Elektxiselier Sehalter. Gegenstand der Erfindung ist ein elektri scher Schalter, der sich für die lichtbogen- freie Abschaltung grosser Leitungen eignet. Es ist bekannt, Stromkreise durch Bewegung von Elektroden in einer Widerstandsflüssig keit zu unterbrechen, wobei die '#ffiderstands- flüssigkeit beim Abschalten mit einem mit der Elektrodenbewegung zunehmenden @Vi- derstand in den Stromkreis eingeschaltet wird.
Erfindungsgemäss werden die in den aufeinanderfolgenden Zeitabschnitten in die Flüssigkeit eintauchenden stromführenden Elektrodenflächen und die aktive in diesen Zeitabschnitten zwischen die Elektroden ein geschaltete Flüssigkeit so bemessen, gewählt und angeordnet, dass während des Schaltvor ganges in keinem Raumelement der Flüssig keit so viel Wärme erzeugt wird, dass die den bestehenden äussern Verhältnissen ent sprechende Siedetemperatur erreicht wird.
Oder mathematisch ausgedrückt:
EMI0001.0011
Darin bedeutet: j = Stromdichte, S = spezifischer -\Viderstand der Flüssig keit, ta = Abschaltzeit, c = spezifiscbe Wärme der Flüssigkeit. Dsp <I>=</I> Siedetemperatur der Flüssigkeit beim Druck p, Do = Temperatur der Flüssigkeit zur Zeit <I>t=o.</I>
Formel 1 gibt die Vorschrift für die Aus bildung eines Hochleistungsschalters nach dem Widerstandsprinzip. Wird diese Bedin gung erfüllt, so ist mit Sicherheit eine Licht bogenbildung während des ganzen Abschalt- vorganges vermieden. Zur Erreichung eines beim Ausschalten zunehmenden Flüssigkeits widerstandes lassen sich verschiedene -Wege einschlagen. Beispielsweise kann man den spezifischen Widerstand der Flüssigkeit durch Konzentrationsänderung oder chemi sche Umsetzungen nach der gegebenen Vor schrift erhöhen. Eine andere Möglichkeit be steht darin, den Widerstand des aktiven Flüssigkeitskörpers durch Formänderung die ses Flüssigkeitskörpers zu ändern.
Der Wi derstand eines Flüssigkeitskörpers ist im wesentlichen bestimmt durch seinen Quer schnitt und seine Länge, die man wahlweise ändern kann. Besonders zweckmässig ist es < die Widerstandserhöhung durch Verringe rung des Querschnittes des Widerstandskör pers herbeizuführen, weil dadurch raumspa rende Anordnungen geschaffen werden kön nen. Hierbei tritt aber eine prinzipielle Schwierigkeit ein.
Befindet sich nämlich in einer beliebigen Flüssigkeit eine beispielsweise halbkugel förmige Elektrode, so ist gemäss Fig. 1 der Widerstand r, sofern der Radius so der Halb kugel im Verhältnis zu den Gefässabmessun gen klein ist, angenähert durch folgende Formel gegeben:
EMI0002.0004
Verkleinert man nun den Radius der Halb kugel, was dem Herausziehen einer Elektrode aus der Flüssigkeit gleichwertig ist, so er kennt man, dass der Widerstand schliesslich für soso unendlich gross wird.
Liegt an diesem Flüssigkeitswiderstand gemäss Fig. 1 eine konstante Spannung U, so wird der Strom
EMI0002.0007
Die Stromdichte j an der Elektrode ist ge geben durch den Quotienten aus dem Strom und der Oberfläche F der Halbkugel und wird sonach
EMI0002.0009
Aus (4) geht hervor, dass im letzten Teil des Ausschaltvorganges, das heisst für immer kleiner werdende Kugeloberfläche, die Strom dichte dem Wert unendlich zustrebt.
Der Verlauf von Reststrom i., Fläche F, Widerstand r und Stromdichte j ist in F ig.
in Abhängigkeit von so dargestellt. Es ist wesentlich, dass diese Betrachtung nicht nur für halbkugelförmige Elektroden, sondern für ganz beliebig geformte Elektroden zu trifft. Die gleiche Erscheinung tritt auf, wenn die positive und negative Elektrode gleichzeitig auf der Schaltflüssigkeit austau- chen und die Flächen der Elektrode und der Gegenelektrode während des ganzen Aus schaltvorganges gleich gross sind. Die Ur sache ist die Ausbauchung der Stromlinien zwischen den Elektroden in der Flüssigkeit.
Zur Überwindung dieser prinzipiellen Schwierigkeit ist es erforderlich, dass die Querschnittsverminderung des aktiven Flüs sigkeitsvolumens nur soweit getrieben wird, bis die Stromdichte den durch Gleichung (1) vorgeschriebenen Grenzwert erreicht hat. Von diesem Zeitpunkt ab darf der Quer schnitt nicht mehr weiter verringert, sondern der Widerstand muss auf andere Weise er höht werden. Dies kann zum Beispiel da durch erfolgen, dass in der letzten Schalt phase die bewegliche Elektrode in Flüssig keit mit hohem spezifischem Widerstand ein taucht, oder dass die während der letzten Phase wirksame Flüssigkeit einen positiven Temperaturkoeffizienten hat.
