Liehtbogenstr omr ieliter mit Elektroden in strömendem Löschmittel. Bei Lichtbogenstromrichtern ist die pe riodische Löschung der Lichtbögen dadurch einwandfrei möglich geworden, dass man das Löschmittel, beispielsweise ein Gas, radial zwischen den Elektroden dem Lichtbogen raum zuführt und durch düsenförmige Off nungen an beiden Elektroden wieder ab führt. Hierbei entfernt das Gas die Licht bogenfusspunkte aus dem Gebiet, in dem eine hohe Feldstärke herrscht.
Man hat da- bei auch bereits jede Elektrode (die Kathode und die Anode) in Haupt- und Schirmelek troden unterteilt und die Schirmelektroden mit düsenförmigen Gasaustrittsöffnungen versehen. Bei diesen Lichtbogenstromricli- tern strömt dann das Gas zwischen den Elektroden radial dem Lichtbogenraum zu und durch die Öffnungen der beiden Schirm elektroden, also sowohl der Schirmelektrode der jeweiligen Anode, als auch der Schirm elektrode der jeweiligen Kathode hindurch und zwischen Schirmelektrode und der zu gehörigen Hauptelektrode ab.
Zur besseren Zündung ist bei den neue ren Lichtbogenstromrichtern ein weiterer Gasstrom (axialer Gasstrom) vorgesehen, welcher einen Hilfslichtbogen periodisch zwischen die Hauptelektroden bewegt. Beide Gasströmungen, der radiale Hauptgasstrom und der axiale Hilfsgasstrom, stören sich nun sehr häufig trotz sorgfältiger Einstel- lung und verursachen damit Störungen das Lichtbogenstromrichterbetriebes.
Diesen Nachteil beseitigt die Erfindung dadurch, dass bei Lichtbogenstzomrichtern mit Elektroden in strömendem Löschmittel, bei denen jede Elektrode mindestens aus einer Haupt- und einer Schirmelektrode be steht, die Strömung mindestens teilweise durch die Durchtrittsöffnung der einen Schirmelektrode in den Liehtbogenraum ein tritt und durch die Durchtrittsöffnung der andern Schirmelektrode aus dem Lichtbogen raum austritt. Die Erfindung ist in der Zeichnung in mehreren Ausführungsbeispielen veranschau licht.
Die Fig. 1 stellt einen Lichtbogenstrom- richter dar, dessen Elektroden 1 und 2 aus den Hauptelektroden 3 und 4 und den Schirmelektroden 5 und 6 bestehen. Durch die Elektrode 1, zwischen der Hauptelek trode 3 und der Schirmelektrode 5, strömt das Gas gemäss den eingezeichneten Pfeilen dem Lichtbogenraum 7 zu.
Für die Rich tung der Zuströmung zwischen der Haupt elektrode 3 und der Schirmelektrode 5 sind in der Fig. 1 rechts und links von der Mit tellinie zwei verschiedene Ausführungsbei spiele gezeigt. Das Gas durchströmt hier auf den Lichtbogenraum 7 axial und strömt durch die andere Elektrode 2, zwischen der Hauptelektrode 4 und der Schirmelektrode 6, aus dem Lichtbogenraum 7 ab.
Zusätzlich kann auch eine Gasströmung radial zwischen die Elektroden einströmen, wie dies in Fig. 1 durch die gestrichelten Pfeile angedeutet ist. Die zusätzliche Strö mung hat den Zweck, die axiale Gasströ- mung zusammenzuhalten und zu verhin dern, dass diese vor dem Eintritt in die Schirmelektrode 6 sich verbreitert und da mit auf den Rand der Öffnung der Schirm- elektrode aufprallt und schon vor dieser ab gelenkt und verwirbelt wird.
In einem sol chen Falle würde auch der Lichtbogen den unregelmässigen Bewegungen des Gasstromes folgen.
Das Geradehalten des Lichtbogens ist im allgemeinen, insbesondere, wenn nach dem Verlöschen hohe Sperrfestigkeit der Funken strecke vorhanden sein soll, schwierig, da der Lichtbogen sehr gern seitlich ausbricht und grosse Schleifen bildet oder bei zu star ker Beblasung ein hoher Spannungsabfall eintritt.
Es kann aber ein geradliniger Verlauf des Lichtbogens dadurch erzielt werden, dass die Strömung gleichmässig parallel zum Lichtbogen läuft und ihn in dieser Form einhüllt und die Strömungsgeschwindigkeit des Löschmittels gegebenenfalls auf seiner ganzen Länge oder auf den wesentlichen Teilen seiner Länge innen bezw. an denjeni gen Stellen seines Querschnittes, an denen sich der Lichtbogen befindet, geringer ge macht wird als aussen.
