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Lichtbogenlöschvorrichtung.
Die Erfindung bezieht sich auf eine einfache Lichtbogenlöschvorrichtung. die auf dem Prinzip der Entionisierung der Lichtbogenbahn beruht und mit Vorteil für Schmelzsicherungen und Schalter hoher Stromstärken und hoher Spannungen verwendet wird.
Die Lichtbogenlöschvorrichtung gemäss der Erfindung ist ein Gebilde aus Isoliermaterial oder mit Wänden aus Isoliermaterial, das den Lichtbogen umschliesst und ihm eine flächenhafte Ausbildungsmögliehkeit gibt. Der Lichtbogen kann sich also nur in zwei Richtungen, nämlich der Länge nach und der Tiefe nach entwickeln, während seine Breite durch die Form der Vorrichtung sehr klein gehalten wird. Auf diese Weise erhält er einen grossen Querschnittumfang und kommt in innige Berührung mit den Isolierwänden der Löschvorrichtung.
Um das Prinzip der Erfindung näher zu erläutern, seien im nachstehenden die Ergebnisse der Versuche angeführt, welche zu der Erfindung führten.
Ein freier Lichtbogen hat die Charakteristik gemäss Fig. l. In dieser Figur ist auf der Abszissenachse die Stromstärke, auf der Ordinatenachse die Spannung an den Lichtbogenenden e aufgetragen.
Bei kleiner Stromstärke des Lichtbogens ist die Spannung hoch, nimmt dann mit zunehmender Stromstärke zunächst rasch und dann langsam ab. Einen konstanten Wert erreicht sie nicht, vielmehr wird der Spannungsabfall um so kleiner, je grösser der Lichtbogenstrom wird.
In der Fig. 2 sind dieser Charakteristik die Charakteristiken von Liehtbögen gegenübergestellt, die zwischen Isolierwandungen so eingeschlossen sind, dass ihr Querschnitt begrenzt ist.
10 ist die Charakteristik eines Lichtbogens, dessen Querschnitt allseitig begrenzt ist. Bei kleiner Stromstärke (Punkt 11) ist seine Spannung hoch. Diese nimmt bei zunehmendem Strom zunächst wie bei einem freien Lichtbogen ab ; jedoch ist der Verlauf der Charakteristik nur bis zum Punkte 12 gleich derjenigen eines freien Lichtbogens. In diesem Punkt hat die Stromstärke einen Wert erreicht, bei welchem der Lichtbogen den ganzen Raum zwischen den Isolierwandungen ausfüllt. Wenn der Strom weiter wächst, steigt die Spannung des Lichtbogens, dessen Stromdichte von diesem Punkt an zunimmt, stark an. Dieser Verlauf ist durch den Ast 12, 13 der Charakteristik dargestellt. Der Lichtbogen in diesem Bereich hat also eine starke Energieaufnahme und erhitzt wegen der hohen Stromdichte stark die Wände.
Begrenzt man den Querschnitt des Lichtbogens dagegen nicht allseitig, sondern nur in einer Richtung, so dass er sich flächenförmig ausbreitet, dann gelangt man zu der Charakteristik, die mit 14 bezeichnet ist. Es ist vorausgesetzt, dass die eine Dimension der Begrenzung des Lichtbogenquerschnittes wie im Falle der Charakteristik 10 beibehalten wurde, die Begrenzung in der dazu senkrechten Richtung dagegen schlitzförmig erweitert ist, so dass sich der Lichtbogen in dieser Richtung beliebig ausbreiten kann. Es tritt dann folgendes ein :
Von der kleinsten Stromstärke in Punkt 11 angefangen bis zum Punkt 12 nimmt die Spannung wie früher ab. In diesem Zustand Punkt 12 hat der Lichtbogen eine solche Dicke erreicht, dass er die Wandungen des Schlitzes berührt. Von nun an kann er sich nunmehr der Tiefe nach ausbreiten.
Die Spannung bleibt bei allen höheren Stromstärken konstant. Die Stromzunahme hat also nur eine Quer- schnittvergrösserung des Lichtbogens der Tiefe nach zur Folge. Diesem Verlauf entspricht der Ast 12, 15 der Charakteristik 14. In diesem Falle steigt die Energieaufnahme des Lichtbogens im Ast 12, 15 also nurmehr proportional der Stromstärke an.
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Wenn-die Schlitztiefe begrenzt ist, dann nimmt natürlich von der Stromstärke Punkt 16 angefangen, bei welcher der Lichtbogen den ganzen Schlitzquerschnitt ausfüllt, die Spannung wieder zu. wie durch den Kurvenast 15, 16 angedeutet.
Durch die Bemessung der Schlitzbreite hat man es in der Hand, die konstante Spannung vorzu- schreiben. Wählt man nämlich die Schlitzbreite kleiner, so füllt sie der Lichtbogen schon bei kleinerer Stromstärke aus und es bleibt dann der entsprechend- höhere Wert der Spannung erhalten. Dies ist durch die Charakteristik 17 der Fig. 2 dargestellt.