Man kann Flüssigkeiten von verschiedenem spezifi schem Gewicht so übereinanderschichten, dass der spezifische Widerstand mit fortschreiten dem Ausschaltvorgang zunimmt.
Eine weitere Massnahme kann darin be stehen, dass man die bewegliche Elektrode hohl macht, mit einer untern Öffnung ver sieht und mit Flüssigkeit füllt. Nach der Trennung der Metalloberfläche dieser Elek trode vom Flüssigkeitsspiegel ist der Wider stand des Gebildes durch den aus der hohlen Elektrode austretenden Flüssigkeitsstrahl ge geben. Die Verlängerung dieses Flüssigkeits strahls führt zu jeder beliebigen Wider standserhöhung ohne weitere Stromverdich tung. Die Bedingungsgleichung 1 lässt sich be sonders leicht erfüllen, wenn man die Flüs sigkeit unter erhöhten Druck setzt, da da durch ihr Siedepunkt heraufgesetzt wird und ein Ablösen der Flüssigkeit von der beweg lichen Elektrode vermieden ist.
Mit Rück sicht auf die Flüssigkeitsablösung ist es zweckmässig, der beweglichen Elektrode eine Form zu geben, welche Flüssigkeitswirbel vermeidet, zum Beispiel Tropfenform.
Zwei Ausführungsmöglichkeiten der Er findung sind in den Fig. 3, 4, 5 und 6 dar- @;estellt. , In Fig. 3 bedeutet 1 den feststehenden, metallischen Flüssigkeitsbehälter, 2 die be weg liehe, tropfenförmig ausgebildete Elek trode, 3 ein Schaltmesser, das in der Ein schaltstellung in die Hauptkontakte 4 ein greift 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 Jonenbarriere. Die beweg liche Elektrode 2 besitzt an ihrem untern Ende einen Raum 8, welcher sich beim Ein tauchen mit der Schaltflüssigkeit anfüllt.
In Fig. 4 ist der Schalter kurz vor der Beendigung des Ausschaltvorganges darge- tellt. Die Verbindung zwischen beweglicher Elektrode 2 und Flüssigkeitsspiegel 7 ist lediglich noch durch den Flüssigkeitsstrahl 9 gegeben, dessen Widerstand mit zuneh inender Länge dieses Strahls anwächst. Die Flüssigkeit kann aus dem Raum 8 unbehin dert abströmen, da die Luft durch die Ü-ff- nungen <B>10</B> freien Zutritt hat.
Die Wirkungsweise der Anordnung ist nun folgende: Beim Bewegen der Schaltstange 5 nach oben in Richtung des Pfeils trennen sich zu nächst das Schaltmesser 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
EMI0003.0016
zu <SEP> erfolgen, <SEP> dass <SEP> beim <SEP> Trennen <SEP> der <SEP> Haupt kontakte <SEP> kein <SEP> Schaltfeuer <SEP> auftritt. <SEP> Mit <SEP> dem
<tb> Weiterheben <SEP> der <SEP> Elektrock <SEP> \? <SEP> verringert <SEP> sieh
<tb> ihre <SEP> benetzte <SEP> Fläche. <SEP> und <SEP> damit <SEP> steigt <SEP> der
<tb> Widerstand. <SEP> Ausserdem <SEP> wird <SEP> auch <SEP> die <SEP> Länge
<tb> der <SEP> Stromlinien <SEP> vergrössert.
<SEP> Im <SEP> Moment, <SEP> da
<tb> der <SEP> untere <SEP> Rand <SEP> der <SEP> beweglichen <SEP> Elektrode
<tb> den <SEP> Flüssigkeitsspiegel <SEP> erreicht, <SEP> wird <SEP> nun <SEP> die
<tb> Widerstandsänderung, <SEP> welche <SEP> bisher <SEP> ini <SEP> we sentlichen <SEP> durch <SEP> Flächenverminderung <SEP> leer vorgerufen <SEP> wurde, <SEP> in <SEP> eine <SEP> Widerstandsände rung <SEP> durch <SEP> Zunahme <SEP> der <SEP> Länge <SEP> des <SEP> aktiven
<tb> Widerstandskörpers <SEP> umgesetzt. <SEP> Dieser <SEP> Zu stand <SEP> ist <SEP> in <SEP> Fig. <SEP> 4 <SEP> dargestellt. <SEP> Das <SEP> Volumen
<tb> der <SEP> Flüssigkeit <SEP> in <SEP> dem <SEP> Raum <SEP> 8 <SEP> muss <SEP> so <SEP> be messen <SEP> werden, <SEP> dass <SEP> der <SEP> Flüssigkeitspfad <SEP> ;
1
<tb> am <SEP> Ende <SEP> einen <SEP> derartigen <SEP> Widerstand <SEP> er reicht, <SEP> dass <SEP> die <SEP> Unterbrechung <SEP> des <SEP> Reststro mes <SEP> störungsfrei <SEP> erfolgt. <SEP> Die <SEP> Erfahrung
<tb> zeigt, <SEP> dass <SEP> Ströme <SEP> unter <SEP> 5 <SEP> Ampere <SEP> im <SEP> allge meinen <SEP> störungsfrei <SEP> abgeschaltet <SEP> werden.
