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Vakuumschalter für Gleichstrom.
Wenn ein elektrischer Stromkreis durch einen Schalter unterbrochen wird, dessen Kontakte sich in einem hoch evakuierten Gehäuse befinden, so tritt bei der Kontakttrennung eine Elektronenentladung auf, die den Zwischenraum zwischen den Kontakten leitend überbrückt und damit den Stromfluss noch eine gewisse Zeit aufrecht erhält. Je nach der Art des verwendeten Kontaktmaterials unterscheidet man zwei Arten von Elektronenemission. Wenn die Kontakte aus einem Material mit hohem Schmelzpunkt bestehen, z. B. aus Wolfram, so tritt die sogenannte Glühelektronenentladung auf.
Es wird nämlich der Punkt, an dem die Kontakte vor der Trennung zuletzt einander berühren, infolge der hohen Stromdichte so stark erhitzt, dass er zum Glühen kommt, wobei von dem negativen Kontakt-der KathodeGlühelektronen abgestossen werden, ohne dass infolge des hohen Schmelzpunktes des Kontaktmaterials eine Verdampfung der Kathodenoberfläche eintritt. Wenn die Kontakte weiter voneinander entfernt sind, so kühlt sich die Kathode infolge des durch die Elektronenemission hervorgerufenen Energieentzuges in sehr kurzer Zeit so stark ab, dass die Elektronenemission aufhört und der zwischen den Kontakten übergehende Strom unterbrochen wird.
Wenn dagegen die Kontakte aus einem Material mit verhältnismässig niedrigem Schmelzpunkt, z. B. Kupfer, bestehen, so entsteht im Augenblick der Kontakttrennung an der Kathode ein sogenannter Kathodenfleek, d. h. die durch die hohe Stromdichte hervorgerufene Erhitzung der Kathodenoberfläche bewirkt, dass eine gewisse Menge des Kathodenmetalls verdampft. Wenn nun die gleichzeitig von der Kathode ausgesandten Elektronen auf diesen Metalldampf treffen, so wird er ionisiert ; es bilden sich also negativ geladene Elektronen, die nach dem Gegenkontakt zu wandern und positiv geladene Ionen, die sich nach der Kathode zu bewegen, sieh an ihrer Oberfläche ansammeln und dadurch einen Spannungsgradienten unmittelbar an der Oberfläche der Kathode erzeugen, der in der Grössenordnung von Millionen Volt pro Zentimeter liegt.
Dieser hohe Spannungsgradient zieht weitere Elektronen aus der Kathode heraus und bewirkt so, dass die mit Metalldampf angefüllt Strecke zwischen den beiden Kontakten auch dann noch leitend bleibt, wenn die Kontaktentfernung bereits verhältnismässig gross geworden ist.
Für den Fall, dass die Spannungsdifferenz zwischen den Kontakten für einen Augenblick verschwindet,
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blicklich aus und kann beim Wiederkehren der Spannung nicht wieder einsetzen, da inzwischen die Oberfläche der Kathode sich so weit abgekühlt hat, dass die Bedingungen für das Auftreten eines Kathodenflecks nicht mehr vorhanden sind. Kontakte aus einem Material niederen Schmelzpunktes sind daher bei Wechselstrom durchaus brauchbar. Bei Gleichstrom dagegen, wo die Spannung zwischen den Kontakten ihren vollen Wert beibehält, wäre mit derartigen Kontakten eine Stromunterbrechung nicht zu erzielen. Es würde vielmehr der Kathodenfleck dauernd bestehen bleiben und in kurzer Zeit eine Zerstörung der Oberfläche des negativen Kontaktes hervorrufen. Man war deshalb bisher darauf angewiesen, bei Vakuumschaltern für Gleichstrom Kontaktmaterialien mit hohem Schmelzpunkt, z.
B.
Wolfram, zu verwenden, was eine erhebliche Verteuerung der Schalter bedingt.
Die Erfindung löst die Aufgabe, auch bei Gleichstrom Kontakte aus Materialien mit niederem Schmelzpunkt, z. B. aus Kupfer, verwendbar zu machen, ohne die Wirksamkeit und Leistungsfähigkeit des Vakuumschalters herabzusetzen. Zu diesem Zweck wird erfindungsgemäss zu den Schalterkontakten ein Energie absorbierender Kreis parallel geschaltet. Dieser Parallelkreis kann z.
