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Druckgasschalter mit freier Lufttrennstrecke, insbesondere Freistrahlschalter
Es ;ist bekannt, bei einem Freistrahlschalter die beiden Löschköpfe bei der Kontaktabtrennung
vorerst noch aneinanderzuhalt.en, um einen Raum höheren Druckes abzugrenzen. Die
Schaltprodukte werden dabei in der Hauptsache erst nach. der Trennung der Löschköpfe
abgeführt, so daß durch das Vorhandensein von Metalldämpfen u. dgl. Rückzündungen
auftreten können..
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Die Erfindiung bezieht sich auf einen solchen Druckgasschalter, bei
welchem die freie Lufttrennstrecke,durch eineTeilung,der den Unterbrechungslicht@bogen
aufnehmenden Druckkammer hergestellt wird und das Druckgas nach der Teilung der
Kammer zwischen,den Kammerteilen abströmt. Die zu lösende Aufgabe besteht darin,
während der Leistungsunterbrechung das Druckgas an der Unterbrechungsstrecke auf
möglichst hohem Druck zu halten, dabei aber trotzdem die ionisierten Gase möglichst
schnell .aus der Unteribrechungsstrecke zu entfernen., um Rückzündungen zu vermeiden.
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Zu diesem Zweck wenden erfindungsgemäß zwei hohle Schaltkontakte verwendet,
durch welche die Schaltprodukte aus der Schaltstrecke vor der Teilurig der Kammer
abgeführt werden.. Dabei kann man es leicht so einrichten, daß trotz Abführens der
Schaltgase ein. möglichst hoher Staudruck in der Druckkammer erhaltenbleibt.
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Es gibt zwar Druckgasschalter, bei denen ider Lichtbogen in einer
Druckkammer zwischen einem stift-förm,igen und einem die Kammer mit der Außenluft
verbindenden düsenförmigen Kontakt gezogen wird. Nach erfolgter Lirhtbogenlösch
urig
teilt sich hierbei die Kammer; .und es entsteht eine freie
Lufttrennstrecke. Dabei werden. auch schore vor Herstellung der freien Lufttrennstrecke
Schaltgase abgeführt. Bei diesen Schaltel'nbrennt jedoch .der Lichtbogen, in der
Metalldüse in der Hauptsache außerhalb der Kammer, und es tritt, für ihn die Aufgabe
der Erfindung nicht auf.
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In der Zeichnung sind in Fig. r bis, 7 einige Ausführungsibeispiele
nach,der Erfindung dargestellt. Die Rig. z und 2 veranschaulichen dien, grundsätz.lichen.
Aufbau einer erfindungsgenäß,en Kontaktstelle, wobei als Zielsetzung die Beherrschung
der Abschaltleistüng lediglich durch die Zurückziehung d-r Elektroden gegeben ist.
Diei an den Löschvorgang anschließende Trennung der Düsen dient nur :der Einhaltung
der vorgeschriebenen Schlagwoite. Unter .dieser Voraussetzung kann der Schalter
sowohl für normale Kurzschlußabschaltungen als auch für Kurzschlußfortschaltung
,bei gleicher A.bschaltleistüng in beiden Fällen verwendet werden.
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Fig: I zeigt die Kontakttrennstelle in geschlossenem Zustand, Fig.
2 unmittelbar nach der Trennung der Kontakte. Die Freigabe der Druckluft veranlaßt
die Kontakttrennung .und rasche Vergrößerung .des Elektrodenab.standes. Gleichzeitig
strömt die Druckluft .durch die !beiden Düsen, d. h. .den Ringspalt zwischen. den
Rohrelektroden. 1,:2 und den Düsenkörpern 3, q. :in .den Druckraum 5, der durch
den Zylinder 6 gebildet wird; dieser bildet mit dem rechten. Düsenkörper eine Einiheit.
Zur Erhöhung des Strömungswiderstandes ist auch der .Düsenkörper 3 mit einem zylindrischen
Ansatzstück 7 ausgerüstet.