Die Versuche haben ergeben, dass man bei einer Schlitzbreite von 6'4 mm eine konstante Lichtbogenspannung von etwa 20 Volt pro Zentimeter Bogenlänge und bei 1-59 mm Schlitzbreite eine solche von etwa 30 Volt pro Zentimeter Bogenlänge erhält.
Die Nutzanwendung dieser Ergebnisse stellt die Erfindung dar. Wenn man den Lichtbogen in derart flächenhaft ausgedehnte Formen zwingt, erreicht man nämlich eine rasche Entionisierung des Pfades des Lichtbogens ohne dabei, wie es bei Vorrichtungen der Fall ist, die den Querschnitt allseitig umgrenzen, die Energieaufnahme des Lichtbogens unzulässig zu steigern, wodurch solche Vorrichtungen zerstört werden. Man gibt also den Schlitzen erfindungsgemäss eine solche Tiefe, dass der voll entwickelte Lichtbogen von der maximalen Stromstärke der Vorrichtung sie noch nicht voll ausfüllt, so dass der Lichtbogen bei seiner kleinsten Spannung unterbrochen und dadurch die Isolation der kleinsten Beanspruchung ausgesetzt ist.
Um hohe Spannungen zu unterbrechen, muss man die Schlitze genügend eng machen, weil die entionisierende Wirkung der Vorrichtung um so grösser ist, je enger die Schlitze sind.
Die Breite der Schlitze wird also von der Spannung bestimmt, die man zu unterbrechen wünscht, ihre Tiefe von dem Strom, den der Lichtbogen führt.
Ausserdem erreicht man durch Verbreiterung des Lichtbogens in der Vorrichtung gemäss der Erfindung, dass der Lichtbogen eine grosse Oberfläche erhält, die mit den Wandungen in Berührung steht und ihn kühlt. Die Leistungsaufnahme des Lichtbogens wird durch diese Verbreiterung nicht nur gemäss dem vorhin Gesagten im ganzen vermindert, sondern es wird auch die Leistungsaufnahme pro Quadratzentimeter der Sehlitzwandung, also die spezifische Beanspruchung des Isoliermaterials herabgesetzt.
In verstärktem Masse tritt die Entionisierung bei Wechselströmen auf, bei welcher Stromart die Vorrichtung besonders günstig wirkt. Geht nämlich der Strom durch seinen Nullwert hindurch, dann hört die Bildung neuer Ionen im Lichtbogen auf. Die Wiedervereinigung der zurückgebliebenen freien Ionen zu neutralen Molekülen wird durch das Vorhandensein der Wandungen so beschleunigt, dass die an den Klemmen sich kurz nach dem Stromdurchgang durch Null bildende volle Spannung, welche ja den Wechselstromlichtbogen nach jeder Halbperiode neu zünden muss, eine schon stark entionisierte, also schlecht leitende Luftstrecke vorfindet. Daher kann man mit dieser Vorrichtung die Unterbrechung eines Wechselstromlichtbogens oft schon nach einer Halbperiode erzielen.
Eine besonders zweckmässige Anwendung der Erfindung eignet sich für Sicherungen, die für hohe Stromstärke und Spannungen bestimmt sind. Erfindungsgemäss wird eine Schmelzsicherung mit der beschriebenen Lichtbogenlöschvorrichtung ausgerüstet und ein am Schmelzelement befestigter Leiter durch die Lichtbogenloschvorriehtung mitten hindurchgeführt und von einer Feder unter Spannung gehalten, so dass beim Durchschmelzen des Elementes der Lichtbogen in die Löschvorrichtung hineingezogen wird. Die Löschvorrichtung besteht dabei erfindungsgemäss aus zwei Halbzylindern aus Isoliermaterial mit in ihrer Längsrichtung verlaufenden schmalen tiefen Schlitzen. Diese beiden Halbzylinder sind zu einem vollen Zylinder so zusammengesetzt, dass ein Querschlitz, durch den der Leiter hindurchgeführt ist, die beiden Hälften trennt.
In Fig. 3 ist diese Schmelzsicherung in einem Längsschnitt dargestellt, in Fig. 4 ein Querschnitt längs der Schnittebene x-x.
20 ist das rohrförmige Gehäuse der Sicherung aus Isoliermaterial. 21 sind mit Gewinde versehene leitende Befestigungsringe am oberen und unteren Ende des Gehäuses. 22 sind mit Muttergewinde versehene leitende Kappen, mit denen die Sicherung an den Stromkreis angeschlossen wird. 23 ist die Löschvorrichtung, die in den oberen Teil der Röhre 20 eingekittet ist. Sie besteht aus zwei Halbzylindern 24 und 25, mit den der Länge nach verlaufenden tiefen und schmalen Schlitzen 26. Erfindungsgemäss ist eine für viele praktische Fälle zweckmässige Schlitzbreite 1-59 mm. 27 ist der mittlere Querschlitz, durch welchen der Leiter 31 hindurchgeführt ist. 28 ist das Schmelzelement der Sicherung, welches an dem Leiter 29 befestigt ist, 29 ist mit Hilfe der Unterlagscheibe 30 zwischen Gehäuse und Kappe festgeklemmt.