B. aus einem Konden-
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Entladungsstrecke so viel Energie entzogen, dass auch bei Verwendung niedrig schmelzender Kontakte der Elektronenübergang in ausserordentlich kurzer Zeit aussetzt und der Stromkreis ohne nennenswerte thermische Beanspruchung der Kontakte sehr schnell unterbrochen wird.-
Es hat sich gezeigt, dass der grösste Spannungsgradient zwischen den Kontakten im Augenblick der Kontakttrennung auftritt, u. zw. ist dieser Spannungsgradient direkt proportional dem zu unterbrechenden Strom und umgekehrt proportional der Geschwindigkeit, mit der die Kontakte sich trennen, und der Grösse des Kondensators im Parallelkreis. Hieraus ergibt sich, dass man den Kondensator um so kleiner bemessen kann, je höher die relative Geschwindigkeit der beiden Kontakte im Augenblick ihrer Trennung ist.
Es ist daher weiter Gegenstand der Erfindung, den Schalter so auszubilden, dass die Schallgeschwindigkeit im Augenblick der Kontakttrennung möglichst gross wird. Dies kann dadurch erreicht werden, dass zunächst beide Kontakte vor der. Trennung sich mit gleicher Geschwindigkeit in gleicher Richtung bewegen und dass der eine Kontakt dann durch einen Anschlag od. dgl. festgehalten wird, während der zweite Kontakt sich mit gleicher oder grösserer Geschwindigkeit weiterbewegt.
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Fig. 1 zeigt einen Vakuum- schalter 11, der zur periodischen Änderung des Erregerstromes eines Wechselstromgenerators 1 dient, der auf das Netz 2 arbeitet. Der Generator 1 ist mit. einer Feldwicklung 3 versehen, die von einer Gleichstromerregermaschine 4 gespeist wird. Im Feldkreis der Erregermaschine liegt deren Erregerwicklung 5 in Serie mit einem Widerstand 6, der durch den Vakuumschalter 11 periodisch aus-und eingeschaltet wird. Die Frequenz der Aus-und Einschaltungen wird hiebei durch einen Vibrationsregler an sich bekannter Art bestimmt, z. B. durch einen Tirrillregler, der zwei bewegliche Kontakte 7 und 8 besitzt, auf die einerseits der vom Netz 2 erregte Elektromagnet 9, anderseits der von der Erregerspannung gespeiste Elektromagnet 10 wirkt.
Der über die Kontakte 7 und 8 verlaufende Stromkreis steuert ein Zwischenrelais, das durch den Vakuumschalter 11 gebildet wird. Parallel zu den Kontakten 12 und 13 des Vakuumschalters liegt ein Energie absorbierender Kreis, der aus einem Kondensator 14 und dem Parallelwiderstand 6 besteht. Statt des Kondensators könnte man auch eine Polarisationszelle od. dgl. verwenden.
Der Vakuumschalter 11 besteht aus einem hoch evakuierten Glasgehäuse 25, durch dessen Wandung die als Kontaktträger dienenden Stromzuleitungen 26 und 20 vermittels der Wellrohre 28 und 29 vakuumdicht eingeführt sind. Die Wellrohre besitzen eine solche Elastizität, dass die bei der Kontaktbewegung auftretenden Stösse von den Dichtungsstellen ferngehalten werden. An der Einführung 26 ist ein drehbarer Kontaktarm 16 befestigt, der den Kontakt 12 trägt und durch eine an der Gehäusewand in geeigneter Weise befestigte Feder 17 in der Ausschaltstellung gehalten wird. An dem Kontaktarm 16 ist ein Magnetanker 23 befestigt, auf den ein ausserhalb des Sehaltergehäuses angeordneter Elektromagnet 22 wirkt. Dieser besitzt eine Wicklung 24, deren Stromkreis über die Kontakte 7, 8 des Reglers verläuft.
Der andere Kontaktträger 20 besitzt eine Öffnung 21, in welche der Kontakt 12 von oben hineinragt.