Der Lichtbogen 8 brennt dann in der Hauptsache zwischen den beiden Hauptelektroden 3 und 4 und wird von den an ihm entlang streichenden Gas strömungen so eingehüllt, dass er ohne Ver- längerung angenähert die kürzeste Länge zwischen den Hauptelektroden 3 und 4 ein nimmt. Auf diese Weise kann erreicht wer den, dass; die Lichtbogenspannung nicht zu gross wird.
Durch die äussere hohe Strömungsge schwindigkeit des Gasstrahls wird die vom Lichtbogen an seine Umgebung abgegebene Wärme rasch abgeführt und eine Anhäufung von Wärme im Lichtbogenraum vermieden. Der Lichtbogen selbst dagegen brennt etwa in der Mittelachse des Zylindermantels der Gasströmung, also dort, wo die Strömungs geschwindigkeit geringer ist. Dadurch wird der Lichtbogen nicht gestört, und - es wird ihm nicht mehr Wärme entzogen als not wendig ist. Will der Lichtbogen nach der Seite ausweichen, so wird er sofort durch die höhere Strömungsgeschwindigkeit in seiner Umgebung wieder zur Mitte hingetrieben.
Diese Strömungsverteilung kann durch die kreisringförmige Zu- und Abströmung des Gases zwischen den Haupt- und den zu gehörigen Schirmelektroden erreicht werden, wie dies. in der Fig. 1 dargestellt ist. Wenn auch der Lichtbogenraum eine derartige Form besitzt, dass ein konzentrierter Gas strahl von der einen Hauptelektrode zur an dern fliessen kann, so wird doch durch die kreisringförmigen Zu- und Abführungen zum Teil erreicht, dass auch im Lichtbogen- raum die kreisringförmige Strömung erhal ten bleibt.
Anderseits wird diese Wirkung auch durch den Lichtbogen selbst hervorge rufen, denn die Wärmebildung des Licht bogenkanals, der sich annähernd in der Mitte der Strömung befindet, wird sich durch die Gasströmung hier anders einstel len als an den Teilen, die den Lichtbogen umhüllen, wobei die Verteilung der Strö- mungsgeschwindigkeit in radialer Richtung durch die verschieden starke Wärmebildung automatisch so erfolgt, dass, die Geschwin digkeit nach aussen hin zunimmt.
Da die physikalischen Anschauungen über die Vor gänge in und um den Lichtbogen verschie dentlich noch auseinandergehen, sei hier zur Klarlegung angegeben, dass mit Gesc@win- digkeit das strömende Gasgewicht in der Zeit- und Querschnittseinheit verstanden :-erden soll. Eine ungleichmässige Ge schwindigkeitsverteilung @n dem obenge- nannten Sinne kann also schon eintreten. wenn die Bewegungsgeschwindigkeit der einzelnen Gasmoleküle gleich .gross ist, jedoch die Dichte des Gases verschieden ist.
Um ein Ausweichen des Löschmittel- stromes nach aussen zu verhindern, kann man gegebenenfalls auch in der Nähe des. Lichtbogens eine zylindrische Isolierhülle vorsehen, die sich auf einen Teil des Weges von der einen Schirmelektrode zu andern er streckt.
Dasselbe kann dadurch erreicht werden, da..ss: ein Teil des Gases durch den Raum zwischen den beiden Schirmelektroden dem eigentlichen. Lichtbogen zuströmt (radiale Gasströmung). Eine Störung der axialen Gasströmung tritt hierdurch, im Gegensatz zu den bekannten Anordnungen, nicht ein, da, die radiale Cla.sströmung vor dem Ab strömen durch die entsprechende Schirmelek trode die axiale Gasströmung nur umhüllt, deren Richtung aber nicht verändert.
Durch die radiale Gasströmung kann im Gegenteil erreicht werden, dass der durch die eine Schirmelektrode aus dem Lichtbogenrauin austretende axiale Gasstrahl, insbesondere vor dieser, also vor der zweiten Schirmelek trode, genügend zusammengeschnürt wird und Ausbauchungen des axialen Gasstromes bezw. des Lichtbogens durch die Wärmebil dung des Lichtbogens nicht eintreten kön nen.
Bei der beschriebenen Strömungsform für die Kühlung bezw. Löschung des Licht bogens sind hinsichtlich der Führung der Gasströmung sowohl im eigentlichen Licht- bogenraum, als auch an den Zu- und Ab- führungsatellen noch besondere Gesichts punkte zu beachten. Schwierigkeiten können unter anderem dadurch entstehen, dass, einer seits auf einzelnen Strecken sehr hohe Ge schwindigkeiten verlangt werden und ander seits bestimmte Ablenkungen der Strömung bei strengster Vermeidung von starken Wir belungen nötig sind.
