DE1053615B - Lichtbogen-Loeschkammer fuer elektrische Schalter - Google Patents

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DEUTSCHES

Im Bau und Betrieb von Hochspannungs-Verteilungsnetzen ist in den letzten Jahren ein wachsendes Interesse an sogenannten Lasttrennern entstanden. Von diesen wird verlangt, daß sie einerseits die Funktion eines Trenners gemäß den Regeln VDE 0670 erfüllen, andererseits die gefahrlose Unterbrechung der im normalen Betrieb auftretenden Last- und Leerlaufströme ermöglichen. Im Gegensatz zu den Leistungsschaltern, die die Abschaltung bei Störungen vornehmen sollen und deshalb für die Beherrschung höher Kurzschlußströme bemessen werden müssen, beschränkt sich bei den Lasttrennern die Aufgabe auf das Schalten kleiner und mittlerer Stromstärken. Entsprechend wird erwartet, daß der zur Erreichung dieses Zieles benötigte Aufwand niedrig gehalten wird und daß die Kosten eines derartigen Schaltgerätes die eines normalen Trenners nicht wesentlich übersteigen.

Es liegt nahe, bei der Lösung der Aufgabe von dem gebräuchlichen Hochspannungs-Messertrennschalter auszugehen und diesen mit einer Zusatzeinrichtung zu versehen, die sein an sich sehr geringes Schaltvermögen in den gewünschten Bereich hinein erweitert. Eine geeignete Einrichtung dieser Art ist die Flach- oder Schlitz-Löschkammer. Diese besteht im wesentlichen aus zwei parallelen, in möglichst geringem Abstand voneinander befindlichen Platten eines geeigneten isolierenden Werkstoffes, die den festen Kontakt des Trenners derart umgeben, daß das Schaltmesser nach dem Verlassen des festen Kontaktes sich eine geringe Wegstrecke in dem schlitzförmigen Zwischenraum zwischen den Kammerwänden bewegen muß.

Der Versuch zeigt, daß der Lichtbogen innerhalb einer solchen »Schlitzkammer« bereits bei einer wesentlich geringeren Kontaktentfernung gelöscht wird, als wenn man ihn frei in Luft brennen läßt. Durch geeignete Formgebung und Materialauswahl kann erreicht werden, daß der Löschvorgang ganz oder größtenteils auf die Zeit beschränkt wird, die das Schaltmesser innerhalb der Löschkammer verbringt. Der Lichtbogen bleibt daher während seiner Brenndauer zwischen den Kammerwänden eingeschlossen; einer Ionisierung des Luftraumes in der weiteren Umgebung und hierdurch eingeleiteten Überschlägen zwischen spannungführenden Teilen bzw. zwischen diesen und Erde wird wirksam vorgebeugt.

Schlitzkammern der geschilderten Art sind für Hochspannungsschalter bereits vorgeschlagen worden. Sie haben jedoch lange Zeit keine praktische Bedeutung erlangen können, weil die ursprünglich für ihren Bau vorgeschlagenen Werkstoffe in verschiedener Hinsicht erhebliche Nachteile aufweisen. So wurden z. B. Holz, Fiber oder Hartgummi als geeignete Kammerbaustoffe genannt. Nun ist Holz, soweit es nicht unter Öl ver-Lichtbogen-Löschkammer
für elektrische Schalter

Anmelder:

Concordia
Maschinen- und Elektrizitäts-Gesellschaft m. b. H.,
Stuttgart 13, Talstr.41

