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Gasschalter.
Die Erfindung betrifft Gasschalter, das sind Schalter, deren Unterbrechungsstelle zum Unterschied von den Flüssigkeitsschaltern in Gas liegt. Die gebräuchlichsten Schalter dieser Art sind die Luftschalter.
Es ist bekannt, dass Oberflächen, vorzugsweise solche von guter Leitfähigkeit, wie z. B. kühlende Metalloberflächen, wenn sie eng an einen Lichtbogen herangebracht werden, eine entionisierende Wirkung auf diesen ausüben. Diese Wirkung beruht darauf, dass die Geschwindigkeit, mit der sich die positiven und negativen Ionen im Lichtbogenraum wieder vereinigen, an den Oberflächen ausserordentlich gesteigert wird. Anderseits entladen sich die Ionen in die Oberfläche. Es wurde bereits vorgeschlagen, diese Entionisation zur Löschung von Unterbrechungslichtbogen bei Schaltern auszunutzen. Insbesondere hat man bei Luftschaltern den Lichtbogen in enge Schlitze zwischen Isoliermaterial gezogen, und man hat ihn durch quer zu ihm stehende leitende Platten in Einzellichtbögen unterteilt, die dann über die Plattenoberflächen bewegt wurden.
Nach der Erfindung soll die Entionisierung und damit die Löschung des Unterbrechungslichtbogens bei einem Gassehalter dadurch bewirkt werden, dass an mehreren Stellen längs des Lichtbogens Gase oder Dämpfe entwickelt und in den Lichtbogen geliefert werden. Hiedurch wird gewissermassen eine sehr grosse entionisierende innere Oberfläche"geschaffen, also eine besonders wirksame Entionisierung erreicht. Zu diesem Zweck werden erfindungsgemäss längs der Kontaktbahn des Schalters feste Körper aus einem Stoff, der unter der Einwirkung des Lichtbogens entionisierende Gase und Dämpfe entwickelt, derart angeordnet, dass sie an den Unterbrechungslichtbogen eng herantreten und die Gase und Dämpfe den Lichtbogenraum durchströmen.
In den Lichtbogen hineingeschleuderte Gase oder Dämpfe bilden nämlich unionisierte verhältnismässig kühle Stellen, die über den ganzen Lichtbogenraum verteilt sind. Die Ionen aus dem umgebenden hochionisierten stromführenden Lichtbogenraum diffundieren mit grosser Schnelligkeit in diese Stellen, wobei sie sich zu neutralen Molekülen wiedervereinigen. Wenn man nun an vielen Stellen solche entionisierende Gase und Dämpfe in den Lichtbogenraum eintreten lässt, für eine kräftige Strömung bzw.
Expansion und reichliche Menge sorgt, so kann man erreichen, dass im ganzen Lichtbogenraum eine kräftige Entionisierung vor sich geht.
Bei Wechselstrom, bei welchem die Anwendung dieses Löschplinzips besonders vorteilhaft ist, muss die Entwicklung und Hineinlieferung der entionisierenden Gase und Dämpfe in den Lichtbogenpfad über den Stromnulldurchgang anhalten, bei dem die Löschung des Lichtbogens erfolgt. Die Ge- schwindigkeit der Wiedervereinigung der Ionen wird durch diese Gase und Dämpfe so gesteigert, dass der Lichtbogenraum beim Wiederkehren der Zündspannung nach dem Stromnulldurchgang seine dielektrische Festigkeit wiedergewonnen hat und von dieser nicht mehr durchschlagen werden kann. Bei Gleichstrom wird durch die Erhöhung der Wiedervereinigungsgeschwindigkeit der Ionen, die zur Aufrechterhaltung des Lichtbogens erforderliche Energieaufnahme so gesteigert, dass der Lichtbogen erlischt.
