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Schalter mit elektrolytischer Schaltfliissigkeit.
Schalter mit elektrolytischer Schaltflüssigkeit, bei denen mit der Bewegung der Elektroden ein zunehmender Flüssigkeitswiderstand eingeschaltet wird, sind bekannt. Bei einem dieser bekannten
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auslaufen, so dass im letzten Teil der Schaltbewegung der Widerstand durch Verlängerung der Flüssigkeitssäulen rasch anwächst. Alle diese Schalter sind nur zur Abschaltung relativ kleiner Ströme geeignet, während, wenn man sie mit höheren Strömen belastet, in irgendeinem Zeitpunkt des Abschaltvorganges ein Lichtbogen gezündet wird.
Gegenstand der Erfindung ist ein Schalter, der zur Unterbrechung sehr hoher Ströme bei hohen Spannungen geeignet ist, also ein Hochleistungsschalter. Die Erfindung besteht darin, dass zwischen die Elektroden des Schalters ein zunehmender Flüssigkeitswiderstand derart eingeschaltet wird, dass während des Schaltvorganges in keinem Raumelement der Flüssigkeit durch die Stromwärme die den bestehenden äusseren Verhältnissen entsprechende Siedetemperatur erzeugt wird.
Durch diese Bemessung wird eine Dampfentwieklung ausgeschlossen. Durch die Erfindung ist die Aufgabe der Berechnung eines lichtbogenfreien Flüssigkeitssehalters auf die einfache Aufgabe zurückgeführt, die Bemessung lediglich unter dem Gesichtspunkt einer Vermeidung der Überschreitung der Siedetemperatur vorzunehmen. Es gehört dazu die Erkenntnis, dass für den richtigen Entwurf eines Hochleistungsflüssigkeitsschalters das wesentlichste die Vermeidung der Dampfbildung ist.
Der Erfindungsgedanke lässt sich mathematisch wie folgt fassen :
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Darm bedeutet : j = Stromdichte in Atem2 S = spezifischer Widerstand der Flüssigkeit in Ohm-Zentimeter, ta = Abschaltzeit, o = spezifische Wärme der Flüssigkeit Wsee/cm Grad,
Dsp = Siedetemperatur der Flüssigkeit beim Druck p,
Do = Temperatur der Flüssigkeit zur Zeit t = O.
Zur Ausführung der Erfindung lassen sich verschiedene Wege einschlagen. Beispielsweise kann man den spezifischen Widerstand der Flüssigkeit durch Konzentrationsänderung oder chemische Umsetzungen nach der gegebenen Vorschrift erhöhen. Eine andere Möglichkeit besteht darin, den Widerstand des aktiven Flüssigkeitskörpers durch Formänderung dieses Flüssigkeitskörpers zu ändern. Der Widerstand eines Flüssigkeitskörpers ist im wesentlichen bestimmt durch seinen Querschnitt und seine Länge, die man wahlweise ändern kann. Besonders zweckmässig ist es, die Widerstandserhöhung durch Verringerung des Querschnittes des Widerstandskörpers herbeizuführen, weil dadurch raumsparende Anordnungen geschaffen werden können.
Hiebei tritt aber eine prinzipielle Schwierigkeit ein, welche durch einen weiteren für die Erfindung wesentlichen Gedanken überwunden wird.
Befindet sich nämlich in einer beliebigen Flüssigkeit eine beispielsweise halbkugelförmige Elektrode, so ist gemäss Fig. 1 der Widerstand r, sofern der Radius so der Halbkugel im Verhältnis zu den Gefässabmessungen klein ist, angenähert durch folgende Formel gegeben :
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Verkleinert man nun den Radius der Halbkugel, was dem Herausziehen einer Elektrode aus der Flüssigkeit gleichwertig ist, s erkennt man, dass der Widerstand schliesslich für So = 0 unendlich gross wird.
Liegt an diesem Flüssigkeitswiderstand gemäss Fig. 1 eine konstante Spannung U, so wird der Strom
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Die Stromdichte y ist gegeben durch den Quotienten aus dem Strom und der Oberfläche F der Halbkugel und wird sonach :
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Aus 4. geht hervor, dass im letzten Teil des Aussehaltvorganges, d. h. für immer kleiner werdende Kugeloberflächen die Stromdichte dem Wert unendlich zustrebt.
