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Anordnung zur Löschung von Wechselstrom-Lichtbögen
Gegenstand der Erfindung ist eine Anordnung zum Löschen von Wechselstrom-Lichtbögen.
Zwischen der Lösung von Gleichstrom-Lichtbögen und der von Wechselstrom-Lichtbögen bestehen grundsätzliche Unterschiede. Soll in einem Gleichstromkreis der Lichtbogen gelöscht werden, muss seine
Brennspannung einen solchen Wert annehmen, dass sie in ihrer Höhe über der Spannung liegt, die dem
Lichtbogen aus dem Netz höchstens zur Verfügung gestellt werden kann. In den meisten Fällen bedient man sich dazu der Verlängerung des Lichtbogens, da aus einer grossen Lichtbogenlänge ein hoher Brenn- spannungsbedarf resultiert.
Dagegen ist es zur Löschung des Wechselstrom-Lichtbogens nur erforderlich, nach einem der perio- disch erfolgenden Stromnulldurchgänge eine Wiederzündung des Bogens in der auf den Nulldurchgang fol- genden nächsten Halbwelle zu verhindern. Das ist dann der Fall, wenn die Schaltstrecke bereits nach so kurzer Zeit nach dem Verlöschen des Bogens ein hinreichendes Isolationsvermögen gewinnt, dass es der wiederansteigenden Netzspannung nicht mehr gelingt, eine Wiederzündung hervorzurufen.
Neuere Untersuchungen haben ergeben, dass zur elektrischen Wiederverfestigung der Schaltstrecke bereits sehr kleine Kontaktabstände genügen. Es konnte sogar gezeigt werden, dass innerhalb bestimmter Grenzen die Wiederverfestigung bei kleinen Kontaktabständen wesentlich rascher erfolgt als bei grösseren.
Insbesondere ist dieses gute Löschverhalten im schmalen Spalt an Elektroden aus Silber und seinen Legierungen zu beobachten, wobei es bereits genügt, dass die Elektroden nur an der Oberfläche damit versehen sind. Der Grund für dieses Verhalten besteht in der entionisierenden Wirkung der sich mit geringem Abstand gegenüberstehenden metallischen Kontaktflächen auf das nach dem Stromnulldurchgang verbleibende Restplasma sowie in dem besonderen Verhalten extrem kurzer Lichtbögen, das von den der Lichtbögen oberhalb etwa 1 mm Länge erheblich abweicht. So hatten z. B.
Untersuchungen zum Ergebnis, dass im Falle induktionsfreier Belastung ohne Schwierigkeit die Unterbrechung von Strömen in Stär- ke von einigen 10z A bei 500 V innerhalb einer Halbwelle möglich ist, wenn die Kontakte in dieser Zeit auf einen Abstand von 0,3 mm auseinandergezogen wurden. wesentlich ist jedoch, dass Massnahmen getroffen werden, die ein Auswandern des Bogens aus den Kontakten verhindern.
Eine Methode zur Lichtbogenlöschung, die auch bei nur kleinen Bogenlängen sicher funktioniert, hat bedeutende Vorteile. Neben der Möglichkeit, die zur Lichtbogenlöschung vorgesehenen Teile des Gerätes in ihren Abmessungen sehr klein halten zu können, bietet sie den grossen Vorteil, dass beim Löschen nur eine kleine Schaltarbeit umgesetzt wird, die vor allem für Geräte hoher Schalthäufigkeit von Wichtigkeit ist. Bekanntlich wird bei jeder Abschaltung über den Lichtbogen eine in ihrer Höhe vom Strom, der Lichtbogenspannung und der Zeit abhängige Energie
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Un. ic. dtumgesetzt, wobei UB die Bogenspannung und in den Bogenstrom bedeuten.
Da die Bogenspannung UB in erster Näherung der Bogenlänge proportional ist, liegt beim sehr kurzen Bogen auch nur eine kleine Bo- genspannung etwa nur in Höhe des Kathoden-plus Anodenfalls des betreffenden Materials, vor. Daraus folgt, dass auch die Schaltarbeit nur geringe Werte annimmt, und das Gerät dementsprechend geringer thermisch belastet wird. Gerade bei Geräten für hohe Schalthäufigkeit ist es die Schaltarbeit, die die
Leistungsfähigkeit und die Einsatzmöglichkeit bestimmt. Es sind nun Anordnungen bekanntgeworden, die diese Vorteile bereits ausnutzen.
Bei einer bekanntgewordenen Anordnung werden die Kontakte nur bis zur
Bildung einer Trennstrecke, bei der keine Wiederzündung stattfindet, auseinandergezogen und der zwei- schen ihnen befindliche Lichtbogen mit Hilfe einer magnetischen Blasung zwischen besondere Abbrenn- elektroden getrieben, zwischen denen er abgebremst und bis zum Löschen nach dem nächsten Nulldurch- gang des Stromes festgehalten wird. Dieses Festhalten geschieht ebenfalls mit Hilfe einer magnetischen
Blasung.
