DruckgasSchalter mit variabler Isolierstoffdüse

BESCHREIBUNG

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft einen Schalter, bei- spielsweise einen Selbstblasschalter, mit einer Löschkam- mer, einem inneren Kontakt und einem äusseren Kontakt. Die Erfindung betrifft insbesondere die Ausgestaltung einer Isolierstoffdüse für einen solchen Schalter.

Stand der Technik

Ein Selbstblasschalter bekannter Art ist in EP 0 067 460 beschrieben. Er besitzt u. a. einen stabför- migen inneren Kontakt oder Lichtbogenkontaktstift und ei- nen ringförmigen äusseren Kontakt oder eine Lichtbogenkontakttulpe. Werden die beiden Kontakte beim öffnen des Schalters voneinander getrennt, entsteht zwischen den Kontakten ein Lichtbogen. Zusätzlich hat der Schalter ein Löschvolumen und ein Kompressionsvolumen unterschiedlich- er Grosse. Der Lichtbogen trägt Material von den Wänden einer Isolierstoffdüse ab, wodurch sich der Druck in einer Lichtbogenzone erhöht, so dass erhitztes Gas in das Löschvolumen strömt . Wenn der Druck in der Lichtbogenzone in der Nähe des Nulldurchgangs des Stromes absinkt, strömt das Gas aus dem Löschvolumen in die Lichtbogenzone und kühlt den Lichtbogen, sodass er letztendlich gelöscht wird.

Selbstblasschalter sind üblicherweise für be- stimmte Anwendungen optimiert, beispielsweise zum Löschen von Lichtbögen mit kleinen und mittleren Strömen. Ist die Isolierstoffdüse für solche Lichtbogenströme optimiert, wird bei höheren Strömen mehr Druck aufgebaut als nötig

wäre, um den Lichtbogen zu löschen. Ein höherer Druck verursacht an der Isolierstoffdüse einen erhöhten, die Lebensdauer der Düse verkürzenden Abbrand. Durch den Ab- brand kann es zu einer änderung der Geometrie der Iso- lierstoffdüse kommen, beispielsweise zu einer Aufweitung der Düsenöffnung. Eine derart veränderte, aufgeweitete Düsenöffnung kann jedoch zu gross sein für kleinere und mittlere Ströme, für welche die Isolierstoffdüse ursprünglich optimiert wurde, um diese Ströme wirkungsvoll zu löschen. Neben der reduzierten Lebensdauer der Iso- lierstoffdüse verschlechtert sich daher auch das Löschvermögen.

Darstellung der Erfindung

Es stellt sich die Aufgabe, einen Druckgas- Schalter der eingangs genannten Art mit verbesserten Eigenschaften hinsichtlich Löschvermδgen und Lebensdauer bereitzustellen.

Diese Aufgabe wird von einem Druckgasschalter gemäss Anspruch 1 erfüllt. Hierzu hat eine Isolierstoff- düse des Schalters eine Querschnittsfläche, die abhängig von einem in der Lichtbogenzone herrschenden Gasdruck veränderlich ist. Dies erlaubt eine druckabhängige änderung der Düsenquerschnittsfläche, wodurch eine Selbstregulierung des Gasdruckes innerhalb der Isolierstoffdüse stattfindet.

In einem Ausführungsbeispiel ist die Isolier- stoffdüse radial elastisch, beispielsweise mittels mindestens einem ersten Düsenteil, der an einen zweiten Düsenteil beweglich gekoppelt ist, so dass sich der erste Düsenteil je nach den momentan vorherrschenden Druckverhältnissen in der Lichtbogenzone zur Achse hin oder davon weg bewegen kann.

Zwischen dem ersten und zweiten Düsenteil kann mindestens ein elastisches Element vorhanden sein,

welches das erste Düsenteil vorspannt. Das elastische Element kann eine Feder, ein Gummielement, oder ein anders geartetes Material sein, das seine Ausdehnung unter. Druck ändert, oder es kann eine Kombination derartiger Elemente sein. Ausserdem kann die Isolierstoffdüse eine Düsenöffnung haben, die kreisförmig, rechteckförmig oder generell vieleckförmig ist oder aus solchen Geometrien z. B. abschnittsweise zusammengesetzt ist.