Weiterhin dürfen be stimmte Teile der Elektroden nur mit gerin ger Geschwindigkeit oder auch nur mittel bar von der Strömung berührt werden oder müssen im "Windschatten" liegen. Ferner ist zu berücksichtigen, dass die .Strömungs öffnungen in beiden Elektroden bei der Er findung für die Strömung hintereinander in Reihe, also nicht wie bei den bekannten An ordnungen parallel, geschaltet sind, so dass für die gleichen Strömungsgeschwindigkei ten in dem vorliegenden Falle grösseres Druckgefälle benötigt wird.
Bei der vorlie genden Erfindung kann man demgemäss mit den allgemein bekannten Mitteln zur Ver minderung des Strömungswiderstandes nicht auskommen, denn die Formgebung der Elek troden aus. rein strömungstechnischen Rück sichten würde Elektroden ergeben, die den Anforderungen in elektrischer Hinsicht nicht .genügen würden. Die im folgenden näher beschriebenen Anordnungen der Gas strömung stellen demgemäss, zweckmässige Ausbildungen des Erfindungsgegenstandes dar.
Eine hohe Geschwindigkeit ist zunächst nötig in dem eigentlichen Lichtbogenraum, das heisst in dem Raum, der in der Längs richtung begrenzt wird durch die einander gegenüberstehenden Flächen der beiden Hauptelektroden -3- und 4 und dessen Durch messer in gewisser Hinsicht durch den Durchmesser der Öffnungen in den Schirm elektroden 5 und 6 festgelegt ist. Diesem Lichtbogenraum strömt das Gas durch den Raum zwischen der Hauptelektrode 3 und der zugehörigen Schirmelektrode 5 zu. Die Strömungsform ist also angenähert ein Hohlkegel.
Der Abstand zwischen den bei den Teilelektroden 3 und 5 sollte aus elek- trischen Gründen verhältnismässig gering sein. Dadurch kann aber der Nachteil ein treten, dass die Geschwindigkeit des Gases beim Eintritt in den Lichtbogenraum schon so hoch ist, dass die dann erfolgende Umlen kung einerseits grosses Druckgefälle erfor dert, und anderseits zu Einschnürungen und Wirbelurigen der Strömung im Lichtbogen raum führt.
Eine derartige Strömung würde aber für die Reinigung des Lichtbogenrau- mes bezw. :die laufende Abführung der durch den Lichtbogen erzeugten Wärme ungünstig sein.
Durch die Form der beiden Elektroden bezw. der einander gegenüberstehenden Flä chen müssen. diese Erscheinungen vermieden werden, beispielsweise dadurch, dä.ss man den aus elektrischen Gründen nötigen geringsten Abstand zwischen Schirm- und Hauptelek troden an eine Stelle legt, die verhä.ltuis- mässig grossen Abstand von der Achse be sitzt, wie dies in der Fig. 1 an den Stellen 9 und 10 dargestellt ist.
Beispielsweise kann dies weiterhin durch eine entsprechende Nei gung der Elektroden erfolgen, so dass die Strömung nur um einen geringen Winkel bezw. auf einen grossen Krümmungsradius beim Eintritt in den Lichtbogenraum abge lenkt \Zierden muss.
(Vergleiche die vier ver schiedenen Darstellungen der Elektrodenteile 3 und 5 in der rechten und linken Hälfte der Fig. 1 und 2.) Zur Erreichung des gleichen Zweckes können ferner an den Stellen geringsten Ab standes zwischen Haupt- und Schirmelek trode Aussparungen in eine der beiden Teil elektroJen derart eingefügt werden, dass der Strömungsquerschnitt vergrössert wird und trotzdem an einzelnen Stellen der ans elek- Irischen Gründen nötige geringe Abstand zwischen Schirm- und Hauptelektrode durch die übrigbleibenden "Zähne" erhalten bleibt.
Schirmelektroden mit derartigen Zähnen sind in den Fig. 2 und 3 schematisch darge stellt. Die Fig. 2 zeigt die Zähne an den Stellen 11 und 12. In der Fig. 3 sind rechts und links zwei verschiedene Ausführungs- arten im .Schnitt gezeigt. Die Aussparungen 13 und 14 sind hierbei schraffiert angedeutet. Besonderer Beachtung bedarf auch die Führunder Gasströmung an der Stelle, an der sie'-an der zweiten Elektrode aus dein Lichtbogenraum ausströmt.