. 31 ist ein Leiter, welcher an dem Schmelzelement 28 unten befestigt ist, durch die Löschvorrichtung 2 : ; hindurchgeht und mit seinem untersten Ende mit Hilfe der Unterlagscheibe 32 zwischen dem Sieherungsgehäuse und der Kappe 12 festgeklemmt wird. Dieser Leiter wird durch die Feder 33 gespannt.
Wenn das Element 28 unter dem Einfluss eines Überstromes schmilzt oder sich loslötet, wird der Leiter 31 unter der Wirkung der Feder 33 durch die Löschvorrichtung 23 hindurchgezogen, wobei sich der Lichtbogen in den Schlitzen der Vorrichtung ausbildet.
Ein anderes Ausführungsbeispiel ist in den Fig. 5 und 6 in einer Seitenansicht und einem teilweisen Schnitt dargestellt. Die Fig. 6 ist ein Schnitt nach der Schnittebene y-y.
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des Lichtbogens, die mit einem Arm. 37 an der Isolierplatte befestigt ist. Die Löschvorrichtung besteht hier aus den Isolierwandungen. 38,, 39 von der aus Fig. 6 ersichtlichen Form, die zwischen sich den Schlitz 40 einschliessen. 41, 42 sind Wände aus leitendem Material, die zu beiden Seiten den Schlitz begrenzen. 41 ist mittels einer biegsamen Leitung 43 mit dem beweglichen Schaltstück. 35 verbunden, 42 steht mit dem festen Schaltstück. 34 in Verbindung.
Die Wirkungsweise dieser Vorrichtung ist folgende : Der Lichtbogen bildet sich zunächst zwischen den Sehaltstücken 34, 35 und wird beim Entfernen dieser Schaltstück in die Länge gezogen. In dem Moment, wo der Spannungsabfall des zwischen den Schaltstüeken stehenden Lichtbogens grösser sein würde als beim Ansetzen des Lichtbogens an den Platten 41, 42, geht er in die Löschvorrichtung über und wird dort, wie vorher beschrieben, gelöscht.
Für die Praxis brauchbare Lichtbogenlöschvorriehtungen erhält man erfindungsgemäss, wenn man sie auf Grund nachstehender empirischer Formeln bemisst :
Die Tiefe der Schlitze soll so bemessen sein, 4ss der in der Lichtbogenlösehvorrichtung voll ausgebreitete Lichtbogen von voller Stromstärke, für die die Vorrichtung gebaut ist, eine kleinere Stromdichte als 155 Atem2 hat.
Das Verhältnis Schlitztiefe zu Schlitzbreite soll so gewählt sein, dass der in der Vorrichtung voll entwickelte Lichtbogen von der vollen Stromstärke, für die die Vorrichtung bemessen ist, eine Stromdichte hat, deren Masszahl in Ampere pro Quadratzentimeter kleiner ist als die 980faehe Schlitzbreite ausgedrückt in Zentimeter.
Der Querschnittumfang des Lichtbogens soll pro 1000 Ampere Lichtbogenstrom grösser als 5 cm sein.
Die mit einer Lichtbogenlöschvorrichtung gemäss der Erfindung ausgerüsteten Apparate bieten für die Praxis vielerlei Vorteile.
Bisher war man bei Sieherungen für hohe Stromstärken und hohe Spannungen gezwungen, Öl.
Kohlenstoff-Tetrachlorid u. dgl. zur Kühlung des Lichtbogens zu benutzen. Solche Sicherungen haben den Nachteil, dass ihre Konstruktion umständlich ist und ihre Anschaffung und Instandhaltung bedeutende Kosten verursachen. Demgegenüber sind Sicherungen gemäss der Erfindung sehr einfach in ihrem Aufbau und verursachen daher kleine Anschaffungs-und Instandhaltungskosten.
Ebenso erspart man bei Schaltern, wenn man sie mit der Löschvorrichtung gemäss der Erfindung ausrüstet, die sonst erforderlichen flüssigen Isolier-und Kühlmittel für das Löschen des Lichtbogens, die zugehörigen gasdichten und druckfesten Kessel und braucht auch keine magnetischen Blaseinrichtungen vorzusehen. Die Schalter werden daher einfach und billig.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Lichtbogenlösehvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtbogen in schmalen tiefen Schlitzen in Isoliennaterial in flächenhaft ausgedehnte Formen von sehr kleiner Dicke gezwungen wird und die Schlitztiefe so bemessen ist, dass sie von dem voll entwickelten Lichtbogen von der maximalen Stromstärke der Vorrichtung nicht voll ausgefüllt wird.
2. Schmelzsicherung mit einer Lichtbogenlöschvorrichtung nach Anspsuch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein am Schmelzelement befestigter Leiter durch die Löschvorrichtung mitten hindurchgeführt und von einer Feder unter Spannung gehalten wird, so dass beim Durchschmelzen des Elementes der Lichtbogen in die Lösehvorriehtung hineingezogen wird.