Bei dem Schalter wird die Erkenntnis aus- genutzt, dass der Druckaufbau in der Lichtbogenzone annähernd proportional zum Quadrat der Stromdichte des Lichtbogens ist . Damit ist der Druckaufbau auch proportional zur Wurzel der Querschnittsfläche der Isolierstoffdüse. In den hier beschriebenen Ausführungsbeispielen eines Schalters ist die Düsenquerschnittsfläche variabel, um den Gasdruck innerhalb der Isolierstoffdüse zu beeinflussen. Steigt der Gasdruck während des Trennens an, vergrössert sich die Düsenguerschnittsflache . Dadurch sinkt der Gasdruck, die Spannung des Lichtbogens und die Lichtbogen- energie . Eine reduzierte Lichtbogenenergie verursacht weniger Abbrand. Mit sinkendem Gasdruck verkleinert sich die Düsenguerschnittsflache wieder. Ein Vorteil eines solchen Schalters ist, dass er den Gasdruck selbst reguliert und damit die Lebensdauer der Isolierstoffdüse erhöht, ohne dabei das Löschvermögen negativ zu beeinflussen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Weitere Ausgestaltungen, Vorteile, neue Eigenschaften und Anwendungen der Erfindung ergeben sich aus der folgenden detaillierten Beschreibung unter Einbezug der Zeichnungen. In den Zeichnungen haben gleiche Elemente die gleichen Bezugszeichen. In den Zeichnungen zeigen: Fig. 1 einen Schnitt durch ein Ausführungs- beispiel eines Selbstblasschalters während der öffnungsund Stromunterbrechungsphase,

Fig. 2 eine schematische Vorderansicht des Schalters aus Fig. 1 mit einem ersten Ausführungsbeispiel einer Düse in einem ersten Zustand,

Fig. 3 eine schematische Vorderansicht des Schalters aus Fig. 1 mit dem ersten Ausführungsbeispiel der Düse in einem zweiten Zustand,

Fig. 4 eine schematische Vorderansicht des Schalters aus Fig. 1 mit einem zweiten Ausführungsbeispiel einer Düse in einem ersten Zustand, und Fig. 5 eine schematische Vorderansicht des

Schalters aus Fig. 1 mit dem zweiten Ausführungsbeispiel der Düse in einem zweiten Zustand.

Wege zur Ausführung der Erfindung

Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Selbstblasschalters 1. Der Schalter 1 ist im wesentlichen rotationssymmetrisch um eine Achse A aufgebaut, weshalb in Figur 1 nur die Hälfte des dargestellten Schnitts gezeigt ist.

Der Schalter 1 besitzt einen ersten oder äus- seren Lichtbogenkontakt 2, typischerweise eine Lichtbogenkontakttulpe 2, der oder die sich ringförmig um die Achse A erstreckt, sowie einen zweiten oder inneren Lichtbogenkontakt 3, typischerweise einen Lichtbogenkontaktstift 3, der in der Regel stabförmig oder rohrförmig aufgebaut ist. Der äussere Lichtbogenkontakt 2 ist ringförmig um die Mittelachse (Achse A) des inneren Lichtbogenkontakts 3 ange- ordnet.

Die beiden Lichtbogenkontakte 2, 3 sind relativ zueinander in axialer Richtung durch einen nicht gezeigten mechanischen Antrieb verschiebbar. In dem in Figur 1 gezeigten Ausführungsbeispiel sind der äussere Lichtbo- genkontakt 2 und der innere Lichtbogenkontakt 3 voneinander getrennt, so dass sich der Schalter 1 in der öffnungsund Stromunterbrechungsphase befindet. Im geschlossenen Zustand steht ein Bereich des inneren Lichtbogenkontakts 3 mit dem äusseren Lichtbogenkontakt 2 in Verbindung.

Um die Lichtbogenkontakte 2, 3 ist ein Schalterkörper 4 für so genannte Nennstromkontakte angeordnet, die niederohmige Kontakte für den Nennstrom bei geschlossenem Schalter zur Verfügung stellen. Die Nennstromkontak- te umgreifen im wesentlichen die Lichtbogenkontakte 2, 3. Werden die Nennstromkontakte getrennt, kommutiert der Strom zu den Lichtbogenkontakten 2, 3. Anschliessend werden die Lichtbogenkontakte 2, 3 getrennt. Dabei entsteht ein stromführender Lichtbogen, der mit Hilfe von Druckgas gelöscht wird. Das Druckgas wird in einem Selbstblas-Leis- tungsschalter durch den so genannten Selbstblaseffekt bereitgestellt, bei dem durch Selbstaufheizung in einer Löschkammer 5 (Heizvolumen) und vorzugsweise mit Druckaufbauunterstützung durch verdampfendes Isolierstoffdüsen- material der Blasdruck erzeugt wird. In einem Puffer- Leistungsschalter oder Kolbenblasdruckschalter wird das Druckgas durch einen Kolben und vorzugsweise mit Druckaufbauunterstützung durch verdampfendes Isolierstoffdüsenmaterial bereitgestellt. Das Druckgas wird dann von einer Isolierstoffdüse 12 auf den brennenden Lichtbogen gerichtet, um eine effiziente Beblasung und Lichtbogenlöschung zu erreichen. Die. Löschkammer 5 kann in einem Ausführungsbeispiel eine einfache Kammer mit festgelegtem Volumen sein. In einem anderen Ausführungsbeispiel kann sie aber auch ein variables Volumen haben oder mit einem solchen verbunden sein.