Dr.-Ing. Kurt Schmidt, Stuttgart-Sillenbuch, ist als Erfinder genannt worden

wendet wird, als Bestandteil von Hochspannungsgeräten aus bekannten Gründen völlig unbrauchbar. Fiber ist stark hygroskopisch und neigt zu starken Quellungen und anderen Formänderungen in feuchter Atmosphäre, die sich gerade bei einer dünnwandigen und großflächigen Kammer äußerst nachteilig auswirken. Hartgummi neigt bei stromschwachen Lichtbögen zur Bildung leitender Rückstände an der Oberfläche, und von den üblichen Isolierschichtstoff en in der Elektrotechnik auf Phenolharzbasis ist es bekannt, daß sie nicht lichtbogenbeständig sind und unter der Einwirkung von Hitze an ihrer Oberfläche verkohlen.
Obwohl die Erfahrung zeigt, daß es vorteilhaft ist, für den Bau einer Schlitzkammer einen Werkstoff zu verwenden, der unter dem Einfluß der Lichtbogenwärme in gewissem Umfang Gas abgibt, ist es nicht zutreffend, den Löschvorgang in einer solchen Kammer primär der Einwirkung dieser Gase zuzuschreiben und ihn mit dem sogenannten »Gasschalter« zu identifizieren. Für die zuletzt genannte Klasse der Schalter ist charakteristisch, daß das Löschgas in einen Zustand hohen Druckes versetzt wird und plötzlich mit hoher Geschwindigkeit den Lichtbogenraum durchströmt. Diese Gasströmung entionisiert im Nulldurchgang eines Stromes den Lichtbogen und verhindert die Wiederzündung. Dabei ist es gleichgültig, ob das Gas in Behältern unter Druck gespeichert wird, oder erst durch die Lichtbogenwärme aus der Wandung einer geeignet gestalteten Löschkammer frei gemacht wird. Erforderlich ist in letzterem Fall nur, daß der Löschraum eine anfängliche Drucksteigerung ermöglicht, also geschlossen ist. Die typische Bauform hierfür ist die Löschkammer mit zylindrischem Querschnitt

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(Löschrohr), die an einem Ende fest geschlossen ist, während das andere Ende zu Beginn der Schaltbewegung durch das stift- oder rohrförmig bewegte Schaltglied ausgefüllt wird.

Im Gegensatz hierzu zeigt eine einfache Überlegung, daß der Effekt der Druckspeicherung und des plötzlichen Ausströmens bei der Schlitzkammer nicht vorliegen kann. Bild 1 zeigt eine derartige Kammer, die in der Regel angenähert rechteckige Form besitzt, aufgeschnitten in der Seitenansicht. Die Zeichnung enthält nur die zur Erläuterung des Prinzips unbedingt notwendigen Teile. 1 und 2 sind die Isolatoren des Hochspannungsschalters. 3 ist das Schaltmesser, das bei 4 drehbar gelagert ist und sich mit seinem freien Ende in der Schlitzkammer bewegen kann. Die gestrichelten Linien deuten die Lage des Schaltmessers bei geschlossenem Schalter an; sein freies Ende befindet sich hierbei im Eingriff mit einer Kontaktanordnung 6, die durch entsprechende Aussparungen in den Wänden der Schlitzkammer in diese hineinragt.

Beim Öffnen des Schalters entsteht zwischen der Kontaktanordnung 6 und dem freien Ende des Schaltmessers 3 ein Lichtbogen, der in der Schlitzkammer brennt (x).

Die Schlitzkammer muß mindestens an zwei Kanten a-c und a-b often sein, um den Eintritt des Schaltmessers zu ermöglichen. Bei der Betrachtung dieser Anordnung ist es einleuchtend, daß eine Druckspeicherung des etwa aus den Kammerwänden gebildeten Löschgases nicht möglich ist. Das entstehende Gas kann vielmehr ohne weiteres abströmen, wobei es die Tendenz hat, den Lichtbogen vor sich herzutreiben. Nach der einen Seite b-d kann dies durch Schließen der Kammerwände verhindert werden. Dies hat indessen zur Folge, daß eine Bewegungstendenz in entgegengesetzter Richtung entsteht. Bei sehr heftiger Gasentwicklung entsteht die Gefahr, daß der Fußpunkt des Lichtbogens am Schaltmesser entlang in Richtung des Drehpunktes wandert (strichpunktierte Linie x-x), wodurch sowohl die Gesamtlänge des Lichtbogens als auch die in der Löschkammer brennende Teillänge verkürzt und die Löschbedingungen verschlechtert würden. Eine zu kräftige Gasbildung ist bei der Schlitzkammer deshalb nachteilig.