Von unten legt sich gegen die Öffnung der zweite Kontakt 13, der an einer Blattfeder 18 angebracht ist, die ihrerseits an dem Träger 20. befestigt ist.
Die Wirkungsweise der Anordnung ist folgende : Durch die einander entgegenwirkenden Magnete 9 und 10 werden die Kontakte 7 und 8 taktmässig geschlossen und geöffnet. Hiedurch wird der Elektromagnet 22 abwechselnd erregt und entregt. Wenn der Magnet 22 unerregt ist, so zieht die Feder 17 den Kontaktarm 16 nach oben und damit aus der Öffnung in dem Träger 20 heraus, während der Gegenkontakt 13 sich unter der Wirkung der Blattfeder 18 von unten gegen diese Öffnung legt. Der Schalter ist also hiebei geöffnet. Wird nun die Wicklung 24 von einem Strom durchflossen, so zieht der Magnet 22 den Anker 23 an und dreht den Kontaktarm 16 nach unten, bis der Kontakt 12 den Kontakt 1 berührt, Der letztere wird hiebei gleichfalls eine Strecke nach unten bewegt, wobei die Blattfeder 18 gespannt wird.
Das Schliessen der Kontakte bewirkt eine überbrückung des Widerstandes 6, so dass die Spannung der Erregermasehine 4 stark ansteigt und vermittels des Magneten 10 die Kontakte 7, 8 öffnet. Infolgedessen wird der. Magnet 22 stromlos und der Kontaktarm 16 beginnt sich unter Einwirkung der Feder 17 in die Ausschaltstellung zu bewegen. Durch die Spannung der Blattfeder 18 tritt jedoch noch nicht bei Beginn der Kontaktbewegung eine Trennung der Kontakte ein, sondern der Kontakt 1. 3 bewegt sich mit dem Kontakt 12 nach oben, bis der an ihm angebrachte Anschlag sich gegen die Öffnung des Kontaktträgers 20 legt.
In diesem Augenblick wird die Bewegung des Kontaktes 1 plötzlich gehemmt, während der Kontakt 12 sich mit gleicher Geschwindigkeit weiter bewegt und nunmehr die Kontakttrennung hervorgerufen wird. Dadurch, dass die Kontakttrennung nicht. bei Beginn der Schaltbewegung erfolgt, sondern erst nach Zurücklegung eines bestimmten Schaltweges, wird die relative Geschwindigkeit der beiden Kontakte im Augenblick ihrer Trennung wesentlich erhöht und in Verbindung mit dem aus dem Kondensator 14 und dem Parallelwiderstand 6 bestehendenEnergie absorbierenden Kreis die Beanspruchung der Schalterkontakte durch den Abschaltfunken und die oben erläuterte Elektronenentladung wesentlich herabgesetzt,
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mehrere Vakuumschalter verwenden,
wobei der Widerstand 6 in so viel Teile unterteilt wird, als Vakuumschalter angeordnet sind. Hiebei liegt parallel zu jedem einzelnen Teil des Widerstandes 6 ein Vakuumschalter. In der Fig. 2 sind nur zwei derartige Schalter angedeutet ; ihre Zahl kann jedoch erforderlichenfalls beliebig vermehrt werden. Die Schalter 31 und 32 sind im wesentlichen gleich ausgebildet wie der oben beschriebene Schalter 11. lediglich mit dem Unterschied, dass die Betätigungseinrichtung der Vakuumschalter in der Weise ausgebildet ist, wie sie für polarisierte Relais angewendet wird. Der Kontaktarm 16 des beweglichen Kontakts trägt hier einen'Anker 33, der durch eine aussenliegende Steuerspule 38 polarisiert wird, die in gleicher Weise angeschlossen ist wie die Magnetwicklung 24 der Fig. 1.
Ober-und unterhalb des Ankers 33 ist je ein Magnet 34 und 36 angeordnet, deren Wicklungen 35 und 37 mit Gleichstrom konstant erregt werden. Die Wicklungen 35 und 37 sind so angeschlossen, dass die einandergegenüberliegenden Pole der beiden Magnete entgegengesetzte Polarität besitzen. So hat z. B. der obere Magnet 34 links seinen Nordpol und rechts seinen Südpol, während bei dem Magneten 36 sich der Südpol links und der Nordpol rechts befindet. Wenn die Spule 38 unerregt ist, so sind die Kontakte 12 und 13 des Vakuumschalters geöffnet, da die Feder 17 den Kontaktarm 16 nach oben zieht.