Die Löschkammer 5 kommuniziert über einen Löschkanal 6 mit einem Innenraum 8, in dem beim Unterbrechen des Schalters 1 eine Lichtbogenzone 10 entsteht. Während des Unterbrechens und kurze Zeit danach brennt in der Lichtbogenzone 10 ein Lichtbogen zwischen den Lichtbogenkontakten 2, 3. Gas, das durch den Löschkanal 6 von der Löschkammer 5 in die Lichtbogenzone 10 strömt, löscht den Lichtbogen. Die Isolierstoffdüse 12 des Schalters 1 ist beispielsweise am Schalterkörper 4 befestigt, der dem äus- seren Lichtbogenkontakt 2 (Lichtbogenkontakttulpe 2) zuge-

ordnet ist. Die Isolierstoffdüse 12 ist aus nicht leitendem Material, beispielsweise aus PTFE, welches die Lichtbogenkontakte 2, 3 zumindest teilweise umgibt. Die gezeigte exemplarische Isolierstoffdüse 12 besteht aus mehreren Düsenteilen 12a, 12b, 12c. In dem in Figur 1 gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Düsenteile 12a, 12b, 12c dem äusseren Lichtbogenkontakt 2 zugeordnet. Der Löschkanal 6 erstreckt sich innerhalb der Isolierstoffdüse 12 und trennt den Düsenteil 12c von den Düsenteilen 12a, 12b ab. Wie in Figur 1 exemplarisch angedeutet, sind die Düsenteile 12a, 12b durch einen Zwischenraum 16 voneinander getrennt. Die Isolierstoffdüse 12 ist dabei so ausgestaltet, dass der Düsenteil 12b relativ zum Düsenteil 12a beweglich ist. In einem Ausführungsbeispiel kann sich der Düsenteil 12b zum Düsenteil 12a hinbewegen, beispielsweise bei sich erhöhendem Druck, und von diesem wegbewegen, beispielsweise bei wieder abnehmendem Druck. In den Figuren ist diese Beweglichkeit allgemein durch einen Doppelpfeil 14 angedeutet. Im Zwischenraum 16 können ein oder mehrere elastische Elemente 18 angeordnet sein, die die Hin- und Herbewegung des Düsenteils 12b unterstützen. In den gezeigten Figuren sind die elastischen Elemente 18 Spiralfedern, die abhängig vom Druck mehr oder weniger kompri- miert werden. Jedes elastische Element 18 hat eine Federkonstante, die so gewählt ist, dass die gewünschte Beweglichkeit des Düsenteils 12b bei den zu erwartenden Gasdrücken gewährleistet ist. In einem anderen Ausführungsbeispiel können die elastischen Elemente 18 ein oder meh- rere Gummielemente (beispielsweise eine Gummischicht) sein. Generell kann auch ein anders geartetes Material, das seine Ausdehnung unter Druck ändert, oder eine Kombination der genannten oder ähnlicher elastischer Elemente, verwendet werden. Die Isolierstoffdüse 12 ist so ausgestaltet, dass durch den Zwischenraum 16 kein Gas aus der Löschkammer 5 oder dem Löschkanal 6 entweichen kann. Das Gas

strömt somit weiterhin durch den Löschkanal 6 in die Lichtbogenzone 10. Dazu kann die Isolierstoffdüse 12 im in Figur 1 gezeigten Ausführungsbeispiel im Bereich des Löschkanals 6 eine vom Düsenteil 12a abstehende Kante 20 haben. Die Kante 20 überlappt mit dem Düsenteil 12b und schliesst so den Zwischenraum 16 zum Löschkanal hin im wesentlichen gasdicht ab.

In einem anderen Ausführungsbeispiel kann das elastische Element 18 selbst den Zwischenraum 16 gasdicht abschliessen. Eine im Zwischenraum 16 vorhandene Gummischicht dient in einem solchen Ausführungsbeispiel als elastisches Element und als Dichtelement . Bei diesen Ausführungsbeispielen kann die Kante 20 entfallen.

Figur 2 zeigt eine schematische Vorderansicht des Schalters 1 mit einem Ausführungsbeispiel der Isolierstoffdüse 12, die sich in einem ersten Zustand befindet. Zur Vereinfachung der Darstellung ist in Figur 2 und in den Figuren 3-5 der innere Lichtbogenkontakt 3 nicht eingezeichnet. In dem in Figur 2 gezeigten Ausführungs- beispiel hat die Isolierstoffdüse 12 zwei gegenüberliegende Düsenteile 12b, die durch die elastischen Elemente 18 vom Düsenteil 12a weg und damit radial nach innen gedrückt werden. Die Düsenteile 12b bilden zusammen mit dem Düsenteil 12a eine kreisförmige Düsenöffnung 22, durch die das Gas entweichen kann.