Um den Lichtbogen aufrechtzuerhalten, ist nämlich die fortwährende Neubildung der durch die Wiedervereinigung verschwindenden Ionen erforderlich. Da nun nach der Erfindung die Geschwindigkeit dieser Wiedervereinigung sehr stark erhöht wird, so steigt die Energieaufnahme des Lichtbogens, also die
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erforderliche Spannung über die im Stromkreis verfügbare. Er erlischt somit schon bei kürzerer Länge als bei Anwendung der bekannten Blasvorrichtung.
Die Körper, welche durch Entwicklung von Gasen und Dämpfen entionisierend auf den Lichtbogen einwirken, sollen vorzugsweise aus einem isolierenden Faserstoff hergestellt werden, der unter der Einwirkung des Lichtbogens Gase von niedrigem Molekulargewicht abgibt. Insbesondere eignet sich der unter dem Namen"Fiber"bekannte Isolierstoff, der durch Umwandlung von Zellstoff in soge- nannte"Hydratzellulose"entsteht. Man hat beispielsweise gemessen, dass durch die Zersetzung von
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ausserordentlich grosse Menge. Ein Viertel davon kann durch den Lichtbogen während einer Wechselstromhalbwelle gebildet werden.
Auch Hartpapier zeigt sich geeignet. Diese Stoffe haben einen ziemlich grossen Flüssigkeitsgehalt.
Unter normalen Verhältnissen enthalten sie Wasser. Werden sie dem Lichtbogen ausgesetzt, so entsteht eine starke Verdampfung, und die Dämpfe expandieren von der Oberfläche des Faserstoffkörpers sehr heftig in den Lichtbogenpfad. Dieser Wassergehalt gibt den Stoffen ausserdem noch die Eigenschaft, dass sie nur sehr schwer angebrannt werden können und dass reine Oberflächen zurückbleiben, die eine hohe Überschlagsfestigkeit besitzen. Infolge der sehr kurzen Dauer des Lichtbogens findet eine nennenwerte Verkohlung nicht statt.
Nach der weiteren Erfindung wird die ganze Unterbrechungsstelle des Schalters in ihrer ganzen Länge von einer Lichtbogenkammer aus dem entionisierend wirkenden Stoff eng umhüllt. Man kann insbesondere den die entionisierenden Gase entwickelnden Stoff auswechselbar in einer Lichtbogenkammer befestigen. Um bei dieser Ausführung den Gasen, die vom Lichtbogen in beträchtlicher Menge entwickelt werden, einen Austritt zu ermöglichen und so das Bersten der Kammer zu verhindern, werden Gasausströmöffnungen angebracht. In diesen Gasausströmöffnungen sind Entionisierungseinrichtungen der an sich bekannten Art, die vorzugsweise durch metallische Gitter oder Platten gebildet werden, angeordnet.
Durch diese Entionisierungseinrichtungen streichen die aus dem Lichtbogen kommenden hochionisierten und stark erhitzten Gase und Dämpfe hindurch, verlieren hiedurch ihre Leitfähigkeit und werden gleichzeitig gekühlt, so dass sie Überschläge ausserhalb der Vorrichtung nicht herbeiführen können. Ist der Lichtbogen besonders lang, beispielsweise bei Schaltern für hohe Spannungen, dann werden derartige Gasausströmöffnungen an mehreren Stellen längs des Lichtbogens vorgesehen.
Für die Wirksamkeit der Vorrichtung ist es Bedingung, dass die auf den Lichtbogen einwirkenden gasentwickelnden Körper sehr eng an den Lichtbogen herantreten. Benutzt man daher einen Schalter mit Lichtbogenkammern von bestimmter Weite zur Abschaltung sowohl grosser wie auch kleiner Stromstärken, wie es gewöhnlich der Fall ist, so wird man mit Rücksicht auf die Gasentwicklung bei den hohen Strömen die Lichtbogenkammer mit einem grösseren Rauminhalt und daher weiter ausführen müssen, als mit Rücksicht auf die Löschung der kleinen Stromstärke erforderlich wäre. Die kleinen Lichtbögen würden daher von einem solchen Schalter nicht gelöscht.
