzylinder 5 dienen als Führung für einen Kompressionsschieber 6, der vom nicht dargestellten Schalterantrieb axial nach oben und unten bewegt werden kann.
[0011] Der Kompressionsschieber 6 besteht aus einem hohlen zylindrischen Schaft 7, an dessen oberem Ende ein hohler Lichtbogenkontakt 8 eines beweglichen Schaltstücks Ba angesetzt ist, und einem Kompressionskolben 9, der eine zylinderförmige und als Nennstromkontakt 9a des Schaltstücks 8a wirkende Fortsetzung nach oben aufweist, in welche eine Isolierdüse 10 eingeschraubt ist. Isolierdüse 10, Kompressionskolben 9 und Nennstromkontakt 9a bilden ein Löschkammergehäuse 10a und begrenzen ein den Lichtbogenkontakt 8 koaxial umgebendes Aufheizvolumen 11. Stirnwand 4, Hohlzylinder 5, Schaft 7 und Kompressionskolben 9 begrenzen ein Kompressionsvolumen 12. Dieses Kompressionsvolumen 12 kann über ein in der Stirnwand 4 angebrachtes Rückschlagventil 12a von einem Expansionsvolumen 13 her belüftet und über ein in den Kompressionskolben 9 eingebautes Rückschlagventil 14 in Richtung Aufheizvolumen 11 entlüftet werden. Sollte der Druck im Kompressionsvolumen 12 einen bestimmten Wert überschreiten, so spricht ein Ueberdruckventil 30 an, welches das Entweichen des überschüssigen Druckes in das Expansionsvolumen 13 ermöglicht. Ferner sind im Schaft 7 mehrere Nuten 15, 16 vorgesehen, welche jeweils für kurze Zeit das Kompressionsvolumen 12 in Richtung Expansionsvolumen 13 entlüften. Diese Nuten 15, 16 erstrecken sich in axialer Richtung und sind, um die mechanische Beanspruchung eines darüber gleitenden Kolbenringes klein zu halten, tiefer als breit ausgebildet. Sie können auch verschiedene Längen aufweisen und können ferner, zumindest teilweise, auch in der Innenwand des Hohlzylinders 5 liegen.
[0012] Im eingeschalteten Zustand stehen der Lichtbogenkontakt 8 bzw. der das Löschkammergehäuse 10a radial nach aussen begrenzende Nennstromkontakt 9a in Eingriff mit einem massiv ausgebildeten Lichtbogenkontakt 17 bzw. einem hohl ausgebildeten Nennstromkontakt 18 eines mit dem Anschlussflansch 2 leitend verbundenen Schaltstückes 17a. Die Nennstrombahn dieses Druckgasschalters verläuft vom Anschlussflansch 2 über die Nennstromkontakte 18 und 9a auf den Kompressionskolben 9 und weiter über den Schaft 7 bis zu einem nicht dargestellten Kontaktabgriff mit einem weiteren Anschlussflansch.
[0013] Die Wirkungsweise der Erfindung wird nachfolgend zunächst anhand der Fig. 1 näher erläutert:
In der Einschaltposition (linker Teil von Fig. 1) ist das Kompressionsvolumen 12 über die Nuten 15 mit dem Expansionsvolumen 13 verbunden und kann sich der Druck des Löschgases in beiden Volumina über die Nuten 15 ausgleichen. Dieser Druckausgleich kann alternativ auch durch das im Boden des Hohlzylinders 5 angeordnete Rückschlagventil 12a erfolgen. Beim Ausschalten wirkt der Schalterantrieb auf den Kompressionsschieber 6 und beschleunigt diesen nach unten. Wenn der Nennstromkontakt 9a vom Nennstromkontakt 18 getrennt ist, wird die Nennstrombahn unterbrochen und kommutiert der Strom nach innen auf die Lichtbogenkontakte 8, 17 der Leistungsstrombahn, welche vom Anschlussflansch 2 über die Lichtbogenkontakte 17 und 8 auf den Schaft 7 verläuft. Es erfolgt sodann die Trennung der Lichtbogenkontakte 8 und 17 und es entsteht zwischen den beiden Lichtbogenkontakten 8, 17 ein nicht dargestellter Lichtbogen. Der Lichtbogen heizt das Löschgas im Aufheizvolumen 11 auf und bringt es so auf ein höheres Druckniveau, während ein Teil der ionisierten und verschmutzten Gase über einen im hohlen Lichtbogenkontakt 8 und im hohlen Schaft 7 befindlichen Abströmkanal 32 aus der Lichtbogenzone entfernt wird.