Dies erfordert die Anbringung besonderer Eisenumschlüsse an den Abbrennelektroden bzw. die An- ordnung einer Blasspule und von Blasblechen, was einen nicht unerheblichen Aufwand bedeutet.
Eine andere Anordnung vermeidet diese Nachteile der Anwendung der magnetischen Blasung und treibt den zwischen den Kontakten befindlichen Lichtbogen zwischen besondere Abbrennelektroden. Da- durch, dass die Abbrennelektroden derart ausgebildet sind, dass von dem durchfliessenden Strom Schleifen gebildet werden, die einmal den Lichtbogen von der Kontaktstelle wegtreiben und weiterhin durch ein zu- sätzliches Elektrodenpaar eine andere Stromschleife gebildet wird, die auf den Lichtbogen beim Aufsetzen eine entgegengesetzte Kraft ausübt, wird der Lichtbogen innerhalb der sich auf kurzem Abstand gegen- überstehenden Elektroden bis zur Löschung festgehalten. Diese Anordnung bedingt zusätzliche Elektroden und deren Verbindung untereinander, um die gewünschten Stromschleifen zu erhalten.
Allen diesen Anordnungen ist jedoch gemeinsam, dass diese Art der Löschung des Wechselstrom-Lichtbogens im Falle nicht mehr induktionsfreier Belastung bei Strömen von wenig über 100 A bereits bei Spannungen von380 vversagt. Wie bereits erwähnt, ist die Voraussetzung für das Unterbleiben einer Wiederzündung, dass in der stromlosen Pause nach dem Nulldurchgang sich die Schaltstrecke so hinreichend elektrisch verfestigt, dass die wiederansteigende Netzspannung zur Wiederzündung nicht ausreicht. Da im Falle induktionsfreier Belastung der Wiederanstieg der Spannung verhältnismässig langsam erfolgt, bleibt der Schaltstrecke genügend Zeit, um sich zu verfestigen. Anders liegen die Verhältnisse beim Abschalten vorwiegend induktiver Kreise.
Hier erfolgt nach dem Erlöschen des Lichtbogens der Anstieg der wiederkehrenden Spannung mit sehr grosser Geschwindigkeit. Da die Spannung im induktiven Stromkreis dem Strom voreilt, hat sie beim Stromnulldurchgang bereits eine Richtung, die der des Stromes im Falle der Wiederzündung entspricht. Damit liegt bereits unmittelbar nach dem Stromnulldurchgang eine so hohe Spannung an der Schaltstrecke, dass zur Abkühlung und Entionisierung nur wenig Zeit bleibt und die Gefahr der Wiederzündung sehr gross ist. Die Wiederzündung tritt dann ein, wenn die unmittelbar wiederkehrende Spannung die Grösse des Kathodenfalles der Glimmentladung des betreffenden Materials erreicht (bei Silber z. B. 280 V).
Soweit es sich um Schaltgeräte zum Schalten elektromotorischer Antriebe handelt, ist im Normalfall keine Wiederzündung zu erwarten, da im Abschaltaugenblick nur die Differenzspannung zwischen der Netz- und der Gegenspannung an den Kontakten liegt, die im allgemeinen eine zur Wiederzündungausreichende Höhe nicht erreicht. Jedoch würde bereits beim Abschalten des gleichen, jedoch festgebremsten Motors die Löschung versagen. Leider tritt die Löschung dann auch nach längerer Lichtbogenzeit nicht ein, so dass im allgemeinen mit der Zerstörung des Gerätes zu rechnen ist.
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Erwünscht wäre deshalb eine Anordnung zur Lichtbogenlöschung, die die weitaus überwiegende Anzahl normaler betriebsmässiger Abschaltungen nach dem Prinzip der kleinen Bogenlänge und damit auch mit kleiner Schaltarbeit bewältigt. Im Falle nicht betriebsmässiger Abschaltung z. B. eines festgebremsten Motors wird die Lichtbogenlöschung in konventioneller Weise bewirkt, z. B. durch Verlängerung, Löschbleche usw.
Hier setzt der Erfindungsgedanke ein mit einer Anordnung, die die zuletzt geschilderte Forderung erfüllt.
Die erfindungsgemässe Anordnung, bei der zur Erreichung einer spezifischen Wechselstromlöschung mit sehr kurzen Lichtbögen die Kontakte mindestens bis zur Bildung einer spannungsfesten Trennstrecke geöffnet werden und der zwischen ihnen entstehende Lichtbogen in kürzester Zeit zwischen besondere mit kleinem Abstand sich gegenüberstehende Löschelektroden getrieben wird, deren Länge unter Berücksichtigung der Wanderungsgeschwindigkeit des Lichtbogens so bemessen ist, dass er mehr als die Dauer einer Halb-
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welle zum Durchlaufen des Elektrodenspaltes benötigt, zeichnet sich dadurch aus, dass den erwähnten Löschelektroden eine zweite auf Verlängerung des Lichtbogens beruhende oder mit Löschblechen usw. ausgestattete Löscheinrichtung nachgeschaltet ist.
