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Einrichtung zum Unterbrechen von Wechselstromkreisen.
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Löschen eines Unterbrechungslichtbogens in Wechsel- stromschaltern, -sicherungen oder ähnlichen Unterbrechungsvorrichtungen mit Hilfe eines strömenden
Löschmittel. Sie besteht darin, dass das Löschmittel durch einen Lichtbogenkanal, in den es an einer oder mehreren mittleren Stellen eintritt, in seiner Längsrichtung gegen beide Elektroden geführt wird.
Hiebei entsteht eine den Lichtbogen nach beiden Richtungen begleitende Lösehmittelströmung. Dadurch ist bei geringem Löschmittelverbrauch und mässigem Druckbedarf eine innige Berührung zwischen dem
Lichtbogen und frischem Löschmittel auf genügend langem Wege gesichert, ohne dass der Lichtbogen etwa wie bei bekannten Druckgas- oder Ölstrahlschaltern durch eine Querströmung des Löschmittel schleifenförmig verzerrt oder durch Wandern seiner Fusspunkte unnötig in die Länge gezogen werden muss, ehe er erlischt.
Die doppelseitige Längsströmung des Löschmittels im Elektrodenzwischenraum wirkt besonders stark auf den Lichtbogen ein, wenn der Löschkanal diesen mindestens stellenweise, vorzugsweise im Bereich der Löschmitteleintrittstelle oder zu deren beiden Seiten, derart einschliesst, dass er dem Löschmittel nicht ausweichen kann.
Die Lösehmittelströmung lässt sich so führen, dass sie die Lichtbogenbahn bis zum Erlöschen des
Lichtbogens im wesentlichen in der kürzesten geradlinigen Verbindung der Elektroden hält. Die in die
Strömung eingezwängte Lichtbogenbahn wird durch die dauernde Berührung mit frischem Lösehmittel wirksam entionisiert. Der Lichtbogen kann daher bei der kleinsten durch den Elektrodenabstand ge- gebenen Länge gelöscht werden.
Die leitende Lichtbogensäule wird unverlängert durch das Löschmittel gewissermassen zerschnitten, d. h. die Lichtbogenbahn wird auf einem mittleren zwischen den Elektroden liegenden Abschnitt durch fortwährenden raschen Ersatz der abströmenden heissen Lichtbogengase durch frisches, verhältnismässig kühles Löschmittel in den Zustand hoher Durchschlagsfestigkeit versetzt. Die Lichtbogenfusspunkte können fest an den ursprünglichen Ansatzstellen bleiben. Ein Verlegen des Strom-
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kühleren Löschmittelhülle zu brennen trachtet, wo er am wenigsten Energie verbraucht. Die Ausströmung des Löschmittels kann sich dabei in der vollkommensten Weise ausbilden und schon bei mässigem Eintritts- druck, z. B. 10 at und weniger, hohe Geschwindigkeiten annehmen.
Die Löschmittelströmung ist zum
Unterschied von der in bekannten Schaltern bei voll ausgebildetem Lichtbogen nicht über eine Elektrode hinweg gegen die andere, sondern zugleich gegen beide Elektroden gerichtet, wodurch der Lichtbogen- pfad in der vollkommensten Weise von Ladungsträgern gesäubert und entionisiert wird. Wegen des mässigen Druckbedarfes erfolgt die Unterbrechung ohne störenden Knall.
Das Löschmittel soll der Löscheinrichtung so zugeführt werden, dass im Strömungskanal zur
Zeit des ersten Stromnulldurchganges eine genügend grosse Geschwindigkeit herrscht, um die Unter- brechungsstrecke von Ladungsträgern zu reinigen und dadurch eine durchschlagsfeste Unterbrechungs- strecke zu schaffen.
! Das Löschmittel kann gas-oder dampfförmig sein, es kann aber auch eine Flüssigkeit, z. B. ein
Strahl zerstäubter Flüssigkeit, zugeführt werden, die im Lichtbogenkanal im wesentlichen verdampft.