[0014] Bei kleinen Lichtbogenströmen reicht die Lichtbogenenergie für eine genügende Anhebung des Gasdruckes im Aufheizvolumen 11 gegebenenfalls nicht aus. Deshalb ist eine zusätzliche, vom Lichtbogen unabhängige Kompressionsvorrichtung zur Erzeugung von komprimiertem Löschgas vorgesehen und ist durch geeignete Bemessung der Länge des Abströmkanals 32 zwischen dem dem feststehenden Schaltstück 17 zugewandten freien Ende des Lichtbogenkontaktes 8 und Oeffnungen 33 im Schaft 7, in denen der Abströmkanal 32 in das Expansionsvolumen 13 mündet, dafür gesorgt, dass nur in der Anfangsphase der Lichtbogenbildung ein geringer Anteil des aufgeheizten Löschgases entweichen kann.
[0015] Im Kompressionsvolumen 12 der zusätzlichen Kompressionsvorrichtung wird in Abhängigkeit des Hubes des Kompressionsschiebers 6 komprimiertes Löschgas erzeugt. Zu Beginn der Ausschaltbewegung sorgen die vergleichsweise kurzen Nuten 15 dafür, dass etwas Löschgas aus dem Kompressionsvolumen 12 entweichen kann, so dass sich der Kompressionsdruck etwas verzögert aufbaut und komprimiertes Löschgas erst dann verfügbar ist, wenn eine Beblasung des Lichtbogens erwünscht ist. Durch geeignete Längenbemessung des Abströmkanals 32 wird zugleich erreicht, dass selbst bei vergleichsweise schwachen Lichtbogenströmen aufgeheiztes Löschgas in das Aufheizvolumen 11 gelangt und nicht schon in der Aufheizphase vollständig durch den Abströmkanal 32 in das Expansionsvolumen entfernt wird. Eine geeignete Längenbemessung des Abströmkanals 32 kann zwischen c/32f und c/3f betragen, wobei c die Schallgeschwindigkeit des Löschgases unter Füllbedingungen und f die Netzfrequenz des abzuschaltenden Stromes sind. Es hat sich gezeigt, dass bei einer solchen Bemessung das Abströmen des Löschgases aus der Lichtbogenzone in den Expansionsraum 13 bei Vorliegen kleiner Lichtbogenströme erschwert ist. Dies dürfte dadurch bedingt sein, dass bei derart bemessenen Abströmkanälen 32 das im Abströmkanal 32 befindliche kühle Löschgas die Abströmung des in der Lichtbogenzone befindlichen aufgeheizten Löschgases blockiert und das Einströmen des aufgeheizten Löschgases in das Aufheizvolumen 11 begünstigt. In der Aufheizphase des Lichtbogens bildet sich nämlich in der Lichtbogenzone eine sich mit Schallgeschwindigkeit c im Löschgas ausbreitende Verdichtungswelle, welche im Abströmkanal 32 fortgeleitet und bei geeigneter Längenbemessung des Abströmkanals 32 derart an dessen zum Expansionsraum 13 offenen Ende als Verdünnungswelle reflektiert wird, dass die reflektierte Verdünnungswelle etwa zum Zeitpunkt des Stromnulldurchganges wieder im Bereich der Lichtbogenzone eintrifft.