Um nun auch die Löschung der kleinen Lichtbögen sicher zu bewirken, wird nach der Erfindung einem Schalter, dessen Unterbrechungsstelle von einer weiteren Lichtbogenkammer von grösserem Rauminhalt umhüllt ist, ein zweiter Schalter mit einer engeren Lichtbogenkammer und mit einem Vorschaltwiderstand parallel geschaltet. Man kann zu demselben Zwecke auch eine zusätzliche Blasung durch Druckgas vorsehen, welches man durch ein hohles Schaltstück in die Lichtbogenkammer einströmen lässt.
In den Abbildungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Fig. l zeigt einen Schalter mit einer rohrförmigen Lichtbogenkammer im Schnitt.
An einem Isoliergehäuse 10 ist auf der einen Seite das hohe feststehende Schaltstück 11, auf der andern Seite eine Führungsbuchse 12 mittels Gewinde befestigt. Die Hülse 12 bildet die Führung für das bewegliche stiftförmige Schaltstück 13. In das Innere des Gehäuses ist das auswechselbare Isolierrohr 14 eingesetzt. Dieses besteht aus einem Isolierstoff, der in Gegenwart des Lichtbogens entionisierende Gase und Dämpfe entwickelt, beispielsweise aus Fiber. Das feststehende Schaltstück 11 ist nach unten erweitert und enthält die entionisierenden Platten oder Gitter 15. 16 ist die Gasausström- öffnung im Schaltstück 11.
Wird der Schalterkontakt durch Hinaufbewegen des Schaltstückes 13 geöffnet, so entsteht in dem Rohr 14 der Lichtbogen, der aus diesem die Gase und Dämpfe entwickelt. Diese strömen durch den Lichtbogenpfad hindurch nach der Auströmöffnung 16 und verlassen durch diese die Lichtbogenkammer. Sie streichen über die Oberflächen der Platten oder Gitter 15 und werden dabei entionisiert und gekühlt.
Fig. 2 zeigt die Kombination von zwei Schaltern zum Zwecke der Löschung starker und schwacher Wechselstromlichtbogen.
Das Rohr 17 des linken Schalters, welches die Lichtbogenkammer bildet, ist bedeutend weiter,
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Strom vom beweglichen Schaltstück abgenommen wird, ist über den Widerstand 20 mit der Führungshülse 21 des linken Schalters verbunden. Die festen Schaltstücke 22 bzw. 23 der beiden Schalter sind durch die Leitung 24 verbunden. Die Leitung ist einerseits an die Hülse 21, anderseits an das Schalt-
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stück 23 des linken Schalters angeschlossen. Der rechte Schalter liegt also samt dem Vorschaltwiderstand 20 zu dem linken Schalter parallel.
Zum Zwecke der Abschaltung wird immer der linke Schalter zuerst geöffnet. Nach einer genügend weiten Kontaktöffnung erlöscht hiebei der Unterbreehungslichtbogen immer, gleichgültig ob der Strom gross oder klein ist. Im ersten Fall wird nämlich der Lichtbogen in genügend enge Berührung mit dem Rohr 17 kommen. Es werden also genügend Gase oder Dämpfe entwickelt und in den Lichtbogen geliefert, um ihn zu entionisieren und beim Stromnulldurchgang zum Erlöschen zu bringen. Im zweiten Fall, wo der Strom verhältnismässig gering ist, wird der Anstieg der wiederkehrenden Zündspannung durch den zur Unterbrechungsstelle parallelgeschalteten Widerstand 20 so stark herabgesetzt, dass die Isolierstrecke, die sich zwischen den Kontakten beim Stromnulldurchgang auch bei geringer Entionisation bildet, nicht durchschlagen wird.
Erst nachdem der Lichtbogen in dem linken Schalter erloschen ist, wird der rechte Schalter geöffnet. Die Stromstärke des Lichtbogens in diesem Schalter ist durch den Vorschaltwiderstand 20 begrenzt. Es wird also ein verhältnismässig schwacher Lichtbogen gezogen, dem das Rohr 18 in seinem Durchmesser angepasst ist. Dieses Rohr wirkt dann stark entionisierend auf den Lichtbogen ein und bringt ihn zum Verlöschen.