Es wird hier aus elektrischen Gründen verlangt, dass die Strömungsgeschwindigkeit schnellstens weit gehend herabgesetzt wird (z. B. um eine Verlängerung des Lichtbogens zu vermei den). Dieser Forderung steht aber gegenüber die strömungstechnisch bekannte Tatsache, dass Erweiterungen von Strömungsquer schnitten bezw. Verlangsamungen von Strö mungen mit Wirbelurigen und damit Q,uer- schnittsverengungen und hohem Druckabfall verbunden sind.
Es ist deshalb auch an die ser Stelle eine besondere Formgebung der Haupt- und Schirmelektrode insbesondere an den Flächen, die dem Lichbogenraum zuge wandt sind und den Flächen, die einander gegenüberstehen, erforderlich. Dies kann beispielsweise durch einen verhältnismässig grossen Abstand zwischen der Hauptelek trode 4 und der Schirmelektrode 6 oder da durch erreicht werden, dass die Oberfläche der Hauptelektrode eine Kugelform erhält (vergleiche Fig. 1, Hauptelektrode 4).
Ferner kann der gleiche Zweck, dadurch erzielt wer den, dass die Oberfläche der Hauptelektrode zusammen mit der Oberfläche der Schirm elektrode eine so starke Neigung erhält, dass ,der Ablenkungswinkel der aus dem Licht bogenraum austretenden, Strömung gering ist (vergleiche Fig. 2, Teilelektroden 4 und 6).
Dabei müssen Stauungen sowohl bei die ser Elektrode (2), als auch bei der andern Elektrode (1) vermieden werden. Dies ist beispielsweise durch eine besondere Bemes sung der Strömungsquerschnitte auf dem ge samten Strömungswege möglich. Diese Be messung muss derart erfolgen, dass .die Strö mung an keiner Stelle .eine höhere Geschwin digkeit besitzt als im Lichtbogenraum selbst. Würde die Geschwindigkeit vorher höher sein, so würden Wirbelurigen bei der Ver langsamung entstehen. Würde die Geschwin digkeit hinterher höher sein, so würden Stauungen durch die Querschnittsverringe- rung entstehen.
Ein weiteres für beide Elektroden (1 und 2) gemeinsames Mittel zur Verbesserung der Strömungs- und damit elektrischen Ver- hältnisse besteht in dem Einsetzen von Strö- mungsführungskörpern. Durch solche Füh rungskörper kann es weitgehend verhindert werden, dass Wirbel in der axialen Gasströ mung entstehen. Ein Beispiel hierfür ist in der Fig. 4 schematisch dargestellt.
In der Mitte der Hauptelektrode d ist ein vorne an gespitzter Stift 15 eingesetzt, der die Aus bildung einer zylinderförmigen Gasströmung, die den Lichtbogen ringsum einhüllt, begün- stigt. Eine :derartige Form des Führungs körpers 1-5 würde an sich aber in elektrischer Hinsicht wesentliche Nachteile besitzen, z. B. dadurch, dass die Schirmwirkung der Schirm elektroden zum Teil aufgehoben wird.
Es sollen deshalb derartige Führungskörper auf der Oberfläche mit einer Isolierschicht<B>16</B> versehen sein, so dass die Lichtbogenfuss- punkte auf diesen Teilen nicht Fuss fassen und demgemäss besonders heisse Stellen auf der Oberfläche dieser Körper nicht auftreten können.
Als Führungskörper kommen in diesem besonderen Falle leitende Metallkörper, bei spielsweise Wolfram, Aluminium usw. mit einer Oxydschicht, die nicht leitend ist, in Betracht.
Ein weiteres Mittel zur Lösung der strömungstechnischen Schwierigkeiten unter gleichzeitiger Berücksichtigung der elektri schen Forderungen ist in der Fig. 5 schema tisch dargestellt. Die Vermeidung von Wir- belungen soll hier erfolgen durch zusätzliche Zu- und Abströmungswege 17 und 18, bei spielsweise in den Hauptelektroden 3 und 4. Der Gegenstand der Fig. 5 ist hierbei keines wegs als räumliche Anordnung aufzufassen., sondern nur als eine schematische Darstel lung .des Gedankens, zusätzliche Zu- und Abströmwege vorzusehen.
Zusätzliche Zu- strömöffnungen können hierbei ein Gas mit höherer oder niedrigerer Geschwindigkeit, als besonders die Hauptströmung besitzt, in den Lichtbogenraum einführen, wodurch eine zusätzliche Stabilisierung ',des Gasstromes und damit des Lichtbogens eintritt. Auf der Abströmseite können solche zusätzliche Üff- nungen einen Teil des aufprallenden Gas strahls aufnehmen und somit solche Stauun gen und Wirbelungen,
die den Betrieb des Stromrichters gefährden würden, verhindern.