Der Wicklungssinn der Spule 38 ist so gewählt, dass beim Schliessen der Kontakte 7, 8 der Anker 33 so polarisiert wird, dass sich sein Südpol rechts und sein Nordpol links befindet. Infolgedessen übt in diesem Zustand der Magnet 34 auf den Aker 33 eine abstossende, der Magnet 36 dagegen auf ihn eine anziehende Wirkung'aus, so dass sich der Kontaktarm 16 entgegen der Zugkraft der Feder 17 bewegt und hiebei die Kontakte schliesst, so dass der Teil des Widerstandes 6, der parallel zu den Schaltkontakten liegt, Überbrückt wird. Diese Anordnung hat den Vorteil, dass zur Betätigung der Schalter nur geringe Kräfte benötigt werden und infolgedessen auch bei Verwendung einer grösseren Anzahl von Vakuumschaltern die Reglerkontakte 7, 8 keine übermässige Beanspruchung erfahren.
Es sei noch erwähnt, dass ebenso wie bei Fig. 1 parallel zu jedem Schalter ein Kondensator 14'bzw. 14" angeschlossen ist, der mit dem zugehörigen Teil des Widerstandes 6 die bei der Stromunterbreehung freiwerdende Energie aufnimmt.
Die Fig. 3 und 4 zeigen Ausführungsbeispiele, bei denen der Energie absorbierende Parallelkreis erst kurz nach der Kontakttrennung angeschaltet wird. Diese Anordnung kommt insbesondere für Vakuumsehalter grosser Leistung in Frage, weil hiebei der durch die Kontakte gebildeten Entladungsstrecke grössere Energiemengen entzogen werden können, als wenn der Parallelkreis dauernd angeschaltet wäre. Infolgedessen fallen bei dieser Ausführungsform der Erfindung die Teile des Parallelkreises, insbesondere der Kondensator, kleiner aus.
In Fig. 3 besteht der Vakuumschalter 50 aus einem Gehäuse 53, in dem sich die Kontakte 51 und 52 befinden, deren Zuleitungen durch Wellrohre 55 vakuumdicht in das Gehäuseinnere eingeführt sind.
Das untere Wellrohr 55 besitzt eine solche Beweglichkeit, dass die Bewegung der Schaltstange 56 von aussen in das Schalterinnere übertragen werden kann. Der Vakuumschalter liegt in einem Stromkreis, der durch den Gleichstromgenerator 57 und den durch einen Widerstand 48 schematisch angedeuteten Verbraucher gebildet wird. In Reihe mit dem Schalter liegt noch die auf Überstrom ansprechende Auslösespule 61, die über eine Klinke 60 auf den aus den Hebeln 54 und 58 sowie einer Ausschaltfeder 59 bestehenden Auslösemechanismus wirkt.
Parallel zu dem Schalter liegt ein Kondensator 62 sowie ein Widerstand 49, Die Zuleitung 63 des Parallelkreises ist über Kontakte 64 und 65 bzw. 66 geführt, welche durch die Schaltstange 56 derart gesteuert werden, dass bei geschlossenem Schalter die Kontakte 64 und 65 voneinander getrennt sind, während die Kontakte 66 geschlossen sind. Bei der Sehalterauslösung, die eine Abwärtsbewegung der Kontaktstange 56 und damit eine Trennung der Kontakte 51 und 52 hervorruft, werden zunächst die Kontakte 64,65 geschlossen, die Kontakte 66 dagegen, die unter der Einwirkung einer Dämpfungseinriehtung 67 stehen, erst eine gewisse Zeit später geöffnet. Hiedurch wird erreicht, dass der Kondensator 62 kurz nach Beginn der Kontakttrennung parallel zu den Schalterkontakten angeschlossen und später dann wieder abgeschaltet wird.