Diese zweite Löscheinrichtung kann recht klein ausgebildet werden, weil ihrer Bemessung nur die geringe Zahl der Beanspruchungen während ihrer gesamten Lebensdauer zugrunde gelegt zu werden braucht.
In Fig. 1 ist ein Beispiel nach dem Erfindungsgedanken dargestellt. Der Lichtbogen entsteht zwischen dem festen Kontakt 1 und dem beweglichen Kontakt 2 bei deren Öffnen. Unter dem Einfluss der Saugelektrode 5 aus ferromagnetischem Material wird der Bogen aus dem Kontaktspalt herausgezogen, unterteilt und in die beiden von der Saugelektrode 5 und den Hilfselektroden 3 und 4 gebildeten schmalen Schlitze überführt. Die Weite dieser Schlitze hält sich in den Grenzen, die für die Erzielung einer spezifischen
Wechselstromlöschung mit sehr kurzen Lichtbögen charakteristisch ist, also zwischen 0,3 und 2 mm. Die Telll1chtbogen bilden gemeinsam mit den Elektroden Stromschleifen, die so gerichtet sind, dass die Bögen unter dem Einfluss ihrer Eigenblasung in den Elektroden nach oben wandern.
Die Länge der Elektroden ist so bemessen, dass der Lichtbogen zum Durchwandern etwa länger als die Dauer einer Halbwelle braucht.
Die Wanderungsgeschwindigkeit ist jedoch stromabhängig, damit also auch die Zeit des Durchlaufs. Aus diesem Grunde wurde die in Fig. 1 und 2 skizzierte Bügelform der Hilfselektroden gewählt. Wie Fig. 3 zeigt, richtet sich das Verhältnis der Teilströme, die in den beiden Zweigendes Bügels zum Teillichtbogen fliessen, nach der jeweiligen Lage des Bogens im Kontaktspalt. Man kann, wie in Fig. 3, den Bugel der Hilfselektrode als einen Widerstand betrachten, dessen Abgriff der Lichtbogen bildet. Während zunächst, wenn der Bogen gerade erst am unteren Teil der Hilfselektrode ansetzt, der Teilstrom il fastdem Gesamtstrom i entspricht, i also noch sehr klein und damit die nach oben gerichtete Blaswirkung der Stromschleife voll wirksam ist, nimmt im Verlauf der weiteren Wanderung il ab und i zu.
Die Wirkung des Magnetfeldes von iz auf den Lichtbogen ist jedoch der Wanderung nach oben entgegengerichtet. Damit wird die Hilfselektrode gleichzeitig zur Bremselektrode, deren bremsende Wirkung die Wanderungsgeschwindigkeit des Bogens etwa stromunabhängig macht. Es bleibt jedoch immer noch in der Blaswirkung auf den Bogen die nach oben gerichtete Komponente etwas grösser, so dass in dem Fall, wo das Ge- rät einen über das Löschvermögen der spezifischen Wechselstromlöschung mit sehr kurzen Lichtbögen hinausgehenden Strom abzuschalten hat und demzufolge nach dem ersten Stromnulldurchgang eine Wiederzündung eintritt, die Teillichtbögen den Spalt verlassen und in den oberen Teil 6 der Anordnung übergehen.
In allen andern Fällen verbleibt der Bogen bis zu seinem Verlöschen im ersten Stromnulldurchgang innerhalb des Elektrodenspaltes.
Man kann natürlich auch die Wirkung der Bremselektrode durch eine andere, jedoch mehr Aufwand verursachende Anordnung eines zweckentsprechenden elektromagnetischen Blassystems erzielen.
Der obere Teil der Löscheinrichtung ist im Beispiel nach Fig. 1 als Löschblechkammer ausgebildet.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Anordnung zur Lichtbogenlöschung von Wechselströmen, bei der zur Erreichung einer spezifischen Wechselstromlöschung mit sehr kurzen Lichtbögen die Kontakte mindestens bis zur Bildung einer spannungsfesten Trennstrecke geöffnet werden und der zwischen ihnen entstehende Lichtbogen in kürzester Zeit zwischen besondere mit kleinem Abstand sich gegenüberstehende Löschelektroden getrieben wird, deren Länge unter Berücksichtigung der Wanderungeschwindigkeit des Lichtbogens so bemessen ist, dass er mehr als die Dauer einer Halbwelle zum Durchlaufen des Elektrodenspaltes benötigt, dadurch gekennzeichnet, dass den erwähnten Löschelektroden eine zweite auf Verlängerung des Lichtbogens beruhende oder mit Löschblechen usw. ausgestattete Löscheinrichtung nachgeschaltet ist.