Wegen des hohen Wärmefassungsvermögens der Flüssigkeit beim Verdampfen ist die Löschwirkung eines solchen Strahles besonders gross. Dagegen ist wegen der grossen Menge des sich aus der Flüssigkeit
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zerteilter Form zuzuführen. Es kann eine beliebige Flüssigkeit gewählt werden, insbesondere auch eine halbleitende wie z. B. Wasser. Von Isolierflüssigkeiten kommt unter andern auch Tetrachlorkohlenstoff in Betracht. Es ist aber in anderer Hinsicht auch vorteilhaft, der Löscheinrichtung ein rein gasförmiges Löschmittel unter Druck zuzuführen, weil es gegenüber einem flüssigen Löschmittel viel leichter beweglich ist und geringereMassenträgheit hat, weshalb es leichter in kurzer Zeit beschleunigtwerden kann.
In den Figuren sind einige Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt.
Fig. 1 zeigt die Erfindung an einer Schmelzsicherung. Der Schmelzdraht f ist zwischen den Elektroden a und b gespannt. Zwischen den Elektroden ist ein Isolierkörper c angeordnet, der mit einem Kanal d versehen ist, durch welchen hindurch der Sehmelzdraht geführt ist, so dass, wenn der Schmelzdraht bei Überlastung durchschmilzt, ein Lichtbogen durch den Kanal d hindurchgezogen wird. Senkrecht zum Kanal d mündet ein Kanal e ein, durch den im Augenblick des Entstehens des Lichtbogens ein Gas, z. B. Luft, Kohlensäure od. dgl., eingeblasen wird.
Da der Lichtbogen durch den Kanal im Isolierkörper eine ganz bestimmte Führung hat und nicht ausweichen kann, wird er beim Einblasen von Frischluft in den Querkanal in der oben angegebenen Weise zerschnitten und erlischt bei Stromnulldurchgang. Die eingeblasene Frischluft strömt rechts und links zum Kanal d hinaus und spült alle Ladungs- träger weg, so dass eine Wiederzündung verhindert wird.
In den Fig. 2 und 3 ist ein Schalter nach der Erfindung im geschlossenen und offenen Zustand dargestellt. Das bewegliche Schaltstück a ist durch den Kanal d im Isolierkörper c bis zur Berührung mit dem festen Schaltstück b durchgeführt und schliesst die Luftleitung e, die in den Kanal mündet, ab.
Wird das bewegliche Schaltstück a nach links herausbewegt (Fig. 3), so wird der Lichtbogen gezogen und Luft durch den Kanal e eingeblasen. Dabei wird der Lichtbogen zerschnitten und Frischluft nach rechts und links ausgeblasen, wodurch der Raum zwischen den Schaltstücken von Ladungsträgern befreit wird.
In den Fig. 4-6 ist ein Schalter dargestellt, bei dem der Querschnitt des Kanals für den Lichtbogen im Isolierkörper zunächst sehr gross ist und dann verengt wird. a und b sind das feste und das bewegliche Schaltstück. Im geschlossenen Zustand des Schalters (Fig. 4 und 5) legt sich der Schieber h, der in dem Isolierkörper c geführt ist, gegen das Schaltstück a. Sobald dieses Schaltstück nach links aus dem Isolierkörper herausgezogen ist (vgl. Fig. 3), wird der Schieber h beispielsweise mittels der Federn i nach unten gezogen und verengt den Kanal für den Lichtbogen, wie dies in Fig. 6 dargestellt ist. Die in den Kanal e eingeblasene Luft vermag dann den Lichtbogen rasch zu löschen.