Bei geschlossenen, vorwiegend rohrförmig ausgebildeten Löschkammern nimmt die Löschwirkung mit wachsendem Strom infolge der sich etwa proportional steigernden Gas- bzw. Druckentwicklung stetig zu; eine Grenze für die Schaltleistung wird allein durch die mechanische Festigkeit des Löschrohres gezogen. Dagegen haben derartige Schalter in der Regel Schwierigkeiten, kleine und mittlere Stromstärken befriedigend zu löschen, bei denen die geringe Gasbildung nicht ausreicht, einen genügenden Druck zu erzeugen. Im Gegensatz hierzu arbeitet die Schlitzkammer bei kleinen und mittleren Stromstärken befriedigend; die Grenze ihrer Verwendbarkeit liegt da, wo durch zu heftige Gasentwicklung der Lichtbogen aus der Kammer herausgetrieben und damit ihrer löschenden Einwirkung entzogen wird, wobei gleichzeitig durch Ionisation des umgebenden Luftraumes die Gefahr eines Überschlags zwischen spannungführenden Teilen besteht.

Da bei der Schlitzkammer ein Strömungseffekt im eigentlichen Sinne nicht in Betracht kommt, ist für eine Erklärung der vorhandenen Löschwirkung in erster Linie die Oberflächenkühlung des Lichtbogens durch die ihm eng benachbarten Kammerwände heranzuziehen. Der Wärmeentzug durch diese ist wesentlich intensiver als in freier Luft, so daß eine

Lichtbogenlöschung bei kürzerer Kontaktentfernung stattfindet. Unterstützt wird diese Anschauung durch Oszillogramme des Abschaltvorganges, bei denen die Lichtbogenspannung den für oberflächengekühlte Lichtbögen typischen Verlauf zeigt. Obwohl demnach eine Gasabgabe aus den Kammerwänden primär für die Löschung nicht erforderlich ist, ist es trotzdem vorteilhaft, für den Bau der Schlitzkammer einen gasabgebenden Werkstoff zu verwenden. Derartige Stoffe widerstehen der Einwirkung eines Lichtbogens verhältnismäßig gut, da eine dünne Gasschicht dessen unmittelbare Einwirkung auf die Werkstoffoberfläche verhindert. Darüber hinaus sorgt das gebildete und aus dem Schlitzraum herausdrängende Gas dafür, daß dem Lichtbogen eine mäßige Geschwindigkeit senkrecht zu seiner Achse erteilt wird. Hierdurch wird einerseits verhindert, daß während der Brenndauer des Lichtbogens immer die gleichen Stellen der Kammerwand von ihm erhitzt werden, wodurch ein rasch fortschreitender Materialverlust bedingt wäre; andererseits wird erreicht, daß der Lichtbogen fortwährend mit neuen, noch relativ kühlen Flächen in Berührung kommt.

Von einem geeigneten Werkstoff muß gefordert werden, daß eine Gasentwicklung zwar in dem ganzen für die Funktion eines Lastschalters wichtigen Strombereich vorhanden ist, daß sie jedoch aus den geschilderten Gründen ein gewisses Maß nicht überschreitet. Die Art bzw. Zusammensetzung des gebildeten Gases spielt selbstverständlich auch eine Rolle. Da es sich bei der Löschung im wesentlichen um eine Oberflächenkühlung handelt, ist anzunehmen, daß gute Wärmeleitungseigenschaften günstig sind.

