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Einrichtung zur Unterbrechung von Wechselstromkreisen.
Es sind Versuche bekanntgeworden, allein durch Anwendung eines statischen Überdruckes einen Lichtbogen zu löschen und dadurch die Unterbrechungsleistung von Schaltern zu vergrössern.
Auch wurde bei Schaltern mit strömendem Löschmittel bereits vorgeschlagen, die Löschwirkung des statischen Überdruckes mit heranzuziehen.
In neuerer Zeit sind Wechselstromleistungsschalter bekanntgeworden, bei denen die Lichtbogenlöschung mit Hilfe eines im Lichtbogenpfad strömenden oder expandierenden Löschmittel erfolgt und durch Anwendung einer den Lichtbogen und die Lösehmittelströmung gemeinsam führenden Löschvorrichtung so vervollkommnet ist, dass die Löschlänge des Unterbrechungslichtbogens auf einen extrem kleinen Wert beschränkt ist, so dass der sogenannte Löschgradient der Einrichtung, d. i. der Quotient
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nahezu die Durchschlagsfestigkeit normaler Luft von Zimmertemperatur erreicht.
Die Unterbrechungleistung derartiger Löscheinrichtungen lässt sich durch Verbesserung ihrer Löscheigenschaft, d. h. derjenigen Elemente, von deren Wahl die Geschwindigkeit der Wiederherstellung der dielektrischen Festigkeit der Unterbrechungsstrecke abhängt, praktisch nicht mehr steigern.
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bei Atmosphärendruck nicht oder nicht wesentlich unterschreitet, in einem unter statischem Überdruck stehenden Gasraum angeordnet.
Hiedurch wird eine besonders hohe Unterbrechungsleistung erreicht, weil durch die Anwendung eines Überdruckes im Unterbreehungsraum bei Löschvorrichtungen mit extrem kurzen Lichtbogen, also sehr hoher Löschwirkung, die Spannungsfestigkeit am Ende der stromlosen Pause ohne eine Änderung der Lösehmethode an sich heraufgesetzt wird. Das Heraufsetzen der Spannungsfestigkeit durch Anwendung von Überdruck ist also nur für die Unterbrechungsleistung von Löschvorrichtungen, die mit besonders kurzen Lichtbogen und daher hohen Löschgradienten arbeiten, ausschlaggebend.
Diese Verhältnisse, die für die Unterbrechung eines Wechselstromlichtbogens massgebend sind, sind in Fig. 1 der Zeichnung veranschaulicht, welche den Verlauf der Spannungsfestigkeit in der Unterbrechungsstrecke eines mit einem Lichtbogen arbeitenden Wechselstromunterbrechers während der sogenannten stromlosen Pause und nach Ablauf der stromlosen Pause darstellt. Auf der Senkrechten ist die Spannungsfestigkeit u der Unterbrechungsstrecke aufgetragen, welche diese aus dem hochionisierten Zustande, in den sie durch den Unterbrechungslichtbogen versetzt wurde, durch die Wirkung der Löscheinrichtung während der stromlosen Pause wiedererlangt ; auf der Waagerechten ist die Zeit t aufgetragen.
Es ist bekannt, dass der Strom eines Wechselstromlichtbogens in der Umgebung des Stromnulldurchgangs nicht der Sinuslinie folgt, sondern davon derart abweicht, dass eine praktisch stromlose Pause entsteht. Diese ist in der Zeichnung mit C bezeichnet.
Die Wiederherstellungszeit T ist jene Zeit, welche eine bestimmte Löschvorrichtung braucht. um nahezu die ursprüngliche Spannungsfestigkeit Mo der Unterbrechungsstrecke, in der der Licht-
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bogen erloschen ist, wiederherzustellen. Die Wiederherstellungszeit hängt also lediglich von der Art der Löschvorrichtung, von der Lösehmethode, ab.