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Die Druckluft strömt aus beiden Düsen in den Druckraum 5 und verläßt
diesen hauptsächlich durch die Hohlelektroden i, 2. Dabei, bewirkt der erhebliche
Strömungswiderstand, der durch den verhältnismäßig engen Spalt zwischen Zylinder
6 und 7 gegeben ist, daß der wesentliche Teil der Druckluft durch die Hohlelektroden
nach rückwärts, abströmt.
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Die Anordnung hat zur Folge, @daß auf Grund dies. resultierenden,
Strömungswiderstandes im Zy-
linder 6, d. h. Inn Druckraum, verglichen
mit der völlig freien Abstrahlung der Druckluft, -wie sie bei den biisherigen Freistrahlschaltern
erfolgt, ein höherer Druck auftritt. Würde man .die Hohlelektroden schließen; ,d.
h. Vollelektroden anwenden, und dien Strömungswiderstand zwischen den: Zylindern
6 und 7 außerordentlich. hoch machten, so !, würde nach .kürzester Zeit (der volle
Kesseldruck in der Druckkammer herrschen und ein Höchstmaß an Durchschlagsfestigkeit
ergeben, sofern keine Metalldämpfe und! ionisierten Gase vorhanden wären.
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Ihre Entfernung erfolgt durch die Hohlelektroden unter Inkaufnahme
eines gewissen Druckverlustes. Wie Fig.2 zeigt, wird die Druckluft nach Umströmen
der Hohlvelektroden gezwungen, in dem Druckraum 5 die Strömungsrichtung um @&oty
zu drehen,, um in das Innere der HohleIeilttroden zu gelangen.. Dies hat zur Folge-,
@daß die Lichtbogenstrecke gründlich durchspült wird, wodurch die Metalldämpfe beseitigt
werden. Gleichzeitig entsteht in der Mittelebene des Druckraumes, in der idie axiale
Gasgeschwindigkeit gleich: Null sein muß, eine Zone erhöhten, Druckes (allein herrührend
von der Druckluftbeaufschlagung ohne Berücksichtigung :des vomLichtbogen verursachten
Druckes, der während und kurz nach der Lichtboge.ndauer noch hinzukommt), die eine
Erhöhung .der Durchschlags.festigkeit ergibt. Besonders wesentlich und wirkungsvoll
ist jedoch ,die vom Augenblick der Kontakttrennung an sofort einsetzende intensive
Bespülung tder Elektrodenränder, also der Lichtbogenfußpunkte, durch die Frischgasströmung,
die die ionisierten, Gase schnell in das Innere ider Hohlelektroden befördert, wo
sie für @die Einleitung einer Rückzündung wirkungslos. sind.
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Auch wahrend der Dauer des Lichtbogens. wind der unter dem Einfuß
der Lichtbogenl:eitung auftretende zusätzliche Gasdruck im Sinne einer Abd@rängwng
des Lichtbogen in die Hohlelektroden hineinwirken. und damit .die Entiontisation
der Schaltstrecke einleiten, bzw. unterstützen.
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Wie bereits erwähnt, bedingt der Strömungswiderstand der Druckkammer,
abgesehen vom zusätzlichen Lizhtbo-ge@nd'ruck, eine Annäherung des Druckes :in der
Druckkammer an den Druck im Kessel. Unter der Voraussetzung einer praktisch völlig
dichten Druckkammer, wie sie z. B. durch Verwendung einer Art Labyrinthdichtung
nach der weiter unten erörterten. Fig. 3 erreicht werden kann, ,ist der Strömungswiderstand
der Druckkammer (vom Düsenwiderstand, d. h. dem StrömungswiAerstand dies Ringspaltes
zwischen Hohlelektrode und Düsenkörper, ist hierbei abgesehen) im wesentlichen durch
die lichte Weite und die Länge der Hohlelektrode bestimmt. Um eine günstigste Bemessung
von Druck und Strömungsgeschwindigkeit am Elektrodenmund vornehmen: zu können, kann:
es unter Umständen zweckmäßiig sein, eifre Vorrichtung vorzusehen, .die dien Ströinungswitderstand
der Druckkammeranordnung zu verändern gestattet. Zu diesem Zweck werden am rückwärtigen,
Ende der Hohlelektroden auswechselbare, Drosselscheiben eingesetzt oder die Hohlkörper,
;in denen sich .die Höhle lektraden bewegen, nach rückwärts,zu ,dturch einen hinsichtlich
ihres Öffnungsquerschnittes veränderliche Abdeckung versehen.