[0016] Reicht der Druck des im Aufheizvolumen 11 befindlichen Löschgases dennoch nicht aus, um den Lichtbogen ausreichend zu beblasen, so strömt das im Kompressionsvolumen 12 erzeugte Löschgas erhöhten Druckes auf sehr kurzem Wege über das Rückschlagventil 14 direkt in das Aufheizvolumen 11. Das im Aufheizvolumen 11 befindliche komprimierte Löschgas gelangt bei Annäherung des Stromes an den Nulldurchgang in die Löschzone und bewirkt sobald der feststehende Lichtbogenkontakt 17 eine Oeffnung 34 in der Löschkammerwand 10a freigegeben hat eine doppelte und daher besonders wirkungsvolle Beblasung des Lichtbogens.
[0017] Während des eigentlichen Kompressionsvorganges sind die Nuten verdeckt und deshalb unwirksam. Es ist jedoch möglich, dass abhängig von der Antriebscharakteristik, beim Kompressionsvorgang Druckspitzen auftreten können. Diese lassen sich ohne Antriebsverstärkung beherrschen durch das Ueberdruckventil 14 und/oder durch eine vergleichsweise grosse Erstreckung der Nuten 16 bis nahe an die Nuten 15. Kurz vor dem Erreichen der Ausschaltstellung, in einem Hubbereich, wo der Lichtbogen bereits gelöscht ist, und wo deshalb keine Beblasung mehr nötig ist, wird der restliche Kompressionsdruck über die Nuten 16 in das Expansionsvolumen 13 abgeführt. Durch diese Massnahme kann die benötigte Schalterantriebsenergie und damit auch der Antrieb selbst besonders klein gehalten werden.
[0018] Wenn sehr hohe Ausschaltströme zu unterbrechen sind, so treten im Aufheizvolumen 11 sehr hohe Gasdrücke auf, und das hier gespeicherte Gas reicht allein für die Beblasung bis zur Löschung des Lichtbogens aus. In diesem Fall braucht das Rückschlagventil 14 nicht öffnen. Eine Blockierung des schwach bemessenen Antriebs wird dennoch vermieden, da das gesamte komprimierte Gas aus dem Kompressionsvolumen 12 durch die Nuten 16 und/oder das Ueberdruckventil 30 in das Expansionsvolumen 13 strömen kann.
[0019] In Fig. 2 ist eine aus der Fig. 1 abgeleitete Ausführung des Druckgasschalters dargestellt. Der Kompressionsschieber 6 enthält anstelle des Kompressionskolbens 9 einen Kompressionskolben mit Hülse 20 und anstelle der Stirnwand 4 einen feststehenden Kolben 19, der mit dem Metallgehäuse 3 starr verbunden ist. Der Kompressionsschieber 6 gleitet dichtend über dem Kolben 19 und schliesst mit diesem zusammen das Kompressionsvolumen 12 ein. Im Kolben 19 ist das zum Füllen des Kompressionsvolumen 12 vorgesehene Rückschlagventil 12a eingebaut, welches die Belüftung des Kompressionsvolumens 12 zum Expansionsvolumen 13 beim Einschalten des Schalters erlaubt. Der Lichtbogenkontakt 17 des feststehenden Schaltstückes 17a ist hohl ausgebildet, wodurch der Fusspunkt des Lichtbogens an diesem Lichtbogenkontakt besonders intensiv beblasen wird.
[0020] Die Anordnung gemäss Fig. 2 hat den Vorteil, dass beide Laufflächen der in den Kolben 19 eingelegten Kolbenringe gegen von oben herabfallenden Schaltstaub abgeschirmt sind. Besonders gut geschützt ist die Lauffläche des innenliegenden Kolbenringes, da zusätzlich das durch die Nuten 15 und 16 in den Spalt 21 abströmende komprimierte Gas Verunreinigungen fernhält. Wenn ein Teil der Nuten 15 und 16 in die Innenwand des Kompressionskolbens mit Hülse 20 verlegt würde, so liesse sich die Lauffläche des äusseren Kolbenringes ähnlich vorteilhaft schützen.