Die Wiederherstellungszeit T ist bei Einrichtungen mit kleiner Löschwirkung bzw. kleinem Löschgradienten sehr viel grösser als die stromlose Pause T. Für die Unterbrechungswirkung einer Wechselstrom-Löscheinrichtung steht aber nur die stromlose Pause zur Verfügung. Die Wiederherstellungszeit an sich ist deshalb nicht für die Unterbrechung massgebend, sondern nur die Anfangsgeschwindigkeit, mit welcher die Wiederherstellung der Spannungsfestigkeit erfolgt.
Die Kurven 1 in Fig. 1 zeigen, wie eine Löscheinrichtung mit verhältnismässig kleiner Löschwirkung, daher langer Wiederherstellungszeit Ti die Spannungsfestigkeit wiederherstellt. Die Kurve 1a gibt die Wirkung der Löscheinrichtung wieder, wenn in ihrem Unterbrechungsraum ein statischer Druck von 1 Atm. herrscht. Die Kurve 1b zeigt die Wirkungsweise der gleichen Löschenrichtung bei einem statischen Druck von 2 Atm. im Unterbrechungsraum.
Im Anfang, nämlich etwa
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die Anwendung von hohem statischem Druck am Ende der stromlosen Pause t keine wesentliche Erhöhung der dort vorhandenen Spannungsfestigkeit Mi erreicht wird, denn die Druckerhöhung macht sich erst am Ende der Wiederherstellungszeit Ti geltend, die weit ausserhalb der stromlosen Pause T liegt.
Grundsätzlich anders verhält sich eine Löscheinrichtung mit sehr hoher Löschwirkung (hohem Löschgradienten), daher kurzer Wiederherstellungszeit T 2'deren Verhalten durch die steiler ansteigenden Kurven 2 veranschaulicht wird. 2a zeigt den Verlauf der Spannungsfestigkeit, wenn die Löschenrichtung unter 1 Atm. arbeitet, die Kurve 2b dagegen den Verlauf bei 2 Atm. Druck im Unterbreehungsraum. In diesem Falle divergieren 2a und 2b schon innerhalb der stromlosen Pause dz so dass am Ende der stromlosen Pause ein Gewinn an Spannungsfestigkeit im Betrage von A u erreicht ist.
Aus dem Vergleich der Kurven 1 und 2 ersieht man folgendes : Eine Löschvorrichtung mit an sich kleiner Löschwirkung kann durch Erhöhung des statischen Druckes nicht verbessert werden, dagegen wohl durch Erhöhung der Lösehwirkung, weil am Ende der stromlosen Pause noch ein Spielraum (M'-M) im Betrage a für die Verbesserung der Spannungsfestigkeit durch Heraufsetzen der Löschwirkung zur Verfügung steht. Bei einer Löscheinrichtung von intensiver Löschwirkung (Kurve 2), welche am Ende der stromlosen Pause eine Durchschlagsfestigkeit U2 wiederherstellt, steht nur ein Spielraum b zur Verfügung, innerhalb dessen sich bei gleichbleibendem Druck durch Erhöhen der Löschwirkung nur eine unwesentliche Verbesserung erzielen lässt.
Dagegen können in diesem Falle wesentliche Verbesserungen erreicht werden durch Erhöhung des statischen Druckes auf z. B. 2 Atm., weil für diese Verbesserung noch ein Spielraum c am Ende der stromlosen Pause zur Verfügung steht.
Eine so verbesserte Unterbrerhungsvorrichtung kann also auch bei sehr geringer Lichtbogenlänge mit einer hohen wiederkehrenden Spannung beansprucht werden, besitzt also eine hohe Unterbrechungleistung (KV auf den Zentimeter Lichtbogenlänge).
Solche hohe Löschleistungen, wie sie für die Erfindung in Betracht kommen, lassen sich insbesondere mit Löschvorrichtungen erzielen, die mit Flüssigkeit betrieben werden, z. B. mit Einrichtungen, die nach dem Expansionsprinzip wirken, und mit solchen, bei denen der Lichtbogen in einem Isolierkanal durch Zuführen von Flüssigkeit unter Druck und gleichzeitiger Expansion der durch den Lichtbogen gebildeten Flüssigkeitsdämpfe aus dem Löschkanal gelöscht wird.