Die Breite des Isolierkörpers c bzw. die Länge des Kanals d wird nach der zu beherrschenden Spannung bemessen. Bei hohen Spannungen können mehrere Isolierkörper c mit einem schmalen Luftabstand hintereinander angeordnet werden, so dass der in den Löchern d entstehende Lichtbogen an mehreren Stellen zerschnitten wird. Der Isolierkörper erhält solche Abmessungen, dass ionisierte Gase keinen Überschlag des Lichtbogens einleiten können.
Wesentlich für die Form und Abmessungen des Kanals d ist insbesondere, dass der durch diesen gezogene Lichtbogen nicht ausweichen kann. Der quer zum Lichtbogen stehende ankommende Löschmittelstrom soll ihn nicht seitlich ausbiegen und die in der Achse des Kanals abfliessenden Löschmittel- ströme ihn nicht vor sich herblasen. Die Lage des Kanals im Verhältnis zu den beiden Elektroden oder den Fusspunkten des gezogenen Lichtbogens spielt an sich insofern keine Rolle, als die Löschung des Lichtbogens in der positiven Lichtbogensäule erfolgt, also im Gegensatz zu den bekannten Druckluftschaltern vollständig unabhängig von den Vorgängen an den beiden Elektroden vor sich geht.
Es genügt daher, wenn der Löschkanal den voll ausgebildeten Unterbrechungslichtbogen nur auf einem Teil seiner Länge umgibt und die geöffneten Schaltstücke freilässt.
Der Stoff, aus dem der Körper c zwischen den Elektroden besteht, kann sehr verschiedenartig gewählt werden. Man kann irgendeinen Isolierstoff, wie z. B. Porzellan, Pressmasse, kunstharzgetränkten Faserstoff (Hartpapier, Leinen), Aluminiumoxyd, Speckstein und auch Metall, verwenden. Das Metall muss an seinen Aussenflächen mit einer der Spannung entsprechenden Isolierschicht versehen sein. Es ist auch möglich, Holz (Eiche, Buche) und insbesondere ölgetränktes Holz zu verwenden.
Bei den beiden Ausführungsbeispielen ist nur ein Kanal (e) angeordnet, durch den Gas in den Kanal d eingeblasen wird. Man kann aber auch einen Ringraum um das Loch d anordnen, von dem aus eine Anzahl radial gerichtete Bohrungen in den Kanal d münden, so dass der Lichtbogen von allen Seiten beblasen und zerschnitten wird.
Man kann den Kanal d, in welchem der Lichtbogen gezogen wird, zur Kühlung mit einem Wasser- schleier überziehen. Zu diesem Zweck kann man in dem Körper c um die Kanalachse herum einen Ringraum anordnen, von dem feine Kanäle so in den Kanal münden, dass in den Ringraum eingeführtes Wasser sich entlang der Wandung des Kanals nach rechts und links ergiesst und es mit einer dünnen Wasserschicht bedeckt. In den Kanal d mündet der Kanal e, durch den das Gas eingeblasen wird.
Die Luftleitung e kann dauernd unter einem Überdruck stehen. Man kann aber auch den Druck in der Luftleitung vom. Entstehen des Lichtbogens abhängig machen.
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Zweckmässigerweise ist die Lösehmittelzufuhr zu dem Lösehkanal so angeordnet und der Strömungweg des Kanals so eingerichtet, dass die Lösehmittelströmung in dem Kanal sich schon ausgebildet hat, bevor der Lichtbogen in den Kanal hineingezogen wird. Da sich hiebei die Strömung bei Abwesenheit des Lichtbogens ausbildet, wird ihre volle Ausbildung und daher ihre frühzeitige Wirksamkeit durch den Lichtbogen nicht gehindert. Es kann somit mit einer verhältnismässig kurzen Kanallänge und mässigem
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erzielt werden. Dies kommt insbesondere bei flüssigem Löschmittel zur Geltung. Es ist vom gewöhnlichen
Druckluftsehalter her bekannt, Lichtbogen und Druckluftstrom in einer gemeinsamen Hülle zu führen, welche die Form einer Düse hat.