Der Verlauf von Reststrom, Fläche und Stromdichte ist in Fig. 2 in Abhängigkeit von s. dargestellt.
Es ist wesentlich, dass diese Betrachtung nicht nur für halbkugelförmige Elektroden, sondern für ganz beliebig geformte Elektroden zutrifft. Die gleiche Erscheinung tritt auf, wenn die positive und negative Elektrode gleichzeitig aus der Sehaltflüssigkeit austauchen und somit die Flächen der Elektrode und der Gegenelektrode während des ganzen Ausschaltvorganges gleich gross sind. Die Ursache ist die Ausbauchung der Stromlinien zwischen den Elektroden in der Flüssigkeit.
Der weitere Erfindungsgedanke zur Überwindung dieser prinzipiellen Schwierigkeit besteht nun darin, dass die Querschnittsverminderung des aktiven Flüssigkeitsvolumens nur so weit getrieben wird, bis die Stromdichte den durch Gleichung 1 vorgeschriebenen Grenzwert erreicht hat. Von diesem Zeitpunkt ab wird der Querschnitt nicht mehr weiter verringert, sondern der Widerstand auf andere Weise erhöht. Dies kann z. B. dadurch erfolgen, dass in der letzten Schaltphase die bewegliche Elektrode in Flüssigkeit mit hohem spezifischem Widerstand eintaucht oder dass die während der letzten Phase wirksame Flüssigkeit einen positiven Temperaturkoeffizienten hat.
Man kann ihre Flüssigkeiten von verschiedenem spezifischem Gewicht so übereinanderschichten, dass der spezifische Widerstand mit fort-
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Elektrode vom Flüssigkeitsspiegel ist der Widerstand des Gebildes durch den aus der hohlen Elektrode austretenden Flüssigkeitsstrahl gegeben. Die Verlängerung dieses Flüssigkeitsstrahls führt zu jeder beliebigen Widerstandserhöhung ohne weitere Stromverdichtung. An Stelle des frei ausfliessenden Strahls kann auch in der letzten Sehaltphase aus dem Flüssigkeitskörper durch einen Isoliermantel ein säulenförmiger aktiver Flüssigkeitskörper abgeschirmt werden, wodurch ebenfalls eine stetig anwachsende Widerstandserhöhung ohne Steigerung der Stromdichte erzielt wird.
Die Bedingungsgleichung 1 lässt sich besonders leicht erfüllen, wenn man die Flüssigkeit unter erhöhten Druck setzt, da dadurch ihr Siedepunkt heraufgesetzt wird und ein Ablösen der Flüssigkeit von der beweglichen Elektrode vermieden ist. Mit Rücksicht auf die Flüssigkeitsablösung ist es zweckmässig, der beweglichen Elektrode eine Form zu geben, welche Flüssigkeitswirbel vermeidet, z. B.
Tropfenform.
Zwei Ausführungsmögliehkeiten der Erfindung sind in den Fig. 3,4, 5 und 6 dargestellt.
In Fig. 3 bedeutet 1 den feststehenden Flüssigkeitsbehälter, 2 die bewegliche, tropfenförmig ausgebildete Elektrode, 3 ein Schaltmesser, das in der Einschaltstellung in die Hauptkontakte 4 eingreift und in fester Verbindung mit der Schaltstange 5 steht. 6 ist ein Ring aus Isoliermaterial zur Vermeidung elektrischer Entladung längs der Flüssigkeitsoberfläche, 7 eine sogenannte lonenbarriere. Die bewegliche Elektrode 2 besitzt an ihrem unteren Ende einen Raum 8, welcher sich beim Eintauchen mit der Schaltflüssigkeit anfüllt.
In Fig. 4 ist der Schalter kurz vor der Beendigung des Ausschaltvorganges dargestellt. Die Verbindung zwischen beweglicher Elektrode 2 und Flüssigkeitsspiegel 7 ist lediglich noch durch den Flüssigkeitsstrahl 9 gegeben, dessen Widerstand mit zunehmender Länge dieses Strahls anwächst. Die Flüssigkeit kann aus dem Raum 8 unbehindert abströmen, da die Luft durch die Öffnungen 10 freien Zutritt hat.