Neben den physikalischen, die Lichtbogenlöschung betreffenden Eigenschaften sind jedoch auch wirtschaftliche Gesichtspunkte zu berücksichtigen. Es wurde bereits darauf hingewiesen, daß die Lichtbogenlöschkammer einen möglichst geringen Aufwand erfordern und den Trennschalter, dem sie als Zusatzeinrichtung beigefügt wird, nur wenig verteuern soll. Deshalb scheiden chemische Verbindungen, die nur durch besondere und kostspielige Prozesse dargestellt werden können, aus der Betrachtung um so mehr aus, als die verhältnismäßig geringen Mengen, die benötigt werden, eine Fabrikation unrentabel machen würden. Kristalline oder körnige Materialien, die nur mit Hilfe von Bindemitteln zu Formkörpern gestaltet werden können, bedeuten eine Verteuerung der Herstellung ebenso wie solche Stoffe, die nur durch Pressen unter Anwendung von Druck und Hitze in die gewünschte Form gebracht werden können. Dagegen erscheint es günstig, solche Stoffe zu verwenden, die für andere Zwecke bereits in großen Mengen hergestellt werden und deshalb leicht und preiswürdig zu beschaffen sind. Der einfachste Weg zur Herstellung einer Schlitzkammer liegt in der Verwendung plattenförmigen Ausgangsmaterials; es sind daher solche Stoffe als besonders vorteilhaft anzusehen, die in dieser Form handelsüblich sind. Für das Zusammenfügen der Kammer ist die Möglichkeit einer einfach herzustellenden Verbindung der einzelnen Teile erwünscht.

Die vorliegende Erfindung geht von der Feststellung aus, daß unter Berücksichtigung aller in Betracht kommender Gesichtspunkte die sogenannten thermoplastischen Kunststoffe eine besonders gute Eignung zum Bau derartiger Schlitzkammern aufweisen. Als Thermoplaste werden Polymerisationsprodukte bezeichnet, die bis zu Temperaturen von etwa 60 bis IOO⁰ C fest sind, auf Grund einer besonders hohen Beweglichkeit ihrer Moleküle bei weiterer Er-

Claims (4)

wärmung jedoch weich und plastisch werden. Dieser Vorgang ist reversibel; eine Veränderung des Stoffes oder seiner Eigenschaften tritt nicht ein. Auf das Erweichen folgt bei weiterer Wärmezufuhr rasch das Schmelzen und Verdampfen. Hierauf beruht die im allgemeinen sehr gute Widerstandsfähigkeit der Thermoplaste gegen die Einwirkung eines elektrischen Lichtbogens. Bei der Zersetzung des gesamten Materials durch den Lichtbogen wird in gewissem Umfang Wasserstoff frei, dessen außerordentliche Wärmeleitfähigkeit bei hohen Temperaturen bekannt ist und die Kühlung des Lichtbogens begünstigt. Eine Verkohlung der Kammerwand tritt nicht ein, da sie durch die gebildete Gasschicht vor zu starker Erhitzung geschützt wird. Zwar wird bei der Zersetzung aus der Gasphase Kohlenstoff frei, der jedoch zum größten Teil von dem aus der Kammer ausströmenden Gas mitgenommen wird; soweit er sich bei der Abkühlung auf den Kammerwänden niederschlägt, sind die Mengen gering und so fein verteilt, daß eine die Funktion der Löschkammer beeinträchtigende Verminderung des Isolationswiderstandes nicht eintritt. Zu den thermoplastischen Kunststoffen gehören z. B. Polyäthylen, Polyacrylsäureester, Polymetacrylsäureester, Polyvinylchlorid, Polyvinylidenchlorid, Polyvinylcarbazol, Polyisobutylen, Polystyrol u. a. Ein Teil dieser Werkstoffe ist in Plattenform handelsüblich, die ein preiswertes Ausgangsmaterial für den Aufbau einer Schlitzkammer liefern. Das dauerhafte Zusammenfügen der einzelnen Bestandteile der Löschkammer läßt sich durch Schweißen oder Kleben leicht vollziehen. Damit das Einlaufen des Schaltmessers in die Kammer erleichtert und eine sichere Führung gewährleistet wird, ist es zweckmäßig, den Schlitz zwischen den Kammerwänden, an derjenigen Eckea·, auf die das Schaltmesser beim Einschalten auftrifft, zu erweitern. Bei der Verwendung von Thermoplasten kann dies in einfacher Weise durch Aufbiegen nach vorhergehender örtlicher Erwärmung erfolgen. Bild 2 zeigt die perspektivische Ansicht einer in dieser Art mit geringstem Aufwand hergestellten und trotzdem allen praktischen Ansprüchen voll genügenden Schlitzkammer. Einige Thermoplaste eignen sich auch gut zur Herstellung von Formteilen im Spritzverfahren, das insbesondere bei größeren Stückzahlen eine sehr wirtschaftliche Art der Fertigung ergeben kann. Zusammenfassend ist festzustellen, daß die Thermoplaste sowohl die für eine günstige Lichtbogenlöschung in einer Schlitzkammer zu stellenden physikalischen Bedingungen als auch die für eine wirtschaftliehe Fertigung notwendigen Voraussetzungen in einem besonders hohen Maß erfüllen. Selbstverständlich ist es möglich, die herstellungsmäßigen Vorteile nicht auszunutzen und einen thermoplastischen Kunststoff dazu zu verwenden, die mit dem Lichtbogen in Berührung kommende Innenwand einer aus anderem Werkstoff, z. B. Phenolharz-Schichtstoff, angefertigten Schlitzkammer zu bekleiden. Es sind bereits einzelne Thermoplaste für andere Zwecke zum Bau von Hochspannungs-Schaltgeräten vorgeschlagen worden, wobei immer ihre Fähigkeit zur Gasabg'abe und gute Lichtbogenbeständigkeit eine Rolle spielt. Es handelt sich hierbei jedoch um völlig andersartige Aufgabenstellungen, die den dieser Erfindung zugrunde liegenden Gedanken nicht vorwegnehmen. Patentansprüche:

1. Lichtbogenlöschkammer für elektrische Schalter, vorwiegend Hochspannungs-Lasttrennschalter, bestehend aus zwei in geringem Abstand voneinander angeordneten ebenen Wänden mit einem schlitzförmigen Zwischenraum, in dem sich das Schaltmesser nach dem Verlassen des festen Kontaktes eine bestimmte Wegstrecke bewegt, zur Eingrenzung und Löschung des bei der Stromunterbreehung sich bildenden Lichtbogens, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammerwände aus einem thermoplastischen Kunststoff hergestellt oder wenigstens auf dermitdemLichtbogeninBerührungkonimenden Fläche mit einem solchen bekleidet sind.

2. Löschkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß deren Wände z. B. aus Polyäthylen, Polyacrylsäureester, Polymetacrylsäureester, Polyvinylchlorid, Polyvinylidenchlorid, Polyvinylcarbazol, Polyisobutylen, Polystyrol oder Stoffen von ähnlichem chemischem Aufbau bestehen bzw. auf der Innenseite mit einem solchen Stoff ausgekleidet sind.

3. Löschkammer nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Zusammenfügen der einzelnen Bestandteile der Kammer durch Schweißen oder Kleben erfolgt.

4. Löschkammer nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen den Wänden an derjenigen Stelle, auf die das Schaltmesser beim Einschalten auftrifft, durch plastische Verformung, z. B. Aufbiegen, erweitert ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 693 538, 658 697,
580, 737 461, 726 218, 725 471, 711 654, 708 319, 443, 680 261, 673 883, 665 376, 661 809, 661 561, 438, 671 284, 690 910, 746 525, 714 592, 874 929 ;

»Kunststoff-Taschenbuch«, 9. Ausgabe, Verlag
Carl Hauser, München, 1952, S.. 19, 184;

Buch von Alfred I mho f: »Elektrische Isolierstoffe«, Verlag Orell Füssli, Zürich, 1949, 2. Auflage, S. 45.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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