Der erste Zustand wird beispielsweise eingenommen, wenn im Innern des Schalters 1 bzw. der Isolierstoffdüse 12 ein relativ geringer Gasdruck herrscht, beispielsweise bei kleinen oder mittleren Lichtbogenströmen. Die von den elastischen Elementen 18 ausgeübte Kraft ist grösser als die vom Gas verursachte (Gegen) Kraft, wodurch der Düsenteil 12b vom Düsenteil 12a weg und damit radial nach innen gedrückt wird. In diesem Zustand (Normalzustand) hat die Isolierstoffdüse 12 eine durch ihre Geome- trie festgelegte (Normal) Querschnittsfläche. In Figur 2 ist dieser Normalzustand durch eine geschlossene kreisförmige Düsenöffnung 22 angedeutet.

Figur 3 zeigt eine schematische Vorderansicht des Schalters 1, wobei die Isolierstoffdüse 12 aus Figur 2 einen zweiten Zustand einnimmt . In diesem zweiten Zustand ist die vom Gas verursachte Kraft grösser als die von den elastischen Elementen 18 verursachte Kraft, wodurch die Düsenteile 12b zu dem Düsenteil 12a hin oder radial nach aussen gedrückt werden. Die Isolierstoffdüse 12 weitet sich in radialer Richtung, wodurch sich die Querschnittsfläche der Isolierstoffdüse 12 vergrössert . Das sich im Innern der Isolierstoffdüse 12 befindliche Gas wirkt damit auf eine grossere Fläche. Daraus ergibt sich eine niedrigere Stromdichte und damit ein reduzierter Gasdruck. In Figur 3 ist die grossere Querschnitts- fläche durch eine unterbrochene, abschnittsweise kreis- förmige Düsenöffnung 22 angedeutet.

Figuren 4 und 5 zeigen, ebenfalls in einer schematischen Vorderansicht des Schalters 1, ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Isolierstoffdüse 12. In diesem Ausführungsbeispiel hat die Isolierstoffdüse 12 eine rechteckförmige Düsenöffnung 24. Im ersten Zustand (Figur 4) überwiegt die Kraft der elastischen Elemente 18, die die Düsenteile 12b vom Düsenteil 12a weg oder radial nach innen drückt . Steigt der Gasdruck bei höheren Lichtbogenströmen an, werden die Düsenteile 12b zunehmend zum Düsen- teil 12a hin oder radial nach aussen gedrückt (Figur 5) . Entsprechend den Ausführungen zu Figur 3 vergrössert sich auch hier die Querschnittsfläche der Isolierstoffdüse 12, wodurch 'sich ein reduzierter Gasdruck ergibt. In Figur 5 ist die grossere Querschnittsfläche durch eine erweiterte Düsenöffnung 24 angedeutet.

In den Figuren 2-5 ist die Isolierstoffdüse 12 beispielhaft und ohne Einschränkung mit jeweils zwei Düsenteilen 12b gezeigt. In anderen Ausführungsbeispielen kann die Isolierstoffdüse 12 jedoch mehr als zwei Düsen- teile 12b aufweisen. ähnliches gilt für die Form der öffnung der Isolierstoffdüse 12. Neben der beispielhaft gezeigten kreisförmigen und rechteckigen Düsenöffnungen 22,

24 sind auch andere Formen (z. B. Vielecke) oder z. B. abschnittsweise Kombinationen solcher Geometrien möglich.

Die im vorhergehenden beschriebenen Ausführungsbeispiele eines Selbstblas- oder Kolbenblasschalters ermöglichen die Selbstregulierung des Gasdruckes im Innern der Isolierstoffdüse. Damit wird nicht nur die Lebensdauer des Schalters bzw. der Isolierstoffdüse erhöht, sondern es wird ein effizientes Löschen des Lichtbogens gleichermassen bei kleinen, mittleren und hohen Licht- bogenströmen sichergestellt.

Bezugszeichenliste

A Achse

1 Schalter, Selbstblasschalter

2 erster oder äusserer Lichtbogenkontakt, Lichtbogenkontakttulpe

3 zweiter oder innerer Lichtbogenkontakt, Lichtbogenkontaktstift

4 Schalterkörper, Nennstromkontakt

5 Löschkammer β Löschkanal

8 Innenraum 10 Lichtbogenzone

12 Isolierstoffdüse

12a Düsenteil'

12b Düsenteil

12c Düsenteil 14 Pfeil

16 Zwischenraum

18 Elastisches Element

20 Kante

22 Düsenöffnung 24 Düsenöffnung