<tb> Ein <SEP> besonderer <SEP> Vorteil <SEP> dieser <SEP> Anordnung
<tb> ist- <SEP> darin <SEP> zu <SEP> erblicken, <SEP> dass <SEP> der <SEP> Flüssigkeits pfad <SEP> 9 <SEP> relativ <SEP> hoch <SEP> belastet <SEP> werden <SEP> kann,
<tb> da <SEP> sich <SEP> die <SEP> aktive <SEP> Flüssigkeit <SEP> dauernd <SEP> er neuert <SEP> und <SEP> die <SEP> Wärine <SEP> abführt.
<SEP> Besonders
<tb> zweckmässige <SEP> Verhältnisse <SEP> erreicht <SEP> man <SEP> in
<tb> dieser <SEP> Beziehung, <SEP> wenn <SEP> man <SEP> die <SEP> Flüssigkeit
<tb> unter <SEP> erhöhtem <SEP> Druck <SEP> ausströmen <SEP> lässt. <SEP> 1'm
<tb> den <SEP> Flüssigkeitsstrahl <SEP> zusammenzuhalten,
<tb> kann <SEP> ein <SEP> an <SEP> sich <SEP> bekannter <SEP> Strahlregler <SEP> ver wendet <SEP> werden. <SEP> Es <SEP> kann <SEP> auch <SEP> der <SEP> aus <SEP> der
<tb> beweglichen <SEP> Elektrode <SEP> austretende <SEP> Flüssig keitsstrom <SEP> in <SEP> einem <SEP> Isolierrohr <SEP> geführt <SEP> wer den, <SEP> welches <SEP> etwa <SEP> an <SEP> der <SEP> Elektrode <SEP> befestigt
<tb> wird.
<tb> An <SEP> Stelle <SEP> eines <SEP> einzigen <SEP> Flüssigkeits pfades <SEP> 9 <SEP> können <SEP> auch <SEP> mehrere <SEP> Flüssigkeits strahlen <SEP> angeordnet.
<SEP> werden, <SEP> derart, <SEP> dass <SEP> mit
<tb> fallendem <SEP> Flüssigkeitsspiegel <SEP> im <SEP> Kaum
<tb> diese <SEP> Strahlen <SEP> der <SEP> Reihe <SEP> nach <SEP> zum <SEP> Versic@;f#n
<tb> gebracht <SEP> werden.
<tb> In <SEP> Fig. <SEP> 5 <SEP> und <SEP> 6 <SEP> bedeutet <SEP> 11 <SEP> das <SEP> dc@n
<tb> festen <SEP> Kontakt <SEP> bildende <SEP> Flüssigkeitsgefäss,
<tb> 12 <SEP> die <SEP> bewegliche <SEP> äussere, <SEP> 13 <SEP> die <SEP> bewegliche,
<tb> innere <SEP> Elektrode. <SEP> 14 <SEP> ist <SEP> ein <SEP> Isolierzylinder
<tb> mit <SEP> Öffnungen <SEP> 15. <SEP> Beim <SEP> Abschalten <SEP> wird zunächst die äussere Elektrode 12 nach oben bewegt und dadurch der Widerstand vornehm lich durch Verringerung des Querschnittes vergrössert.
Im -Moment wo der Deckel 16 auf den Stellring 17 der innern Elektrode 13 auftrifft, wird diese innere Elektrode (Fig. 6) aus dem Isolierrohr herausgezogen. Dadurch entsteht eine Widerstandsänderung bei praktisch gleichbleibender Stromdichte auf der Oberfläche der innern Elektrode im wesentlichen durch Verlängerung des Wider standskörpers.
Um störungsfrei einschalten zu können, ist es im- allgemeinen zweckmässig, den 13auptkontakt zuerst zu schliessen. Zu die sem Zweck können die Hauptkontakte 3-4 (vergleiche zum Beispiel Fig. 3) getrennt von den Flüssigkeitselektroden 1, 2 angeordnet und beim Einschalten vor dem Eintauchen der beweglichen Elektrode 2 geschlossen werden.
Lm den letzten Reststrom sicher unter brechen zu können, ist es vorteilhaft, als oberste Flüssigkeitsschicht eine solche aus einer Isolierflüssigkeit zu verwenden, die vermöge ihres kleineren spezifischen Gewich tes auf der Schaltflüssigkeit schwimmt.
Um einen Funkenüberschlag nach der Trennung der beweglichen Elektrode von der Flüssigkeitsoberfläche sicher zu verhindern, ist der als feststehende Elektrode dienende Flüssigkeitsbehälter in Fig. 3 bis 6 mit einem sich erweiternden Rand ausgebildet, so da.ss sich mit zunehmender Ausschaltbewegung der Abstand zwischen den Elektroden längs des Flüssigkeitsspiegels vergrössert.