Wie aus der Figur ersichtlich, ist der Vakuumschalter so angeschlossen, dass der obere Kontakt 51 positiv, der Gegenkontakt 52 negativ ist. Bei geschlossenem Schalter wird der Kondensator 62 über den Widerstand 49 so aufgeladen, dass die mit dem Kontakt-51 verbundene Belegung negatives Potential erhält, während die andere Belegung positiv aufgeladen wird. Wenn nun der Schalter auslöst, z. B. infolge Überstromes oder auch infolge Auslösung der Klinke 60 von Hand, so wird kurz nach der Kontakttrennung der Kondensator mit der positiven Belegung über die Leitung 63, Kontakte 66 und die weiteren Kontakte 64 und 65 an den negativen Schalterpol angeschaltet.
Die Polarität des Kondensators ist also der Polarität der Schalterkontakte entgegengesetzt, Infolgedessen sendet der Kondensator durch den Schalter einen Ausgleiehstrom,-welcher dem zu unterbrechenden Netzstrom entgegengesetzt gerichtet ist. Bei richtiger Wahl der Grösse des Kondensators heben sich hiebei die einander entgegengesetzt gerichteten Ströme auf, so dass in einem bestimmten Zeitpunkt zwischen den Schalterkontakten 51 und 52 keine Spannungsdifferenz besteht. Hiebei setzt augenblicklich die Elektronenemission und die Erzeugung von Metalldampf aus, die Elektronen und der Metalldampf entfernen sich aus der Kontaktbahn, so dass, wenn nach der Entladung des Kondensators die Spannung zwischen den Kontakten wieder auftritt, der Strom nicht wieder zum Fliessen kommen kann.
Nach einiger Zeit wird dann durch die Kontakte 66,
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die unter dem Einfluss der Dämpfung 67 stehen, der Parallelkreis unterbrochen, so dass kein dauernder Energieverbrauch über den Widerstand 49 stattfinden kann.
Die Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem über den zu unterbrechenden Gleichstrom ein Wechselstrom überlagert und dadurch die Spannungsdifferenz zwischen den Kontakten beim Abschalten zeitweise zu Null gemacht wird. Der Vakuumschalter liegt hier in dem Stromkreis eines Gleichstromgenerators 57, dessen Belastung wieder durch einen Widerstand 48 angedeutet ist. In Reihe mit den Sehalterkontakten 51 und 52 liegt die Sekundärwieklung 70 eines Transformators 69, dessen Primärwicklung von einer geeigneten Weehselst. romquelle gespeist wird. Im Primärstromkreis des Transformators liegen ein Ausschalter 72 sowie die Kontakte 64 und 65, die, wie bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3, kurz nach der Trennung der Schalterkontakte 51 und 52 geschlossen werden.
Die Wirkungsweise der Anordnung ist folgende : Beim Ansprechen der Auslösevorrichtung werden die Kontakte 51 und 52 getrennt, wobei zwischen ihnen ein Lichtbogen oder eine Entladung auftritt.
Kurz danach berühren die Kontakte 64 und 65 einander und schliessen damit den Primärstromkreis des Tranformators 69. Hiedurch wi d in dessen Sekundärwicklung 70 eine Wechselspannung induziert, die sich über die Spannung des Generators 57 im Laststromkreis lagert. Wenn die überlagerte Wechselspannung genügend gross ist, so wird der Strom in dem Belastungskreis an irgendeinem Punkt der Wechselspannungswelle ganz oder nahezu auf Null gebracht. In diesem Augenblick wird der Lichtbogen oder die Elektronenentladung zwischen den Vakuumschalterkontakten 51 und 52 ausgelöscht und der Stromkreis unterbrochen.
Sobald der Stromkreis an den Kontakten des Vakuumschalters unterbrochen ist, so verschwindet die Belastung der Sekundärwicklung des Transformators und seine Primärwicklung nimmt nur noch einen Magnetisierungsstrom auf. Nun kann der Primärstromkreis wieder durch den Schalter 72 unterbrochen werden. Dieser Schalter 72 kann entweder von Hand betätigt oder auch wie die Kontakte 66 der Fig, 3 selbsttätig gesteuert werden.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Vakuumschalter für Gleichstrom, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden aus Material von verhältnismässig niedrigem Schmelzpunkt, beispielsweise Kupfer, bestehen und zu den Schalterkontakten ein Energie absorbierender Kreis, beispielsweise Kondensator, parallel geschaltet ist.