Eine derartige Einrichtung ist in Fig. 2 der Zeichnung beispielsweise dargestellt. In einem dichten Gehäuse 10 sind das feststehende Schaltstück 11, der bewegliche Schaltstift 12 sowie die Lichtbogen- löscheinrichtung 13 angeordnet. Die letztere besteht aus einem Isolierkörper, der an dem Gefäss 10 befestigt ist und einen engen Kanal 14 für den Schaltstift 12 besitzt. In der Mitte des Kanals mündet ein Zuführungsrohr 15 für die Löschflüssigkeit. Dieses Rohr ist U-förmig gebogen, so dass es zum grossen Teil unter dem Spiegel 16 der das Gefäss 10 füllenden Schaltflüssigkeit, welche z. B. gewöhnliches Wasser sein kann, liegt. Mit dieser Flüssigkeit steht das Rohr durch ein Rückschlagventil. 17 in Verbindung.
Der rechte Teil 18 des Zuführungsrohres für die Druckflüssigkeit zum Löschkanal. M kann als Druckluftzylinder ausgebildet sein, in welchem sich ein Kolben 25 bewegt. Der Kolben 25 wird bei der Auslösung des Schalters mit einer Kraft P in den Zylinder 18 hineingedrückt. Der Antriebsund Steuermechanismus ist in der Zeichnung nicht dargestellt. Der Raum des Kessels 10 über der
Schaltflüssigkeit steht über ein Rohr 19, in welches ein Druckminderungsventil 20 eingebaut ist, mit einer Druckgasflasche 21 in Verbindung. 22 ist ein Druckmesser, welcher den Druck im Kessel anzeigt. Durch das Druckminderungsventil 20 wird z. B. der Kesseldruck auf einem konstanten Wert von 5 Atm. gehalten.
Um die Gegenwirkung des im Kessel herrschenden statischen Druckes gegen die äussere Zuführungskraft P aufzuheben, kann eine Umführungsleitung 23 vorgesehen werden, welche den im Kessel 10 herrschenden Druck in den Zylinder 18 hinter den Kolben 25 überträgt.
Wenn nun der Stromkreis unterbrochen werden soll, wird der Schaltstift 12 durch einen nicht dargestellten Antrieb aus dem Schaltstück 11 herausgezogen. Gleichzeitig oder knapp vorher wird der Kolben 25 mit der Kraft P in den Zylinder 18 hineingedrückt, wodurch die in dem Rohr stehende
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und zieht dabei den Unterbrechungslichtbogen durch den Löschkanal. M hindurch. Der Lichtbogen ist nun im Löschkanal vollkommen von strömender Flüssigkeit eingehüllt. Die vom Lichtbogen aus der Flüssigkeit gebildeten Flüssigkeitsdämpfe expandieren rasch nach beiden Seiten, so dass die unter Druck zugeführte Flüssigkeit den Lichtbogenkern eng umklammern kann.
Die Anordnung ist dabei so getroffen, dass diese Flüssigkeitsklammer dem Lichtbogen, der in dem Masse, als er sieh der stromlosen Pause nähert, zusammenschrumpft, verzögerungsfrei nachfolgt. Durch diese Wirkung wird der Lichtbogenpfad während der stromlosen Pause auf der Länge des Löschkanals so intensiv entionisiert, dass die im Löschkanal liegende Unterbrechungsstrecke am Ende der stromlosen Pause nahezu die Durchschlagsfestigkeit der in dem Kessel 10 enthaltenen Luft von 5 Atm. erreicht. Es kann also von einer verhältnismässig sehr kurzen Löschstrecke eine sehr hohe wiederkehrende Spannung getragen werden, so dass sich dieser Schalter für die Unterbrechung von Hochspannungsstromkreisen sehr hoher Leistung eignet.
Man kann auch an dem Kessel 10 ein Auspuffrohr anbringen, welches durch ein auf den Kesseldruck eingestelltes Überdruckventil normalerweise verschlossen gehalten wird, um die bei der Lichtbogenlöschung entstehenden Flüssigkeitsdämpfe und Gase rasch nach aussen abzuführen.