In der Fig. 2 sind die Isoliergehäuse der beiden Schalter mit sogenannten statischen Schirmen 25 bzw. 26 umgeben, welche zur gleichmässigen Verteilung der Spannung über die ganze Länge der Unter- brechungsstelle dienen. Diese Schirme bestehen aus Isolierzylindern, in die Einlagen 27 und 28 aus Zinnfolie eingebettet sind. Diese Einlagen überlappen sich teilweise und sind in bekannter Weise geformt, um eine gleichmässige Spannungsverteilung herbeizuführen. Durch die gleichmässige Unterteilung der Feldstärke auf die Unterbrechungsstrecke soll die Überlastung der Unterbrechungsstrecke an einer oder mehreren Stellen, welche einen Durchbruch der ganzen Isolierstrecke und damit eine Neuzündung des Lichtbogens zur Folge hätte, vermieden werden.
An Stelle der elektrostatischen Schirme können auch Widerstände oder Induktanzen verwendet werden, um eine gleichmässige Spannungsverteilung längs des Lichtbogenpfades herbeizuführen.
In Fig.. ist ein Schalter dargestellt, dessen bewegliches Schaltstück 29 hohl ausgebildet und mit einem Rohransatz 30 versehen ist, durch welches Pressgas mit Hilfe einer beweglichen Zuleitung 31 eingeblasen wird. Das Pressgas strömt durch den Kontakt und durch die Lichtbogenkammer hindurch und verlässt diese durch die Ausströmöffnung 32 im feststehenden Schaltstück. Diese zusätzliche Blasung hat den Zweck, Lichtbogen kleinerer Stromstärke zu löschen. Das Rohr dieses Schalters ist nämlich mit Rücksicht auf die Gasentwicklung so weit gehalten, dass es nur die Lichtbogen der hohen Stromstärken mit Hilfe der entwickelten Gase und Dämpfe zum Verlöschen bringt.
In der Fig. 4 ist ein Schalter dargestellt, in dem Lichtbögen von besonders grosser Energie gelöscht werden. Um den grossen Gasmengen, die in der Liehtbogenkammer entwickelt werden, den Austritt zu ermöglichen, sind längs derselben mehrere Gasaustrittsöffnungen 33, 34, 35, 36 mit Entionisierungseinriehtungen für die Gase vorgesehen. Diese Gasaustrittsöffnungen sind durch Isolierwände 37, 38, 39, 40 voneinander getrennt, damit sich die austretenden Gase ausserhalb des Schalters nicht vereinigen und dadurch eine Neuzündung des Lichtbogens herbEiführen.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Gasschalter, dadurch gekennzeichnet, dass lärgs der Kontaktbahn des Schalters feste Körper aus einem Stoff, der unter der Einwirkung des Lichtbogens Gase und Dämpfe entwickelt, derart angeordnet sind, dass sie an den Unterbrechungslichtbogen eng herantreten und die Gase und Dämpfe den Lichtbogenraum durchströmen.
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Gas switch.
The invention relates to gas switches, that is to say switches whose point of interruption, unlike liquid switches, is in gas. The most common switches of this type are the air switches.
It is known that surfaces, preferably those of good conductivity, such as. B. cooling metal surfaces, if they are brought close to an arc, exert a deionizing effect on this. This effect is based on the fact that the speed at which the positive and negative ions reunite in the arc space is increased to an extraordinary extent on the surfaces. On the other hand, the ions discharge into the surface. It has already been proposed to use this deionization to extinguish interruption arcs in switches. In particular, in air switches, the arc has been drawn into narrow slots between insulating material, and it has been divided into individual arcs by conducting plates which are perpendicular to it, and these are then moved over the plate surfaces.