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Bei vollständiger Schließung der Hohlelektrodie erreicht man den höchsten
Druck und nur eine anfängliche Gas.s.trömung in das Innere der Hohlelektrode, Ibis
der Druck in, ,der Hohlelektrodie dem Druck in, der Druckkammer unddamit annähernd
dem Kesseludruck entspricht. Ohne Metalldämpfe wäre dadurch der Höchstwert der Durchschlagsspannung
.erreicht. Bei Freigabe eines gewissen Strömungsquerschnittes setzt eine Druckgasströmung
durch die Hohlelektrode ein, wobei gleichzeitig .der Druck in der Druckkammer nicht
mehr so hoch ansteigt wie im ersten Fall. Die Durchspülung der Druckkammer bewirkt
.die Abführung
der Metalldämpfe und dadurch eine Erhöhung der Durchschlagsfestigkeit
zur Zeit der wiederkehrenden Spannung. Bei weiterer Vergrößerung des Strömungsquerschnittes
der Druckkammer und Hohlelektrode steigt die Ström-ungsgeschwvindigkeit ,in der
Düse und d:ie @in der Zeiteinheit abgeführte uoni@sierte Gasmenge. Der Druck in
der Druckkammer sinkt weiter. Sowohl die Erhöhung der :in der Zeiteinheit abgeführten
Gasmenge als auch die Drucksteigerung wirken je für sich i.n Sinne einer
Erhöhung der Durchschlagsfestigkeit der Schaltstrecke, haben jedoch bei gegebenem
Kesseldruck gegenläufige Tendeniz. Mithin muß die,Wi.rkung beider Größen auf diel
Abschaltleistung des Schalterpols bei; einer bestimmten Bemessung des Strömiungsquerschnittes.
eiirren Höchstwert ergeben.
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Die in der Druckkammer 5 wirksame Druckluft und .der tichtbogendruck
üben auf die Stirnwände der Düsenkörper 3 (und 4 einen Druck aus, der zur Öffnung
der Schaltstrecke, d:. h. zur Auseinanderbewegung der Düsenkörper, mit ausgenutzt
werden kann: D:ie Größe d .es Druckes ist durch den Druckka@mmerd'ruck und ihren
Querschnitt senkrecht zur Bewegungsrichtung gegeben.
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Die Verwendung der beiden übereinandergrei.-fenden Zylinder 6 unld
7 ergibt bei engem Spalt eiirren verhältnismäßig hohen. Strömungswiderstand, der
durch: Verwendung eines dritten nicht: gezeichneten Zylinders, -der mit .dem Düsenkörper
q. analog Zylinder 6 verbunden ist und Zylinder 7 umschließt, noch weiter erhöht
werden: kann. Erweist sich ein: durch zwei übereinandergeschobene Zylinder erzielter
Strömungswiderstand als nicht erforderlich, so können: die :beiden Zylinder 6 und
7 mit gleichem Durchmesser ausgeführt werden und entweder stumpf aneinanderstoßen
oder eine gewisse Verzahnung i aufweisen, wie Fig. 3 und 4 zeigen.
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Die Anordnung nach Fig. 3 dürfte ähnlich wie die Anordnungen nach
Fig. i und 2 durch die Verzahnung einen hohen; Strömungswiderstand ergeben und den
Vorteil fast. gleichartiger Herstellung der beiden: Düsenkörper bieten.
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Zur Verbesserung der Strömung in, der Druckkammer wird eine Ausbildung
nach Fig. 5 vorgeschlagen, die scharfe Ecken vermeidet, um den Luftstrahl durch
die Nasen. 8 in der Mittelebene der Druckkammer ,bei der Umkehr der Strömungsrichtung
auf den Elektrodenmund zu .unterstützen. Jede der beidem, Hohlelektroden verschluckt
gewissermaßen durch die@Art !d@erDruckluftzuführung die :in :ihrem Bereich befindlichen
ionisierten Lichtbogenrückstände.