Bei dieser bekannten Einrichtung kann sich jedoch die Düse nicht vor- zeitig mit dem Löschmittelstrom füllen, sondern der Löschmittelstrom folgt dem Lichtbogen, den er vor sich her bläst, nach. Der Lichtbogen gelangt also bei seiner Verlängerung nicht in eine schon voll ausgebildete Lösehmittelströmung hinein. Die Ausbildung dieser Strömung wird durch die Gegenwart des Lichtbogens behindert. Der Gegendruck des Lichtbogens ist höher als bei der Einrichtung nach der Erfindung.
Es ist zweckmässig, den Eintritt des Lösehmittels in den Löschkanal an einem Punkte erfolgen zu lassen, an den der Lichtbogen später hinkommt, so dass mindestens zu Beginn des Unterbrechung- vorganges das Löschmittel im Gegenstrom zu der Richtung der Liehtbogenverlängerung strömt.
Der Ausschaltlichtbogen wird vom einen Ende des Löschkanals zum andern Ende hindurchgezogen, so dass sich das bewegliche Schaltstück an der Lösehmitteleintrittsstelle vorbeibewegt.
Das Löschmittel wird dem Löschkanal unter einem bestimmten Druck zugeführt, da der Gegen- druck des Lichtbogens überwunden werden muss. Der Druck kann sich jedoch in mässigen Grenzen halten, wenn die Einrichtung im Sinne der Erfindung richtig entworfen ist, d. h. so, dass sich die Strömung, ohne vom Lichtbogen behindert zu werden, voll ausbildet, bevor der Lichtbogen in den Kanal gezogen wird.
Die Druekmittelzufuhr muss somit, wenn die Kontakttrennungsstelle nicht gar zu weit von dem Löschkanal entfernt sein soll, schon vor dem Auslösekommando beginnen.
Die zeitliche Aufeinanderfolge der beiden Kommanden, nämlich der Druckmittelzuführung und der Kontaktauslösung, bei einem
Schalter muss unter Berücksichtigung der Strömungsverhältnisse, der Art und des Druckes des Löschmittels sowie der Kontaktgeschwindigkeit entsprechend gewählt sein, um mit kleinstem Löschmittel- verbrauch dennoch die volle Wirkung der Erfindung zu erzielen. Bei Verwendung von Flüssigkeit ist zu berücksichtigen, dass wegen der kleineren Strömungsgeschwindigkeit die Füllung des Kanals längere Zeit beansprucht. Die hohe Wirksamkeit des aus der Flüssigkeit unter der Wirkung des Lichtbogens und der Druckverminderung durch Expansion sich entwickelnden Dampfes ist bekannt.
In der Fig. 7 ist 20 ein Löschkanal aus Isoliermaterial, der in einem flüssigkeitsfreien Raum angeordnet ist, so dass das Gas aus seinem Inneren nach beiden Seiten frei expandieren kann. In der Mitte des Kanals ist durch den Rohrstutzen 21 die Zuführungsleitung 22 für das Löschmittel angeschlossen.
23 ist das feststehende Schaltstück und 24 der bewegliche Schaltstift des Schalters. Das Schaltstück 23 ist in einem bestimmten Abstand 25 von der unteren Mündung des Löschkanals 20 befestigt, um beim Ausschalten, bevor der Lichtbogen in den Kanal eintritt, genügend Zeit für die Ausbildung der Löschmittelströmung in dem Löschkanal zur Verfügung zu haben. Der Stift 24 ist mit genügendem Spiel im Kanal 20 geführt, so dass er die Mündung der Lösehmittelzuführung 21 nicht verschliesst und das Löschmittel frei hindurchströmen kann, sobald die Zufuhr freigegeben wird. Bei dieser Einrichtung strömt das Löschmittel teilweise, wie der Pfeil 26 anzeigt, im unteren Teil des Kanals im Gegenstrom zu der Schaltstiftbewegung.