Bei der Lösung der strömungstechnischen Fragen ist weiterhin zu berücksichtigen, dass während des Dauerbetriebes durch .die Ein wirkung .des Lichtbogens bezw. des Abbran- des Veränderungen in den Elektrodenformen eintreten. Es ist z. B. bekannt, dass Abbrand- produkte durch die Gasströmung bezw. durch den Lichtbogen von einer Elektrode zur an dern transportiert werden.
Diese Abbrand- produkte können sich auf der Hauptelektrode festsetzen und dort zu Veränderungen der Oberflächen führen. Es kann dies beispiels weise verhindert werden durch eine entspre chende Aussparung 20 auf .der Hauptelek trode 4 (Fig. 2 und 4).
Anderseits ist es er fahrungsgemäss bekannt,,dass der Lichtbogen während des Dauerbetriebes in den Elektro den so starken Abbrand hervorruft, dass sich die Abbra-ndflächen zu kraterförmigen Ge bilden 21 (Fig. 2) aushöhlen. Diese Erschei nung soll durch entsprechende Führung der Gasströmung so ausgenutzt werden, dass die Lichtbogenfusspunkte beispielsweise auf den Hauptelektroden im Windschatten brennen.
Dies bringt den besondern Vorteil mit sich, dass die in der Nähe der Fusspunkte befind lichen Teile des Lichtbogenkanals von der Strömung nicht gestört werden bezw. nicht stark gekühlt werden, so dass, hier die Wärme bildung ,gering ist. Auf diese Weise kann ein Minimum an Abbrand erreicht werden.
Bei starker Kühlung tritt eine Steigerung des Widerstandes im Lichtbogen auf. Da hierbei gleichzeitig der Spannungsverlust ,grösser wird, steigt die Liehtbogenleistung und damit auch die entwickelte Wärme menge quadratisch. Es ist also keineswegs in allen Fällen günstig, .den Lichtbogen stark zu kühlen. Es kann im Gegenteil eine schwächere Kühlung günstigere Betriebs und Löschverhältnisse ergeben.
Manchmal wird es zweckmässig sein, den radialen und insbesondere auch den axialen Strömungen eine solche Komponente zu ge ben, dass diese Strömungen den zwischen den Hauptelektroden brennenden Lichtbogen in Spiralform umstreichen. Dies könnte bei spielsweise durch entsprechendes Schrägstel len der oben beschriebenen Zähne (11 und 12 der Fig. 2 bezw. der Aussparungen 13 und 14 der Fig. 3) erzielt werden.
Bei .den beschriebenen Anordnungen wird das Zündgas im Gegensatz zu den bisher be kannten Anordnungen zugleich als Lösch- gas benutzt. Die Erfindung ist selbstver- ständlich nicht nur auf die Verwendung von Gas beschränkt. Als Zünd- und Löschgas kann natürlich ebenso Dampf benutzt wer den. Gegebenenfalls ist auch in manchen Fällen die Verwendung von Flüssigkeit mög lich.
Im übrigen sei noch besonders bemerkt, dass alle Gesichtspunkte, die bisher im Zu sammenhang mit Anordnungen mit zwei Ausströmdüsen angeführt worden sind, in sinngemässer Weise auch beim Erfindungs gegenstand verwendet werden können. Bei spielsweise kann der mittlere Teil der Haupt elektroden leicht auswechselbar gemacht wer den, um den nachteiligen Einfluss des Ab brandes ausschalten zu können. Beispiels weise kann der Teil 2:2 der Hauptelektrode 4 (Fix. 1) oder der Teil 23 der Hauptelektrode 3. (Fix. 4) leicht auswechselbar ausgebildet sein.
Im Dauerbetrieb kann die Kühlung für die Schirm- und insbesondere für die Haupt elektrode in bekannter Weise durch eine Flüssigkeit oder durch .das vorbeistreichende Gas bezw. durch eine besondere Gas- oder Luftkühlströmung erreicht werden.
Die schnelle Bewegung der Lichtbogen Fusspunkte, insbesondere an den Stellen, an denen die Geschwindigkeit durch die Gasbe wegung klein ist, kann in bekannter Weise durch ein Magnetfeld erreicht werden, wobei die eisernen Führungsteile so zu gestalten sind, dass die magnetischen Kraftlinien weit gehend parallel zur Oberfläche der Elektro- den verlaufen.