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D.ie durch die Nasen 8 im Innern der Druckkammer gegebene Querschnitbs.vergrößerung
der Düsenkörper 3, 4 kann auf der Außenseite durch eine entsprechende Querschni.ttsvergrößerung
9 ergänzt werden. Der so gewonnene Querschnitt kann zur Eindrehung einer Labyrinthdchtunig
mit dreieckiger oder rechteckiger Verzahnung verwendet werden. Die dreieckige Verzahnung
bietet. dien Vorteil einer mechanischen Führung eim Schließen der Düsenkörper. Die
Qüerschnitbsvergrößerung erhöht ferner die mechanische Festigkeit der Druckkammer.
Sie kann heller- oder schirmarfng ausgebildet werden und erhöht den; Kriechweg über
den Düsenkörper und eventuell :auch die Überschlagsspannung außen zwischen den Schaltarmen.
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Zur Erhöhung der mechanischen Festigkeit der Druckkammer können. ferner
runde Stahlringe io voneinander :isoliert in denDruckkammer-und/oder gegebenenfalls
Düsenquerschnitt eiabgesetzt werden. S:ie wirken gleichzeitig als Potentialsteuerung
und erhöhen dadurch die Innendurchschlagsspannung der Schaltstrecke bei zurückgezogenen
Elektroden. Die Anordnung voneinander usofierter Ringe vorhindert ,die Entstehung
von Gleitfunkers längs der Düserd<örperoberfläche :bei Außenüberschlägen.
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Um die Vorteile id;er Druckkammer voll zur Wirkung zu bringen, setzt
(die mechanische Bewegung der Düsenkörper erst ein, wenn, der Löschvorgang beendet
ist.
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Um die mechanische Festigkeit der Druckkammer mit Rücksucht auf den
durch den Licht--bogen zusätzlich entwickelten Druck nicht allzu hoch bemessen zu,
müssen und um die Lichtbogengase nicht- ,insgesamt durch die Hohlelektrode albführen
zu müssen, können erfbrderlichen.falls z. B. radial angebrachte Ausströmilöcher
m bei der Anordnung nach Fig. 5 vorgesehen werden. Die dadurch bei kleinen Strömen
bedingte Druckverminderung kann in Kauf genommen werden, weil bei kleinen Strömen
auch kleine Drücke für eire enwandfreie Lichtbogemlöschung genügen.
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Um jedoch auch bei kleineren Strömen: die höchs.tmögliiche Drucksteigerung
zur Wirkung zu bringen, .können die Ausströmlöcher nach Fig. 6 durch eine Ringdichtung
ventilartig geschlossen werden. Diese @best(#ht: aus einem Metaldhoh:lrung, dessen
Segmente 12 je ein Ausströmloch i i abdichten. Der Dichtungsdruck wii.rd durch eine
im Innern des. Hohlringes befindliche Feder 13 aufgebracht, idie sämtliiche Ringsegmente
auf die Löcher drückt. Übersteigt der Druck im Li:chtbogenraum den Federdruck, so
blasen die Aus.-strömlöcher Druckluft ab und begrenzen .dadurch den Innendruck,
der beispielsweise auf den Wert des Kesseldruckes begrenzt werden kann. Damit .die
Segmente des D:ichtungsri.rges. nach dem Abblasen wieder ,ih die alte Lage zurückkehren,
sind neben der Mittelnase 6, 7 ;in Fig. 5 Führungsnasen 14 in Eig. 6 vorgesehen.
Diie elektrisch isoliierten Ringe z i dienen gleichzeitig zur Potentialsteuerung,
indem sie ähnlich wie die Potentials:teuerungsringe io der Fig. 5 die Feldstärke
aal den zurückgezogenen Elektroden herabsetzen, d. h. das Feld homogenisieren.
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Das Prinzip der .Druckkammer mit HoMstiften ist nicht auf Freistrahlschalter
beschränkt.