According to the invention, the deionization and thus the extinction of the interrupting arc in a gas holder is to be effected in that gases or vapors are developed at several points along the arc and delivered into the arc. In this way, a very large deionizing inner surface "is created, so a particularly effective deionization is achieved. For this purpose, according to the invention, solid bodies made of a substance which develop deionizing gases and vapors under the action of the arc are arranged along the contact path of the switch, that they come close to the interruption arc and that the gases and vapors flow through the arc chamber.
Gases or vapors thrown into the arc form unionized, relatively cool spots that are distributed over the entire arc space. The ions from the surrounding, highly ionized, current-carrying arc space diffuse into these areas with great rapidity, where they reunite to form neutral molecules. If you now allow such deionizing gases and vapors to enter the arc chamber in many places, for a strong flow or
Expansion and a plentiful supply ensures that a powerful deionization takes place in the entire arc chamber.
In the case of alternating current, in which the application of this quenching principle is particularly advantageous, the development and delivery of the deionizing gases and vapors into the arc path must stop via the current zero crossing at which the arc is quenched. The speed of the reunification of the ions is increased by these gases and vapors so that when the ignition voltage returns after the current has passed through zero, the arc chamber has regained its dielectric strength and can no longer be broken down by it. With direct current, the increase in the reunification speed of the ions increases the amount of energy required to maintain the arc so that the arc is extinguished.
In order to maintain the arc, the constant regeneration of the ions that disappear due to the reunification is necessary. Since now, according to the invention, the speed of this reunification is increased very strongly, the energy consumption of the arc increases, so the
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required voltage above that available in the circuit. It thus goes out even if the length is shorter than when using the known blower device.
The bodies, which have a deionizing effect on the arc through the development of gases and vapors, should preferably be made of an insulating fiber material which emits gases of low molecular weight under the effect of the arc. The insulating material known under the name “fiber”, which is produced by converting cellulose into so-called “hydrate cellulose”, is particularly suitable. It has been measured, for example, that the decomposition of
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extraordinarily large amount. A quarter of this can be formed by the arc during an alternating current half-wave.
Hard paper also proves to be suitable. These substances have a fairly large liquid content.
Under normal conditions they contain water. When they are exposed to the arc, there is strong evaporation and the vapors expand very violently from the surface of the fibrous body into the arc path. This water content also gives the fabrics the property that they are very difficult to burn and that pure surfaces remain that have a high flashover resistance. Due to the very short duration of the arc, there is no significant charring.
According to the further invention, the entire interruption point of the switch is tightly enveloped in its entire length by an arc chamber made of the deionizing substance. In particular, the substance which develops the deionizing gases can be fixed in an exchangeable manner in an arc chamber. In order to allow the gases, which are evolved in considerable quantities by the arc, to escape and thus to prevent the chamber from bursting in this design, gas discharge openings are provided. Deionization devices of the type known per se, which are preferably formed by metallic grids or plates, are arranged in these gas outflow openings.
The highly ionized and strongly heated gases and vapors coming from the arc sweep through these deionization devices, lose their conductivity and are simultaneously cooled so that they cannot cause flashovers outside the device. If the arc is particularly long, for example in the case of switches for high voltages, then such gas outflow openings are provided at several points along the arc.
For the device to be effective it is a condition that the gas-generating bodies acting on the arc come very close to the arc. If, therefore, a switch with arcing chambers of a certain width is used to switch off both large and small currents, as is usually the case, the arcing chamber will have to be designed with a larger volume and therefore further, taking into account the gas development at the high currents than would be necessary with regard to the cancellation of the small current strength. The small arcs would therefore not be extinguished by such a switch.
In order to ensure that the small arcs are extinguished, according to the invention, a switch whose interruption point is encased by a further arcing chamber of larger volume, a second switch with a narrower arcing chamber and a series resistor is connected in parallel. For the same purpose, it is also possible to provide an additional blow by means of compressed gas, which is allowed to flow into the arc chamber through a hollow contact piece.