Die Wirkungsweise der Anordnung ist nun folgende :
Beim Bewegen der Schaltstange 5 nach oben in Richtung des Pfeils trennen sich zunächst das Sehaltmesser 3 und die Kontakte 4. Dadurch wird der Strom gezwungen, durch die Flüssigkeit hindurchzufliessen. Der Abstand zwischen beweglicher Elektrode und Flüssigkeitsgefäss ist in diesem Zeitpunkt noch sehr klein und damit der Widerstand entsprechend gering. Die Bewegung hat so zu erfolgen, dass beim Trennen der Hauptkontakte kein Schaltfeuer auftritt. Mit dem Weiterheben der Elektrode 2 ver- ringert sich ihre benetzte Fläche und damit vergrössert sich der Widerstand. Ausserdem wird auch die Länge der Stromlinien vergrössert. Im Moment, da der untere Rand der beweglichen Elektroden den
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des aktiven Widerstandskörpers umgesetzt.
Dieser Zustand ist in Fig. 4 dargestellt. Das Volumen der
Flüssigkeit in dem Raum 8 muss so bemessen werden, dass der Flüssigkeitspfad 9 am Ende einen derartigen
Widerstand erreicht, dass die Unterbrechung des Reststromes störungsfrei erfolgt. Die Erfahrung zeigt, dass Ströme unter 5 Ampere im allgemeinen störungsfrei abgeschaltet werden.
Ein besonderer Vorteil dieser Anordnung ist darin zu erblicken, dass der Flüssigkeitspfad 9 relativ hoch belastet werden kann, da sich die aktive Flüssigkeit dauernd erneuert und die Wärme abführt.
Besonders zweckmässige Verhältnisse erreicht man in dieser Beziehung, wenn man die Flüssigkeit unter erhöhtem Druck ausströmen lässt. Um den Flüssigkeitsstrahl zusammenzuhalten, kann ein an sich bekannter Strahlregler verwendet werden. Es kann auch der aus der beweglichen Elektrode austretende Flüssigkeitsstrom in ein Isolierrohr geführt werden, welches etwa an der Elektrode befestigt wird.
An Stelle eines einzigen Flüssigkeitspfades 9 können auch mehrere Flüssigkeitsstrahlen angeordnet werden, derart, dass mit fallendem Flüssigkeitsspiegel im Raum 8 diese Strahlen der Reihe nach zum Versiegen gebracht werden.
In Fig. 5 und 6 bedeutet 11 das Flüssigkeitsgefäss, 12 die bewegliche äussere, 1. 3 die bewegliche innere Elektrode. 14 ist ein Isolierzylinder mit Öffnungen 15. Beim Abschalten wird zunächst die äussere Elektrode 12 nach oben bewegt und dadurch der Widerstand vornehmlich durch Verringerung des Querschnittes vergrössert. Im Moment, wo der Deckel 16 auf den Stellring 17 der inneren Elektrode 1 : 3 auftrifft, wird diese innere Elektrode (vgl. Fig. 6) aus dem Isolierrohr herausgezogen. Dadurch entsteht eine Widerstandsänderung bei praktisch gleichbleibender Stromdiehte im wesentlichen durch Verlängerung des Widerstandskörpers.
Um störungsfrei einschalten zu können, ist es im allgemeinen zweckmässig, den Hauptkontakt zuerst zu schliessen. Zu diesem Zweck wird der Hauptkontakt. -4 (vgl. z. B. Fig. 3) getrennt von der Flüssigkeitselektrode angeordnet und beim Einschalten vor dem Eintauchen der beweglichen Elektrode 2 geschlossen.
Um den letzten Reststrom sicher unterbrechen zu können, ist es vorteilhaft, als oberste Flüssig-
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überfläche sicher zu verhindern, wird der als feststehende Elektrode dienende Flüssigkeitsbehälter nach der Figur mit einem sich erweiternden Rand ausgebildet, so dass sich mit zunehmender Ausschaltbewegung der Abstand zwischen den Elektroden längs des Flüssigkeitsspiegels vergrössert.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Schalter mit elektrolytischer Schaltfliissigkeit für die Unterbrechung von Hochleistungsstromkreisen, bei dem mit der Bewegung der Elektroden ein zunehmender Widerstand eingeschaltet wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Flüssigkeitskörper zwischen die Elektroden so eingeschaltet wird, dass während des Schaltvorganges in keinem Raumelement der Flüssigkeit durch die Stromwärme die den bestehenden äusseren Verhältnissen entsprechende Siedetemperatur erzeugt wird.