Der Lichtbogen gelangt somit bei der Aufwärtsbewegung des Schaltstiftes immer wieder mit frisch zuströmendem Lösehmittel in Berührung.
Eine andere Ausführungsform der Erfindung besteht darin, dass der Löschkanal als bei offenem Unterbrecher frei zwischen den Elektroden liegende Doppeldüse ausgebildet ist, welcher gas-, dampfförmiges oder flüssiges Löschmittel oder ein Gemisch unter Druck an derjenigen Stelle, wo die beiden Düsen zusammenstossen, zugeführt wird.
Fig. 8 zeigt eine Doppeldüse 39, 31 mit einem Zuführungsrohr 32 für das Löschmittel. 33 ist das feststehende Schaltstück, dem der Strom durch die Leitung 34 zugeführt wird, und 35 ist der bewegliche Schaltstift, aus dem der Strom über einen Gleitkontakt abgenommen und durch die Leitung 36 abgeleitet
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der Doppeldüse und dann durch den oberen Teil 30 hindurchgezogen. In dem unteren Teil bewegt sich der Stift dem Löschmittelstrom entgegen, weshalb der Lichtbogen in frisches zuströmendes Löschmittel
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Schaltstück 33 und nach oben gegen die Spitze des Schaltstiftes 35, sobald diese bei ihrem Aufwärtsgang die Mitte passiert hat.
Infolgedessen kann der Lichtbogen keine Schleifen bilden und hat eine streng definierte, durch die ihn umfassende Düse vorgeschriebene Länge. Er entwickelt deshalb auch nur einen
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kleinen Gegendruck, weshalb man mit mässigen Drücken für die Lösehmittelzufuhr auskommen kann.
Beim ersten Stromnulldurchgang des Wechselstromes, bei welchem die Unterbrechungsstrecke eine ge- nügende Länge besitzt und die Expansion des Löschmittels im vollen Gange ist, erlischt der Lichtbogen und der Stromkreis ist damit unterbrochen. Bei der Wahl des Löschmittels muss sowohl auf seine Lösch- fähigkeit wie auch auf seine Isolationseigenschaften Rücksicht genommen werden, da nach der Licht- bogenlöschung die Unterbrechungsstrecke gegen Rückzündung gesichert sein muss. Sehr hohe Abschalt- leistungen wurden mit kleinen Mengen Wassers erzielt, die mit Druckluft in die Düse hineingedrückt wurden. Die Wassermenge war dabei so klein, dass sie beim Abschaltvorgang mit der Löschung des Licht- bogens oder knapp nach dem Erlöschen des Lichtbogens ausgestossen wurde.
Der Zuführungsdruck betrug etwa 10 at.
In Fig. 9 ist eine andere Kontaktanordnung dargestellt. Der Strom wird einem nach unten be- weglichen Schaltstift 37 mit Hilfe eines Gleitkontaktes zugeführt und von einem nach oben bewegten
Schaltstift 38 wieder durch Gleitkontakt abgenommen. Bei geschlossenem Schalter sitzen die beiden
Stifte in einem feststehenden Mittelkontakt 39, der dort befestigt ist, wo die beiden Düsen 40 und 41 zusammentreffen. Das Löschmittel wird durch das Rohr 42 in der Richtung des Pfeiles 43 zugeführt. Bei dieser Ausbildung ist die Kontakttrennungsgeschwindigkeit besonders gross.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Einrichtung zum Löschen eines Unterbrechungslichtbogens in Wechselstromschaltern, - sicherungen oder ähnlichen Unterbrechungsvorrichtungen mit Hilfe eines strömenden Löschmittels (Druekflüssigkeit,-dampf oder-gas oder eines Gemisches davon), dadurch gekennzeichnet, dass das Löschmittel durch einen Lichtbogenkanal, in den es an einer oder mehreren mittleren Stellen eintritt, in seiner Längsrichtung gegen beide Elektroden geführt wird.