Exemplary embodiments of the invention are shown in the figures. Fig. 1 shows a switch with a tubular arc chamber in section.
On one side of an insulating housing 10, the high, stationary contact piece 11 is fastened, on the other side a guide bushing 12 is fastened by means of a thread. The sleeve 12 forms the guide for the movable pin-shaped contact piece 13. The exchangeable insulating tube 14 is inserted into the interior of the housing. This consists of an insulating material which, in the presence of the arc, develops deionizing gases and vapors, for example made of fiber. The stationary contact element 11 is extended downwards and contains the deionizing plates or grids 15. 16 is the gas outflow opening in the contact element 11.
If the switch contact is opened by moving the contact piece 13 upwards, the arc develops in the tube 14, which develops the gases and vapors from it. These flow through the arc path to the discharge opening 16 and leave the arc chamber through this. They brush over the surfaces of the plates or grids 15 and are deionized and cooled in the process.
Fig. 2 shows the combination of two switches for the purpose of extinguishing strong and weak alternating current arcs.
The tube 17 of the left switch, which forms the arc chamber, is significantly wider,
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Current is taken from the movable contact piece is connected to the guide sleeve 21 of the left switch via the resistor 20. The fixed contact pieces 22 and 23 of the two switches are connected by the line 24. The line is on the one hand to the sleeve 21, on the other hand to the switching
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piece 23 of the left switch connected. The right switch together with the series resistor 20 is therefore parallel to the left switch.
For the purpose of switching off, the left switch is always opened first. After a sufficiently wide contact opening, the interruption arc always extinguishes, regardless of whether the current is large or small. In the first case, the arc will come into sufficiently close contact with the tube 17. So enough gases or vapors are developed and delivered into the arc to deionize it and to extinguish it when the current passes through zero. In the second case, where the current is relatively low, the rise in the recurring ignition voltage is reduced so much by the resistor 20 connected in parallel to the interruption point that the insulating gap that forms between the contacts when the current passes through zero, even with low deionization, is not broken down.
Only after the arc in the left switch has gone out is the right switch opened. The current intensity of the arc in this switch is limited by the series resistor 20. A relatively weak arc is drawn to which the tube 18 is adapted in its diameter. This tube then has a strong deionizing effect on the arc and causes it to be extinguished.
In FIG. 2, the insulating housings of the two switches are surrounded by so-called static screens 25 and 26, which serve to distribute the voltage evenly over the entire length of the interruption point. These screens consist of insulating cylinders in which inserts 27 and 28 made of tin foil are embedded. These inserts partially overlap and are shaped in a known manner in order to bring about a uniform distribution of stress. The uniform division of the field strength over the interruption section is intended to avoid overloading the interruption section at one or more points, which would result in the entire insulation section breaking through and thus re-ignition of the arc.
Instead of the electrostatic shields, resistors or inductances can also be used in order to bring about a uniform voltage distribution along the arc path.
In FIG. 1, a switch is shown, the movable contact piece 29 of which is hollow and is provided with a pipe extension 30 through which compressed gas is blown with the aid of a movable supply line 31. The compressed gas flows through the contact and through the arc chamber and leaves it through the outflow opening 32 in the stationary contact piece. The purpose of this additional blowout is to extinguish arcs with a lower current strength. The tube of this switch is kept so wide that it only extinguishes the arcs of the high currents with the help of the gases and vapors that are developed.
4 shows a switch in which arcs of particularly great energy are extinguished. In order to enable the large amounts of gas that are developed in the arc chamber to escape, several gas outlet openings 33, 34, 35, 36 with deionization units for the gases are provided along the same. These gas outlet openings are separated from one another by insulating walls 37, 38, 39, 40 so that the gases escaping do not combine outside the switch and thereby cause the arc to be re-ignited.
PATENT CLAIMS:
1. Gas switch, characterized in that lärgs the contact path of the switch solid body made of a substance that develops gases and vapors under the action of the arc, are arranged such that they come close to the interruption arc and the gases and vapors flow through the arc chamber.