- einem löschgasgefüllten Gehäuse (1),
- einem vom Gehäuse (1) umschlossenen Expansionsvolumen (13),
- zwei im Gehäuse (1) befindlichen längs einer Achse miteinander in oder ausser Eingriff bringbaren Schaltstücken (8a, 17a) mit jeweils einem Lichtbogen- (8, 17) und einem Nennstromkontakt (9a, 18),
- einem den Lichtbogenkontakt (8) eines beweglichen (8a) beider Schaltstücke (8a, 17a) koaxial umgebenden und mit diesem starr verbundenen Löschkammergehäuse (10a),
- einer das Löschkammergehäuse (lOa) durchdringenden und vom Lichtbogenkontakt (17) eines feststehenden (17a) beider Schaltstücke (8a, 17a) im Einschaltzustand durchsetzten Oeffnung (34),
- einem im Löschkammergehäuse (lOa) befindlichen, koaxial zum Lichtbogenkontakt (8) des beweglichen Schaltstückes (8a) angeordneten Aufheizvolumen (11) zur Aufnahme von Löschgas, welches beim Abschalten im Inneren des Löschkammergehäuses (10a) vom Schaltlichtbogen aufgeheizt wird,
- einem am Löschkammergehäuse (lOa) befestigten Kompressionsschieber (6) zur Erzeugung von komprimiertem Löschgas beim Ausschalten in einem koaxial zum beweglichen Schaltstück (8a) angeordneten Kompressionsvolumen (12), und
- einem am Kompressionsschieber (6) angebrachten und im Aufheizvolumen (11) befindlichen Rückschlagventil (14),
dadurch gekennzeichnet,
- dass der Lichtbogenkontakt (8) des beweglichen Schaltstücks (8a) einen von seinem dem feststehenden Schaltstück (17a) zugewandten, freien Ende in axialer Richtung erstreckten und in das Expansionsvolumen (13) mündenden Abströmkanal (32) aufweist, und
- dass zwischen Kompressionsvolumen (11) und Expansionsvolumen (13) eine Vorrichtung zum Steuern des Druckes und zum Nachfüllen des im Kompressionsvolumen (12) befindlichen Löschgases vorgesehen ist.
- dass die Länge des Abströmkanals (32) zwischen dem freien Ende des Lichtbogenkontaktes (8) des beweglichen Schaltstückes (8a) und der Mündung des Abströmkanals (32) in das Expansionsvolumen (13) derart bemessen ist, dass sich im Abströmkanal beim Abschalten eine stehende Druckwelle ausbildet.
- dass die Länge des Abströmkanals (32) grösser c/32f und kleiner c/3f ist, wobei c die Schallgeschwindigkeit des Löschgases und f die Netzfrequenz des abzuschaltenden Stromes sind.
- dass die Vorrichtung zum Steuern des Druckes und zum Nachfüllen des im Kompressionsvolumen (12) befindlichen Löschgases ein Ueberdruckventil (30) und ein weiteres Rückschlagventil (12a) und/oder mindestens zwei sich in axialer Richtung erstreckende Nuten (15, 16) aufweist, von denen eine erste (15) in der Einschaltposition und eine zweite (16) in der Ausschaltposition das Kompressionsvolumen (12) mit dem Expansionsvolumen (13) verbindet.
- dass die Nuten (15, 16) zumindest teilweise an einem am Kompressionsschieber (6) zentrisch angeordneten Schaft (7) angebracht sind.
- - dass die Nuten (15, 16) zumindest teilweise in der Innenwand eines das Kompressionsvolumen (12) nach aussen begrenzenden Hohlzylinders (5) angebracht sind.
- dass die Nuten (15, 16) tiefer als breit sind und verschiedene Längen aufweisen.
- dass das feststehende Schaltstück (17a) einen hohlen, seinen Lichtbogenkontakt (17) mit Abstand umgebenden Nennstromkontakt (18) aufweist, welcher in der Einschaltposition in Eingriff mit einem auf dem Löschkammergehäuse (lOa) befestigten Nennstromkontakt (9a) des beweglichen Schaltstückes (8a) ist.