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Isolierte Elektrodendurchführung für Vakuumöfen Beim Betrieb lichtbogengeheizter
Öfen ist die Anlage gefährdet, wenn die Isolation der Elektroden in den Durchführungen
schlecht geworden ist. Ebenfalls gefährdend sind Überschläge zwischen spannungsführenden
Teilen im Gefäß oder in den Durchführungen gegen das Gefäß. Kommt es durch einen
überschlag oder eine Isolationsverschlechterung zu hohen Stromflüssen über den Gefäßmantel
oder über Durchführungsteile, so können diese aufgeschweißt werden. Kühlwassereinbrüche
in den auf hohenTemperaturen befindlichen Ofen sind dann möglich und können zu Explosionen
führen.
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Diese Mängel zu beheben und insbesondere einerseits die Wahrscheinlichkeit
gefährdender Ereignisse zu vermindern und andererseits bei ihrem Eintritt unschädlich
zu machen, ist die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe.
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Bei Öfen, die unter Atmosphärendruck arbeiten, ist die Gefährdung
durch Überschläge oder Kurzschlüsse relativ gering, da man in der Dimensionierung
der Abstände potentialführender Teile frei ist. Dies gilt vor allem für reine Widerstandsheizung
wegen der dort verwendeten niedrigen Spannungen. Bei Lichtbogenheizung sind die
Verhältnisse wegen der höheren Spannungen schon wesentlich weniger günstig. Besonders
schlecht sind die Voraussetzungen für ungefährdeten Betrieb der Anlage bei niedrigen
Drücken, da die Durchschlagsspannungen dann bedeutend kleiner sind.
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Um deutlich zu machen, worin die Schwierigkeiten liegen, ist eine
bekannte Einführung einer Elektrode in einen Ofen im Prinzip in Fig. 1 dargestellt.
Die Elektrodenhalterung 1 ist durch einen Ring 2 elektrisch isoliert an den
äußeren Ofenmantel 3 angeflanscht. Die Elektrode 4 ist durch eine Schiebedichtung
5 vakuumdicht eingeführt; 6 stellt die feuerfeste Auskleidung des
Ofens dar. Der Isolatorring 2 wird durch wasserdurchflossene Mansche 7 und
8 gekühlt. Die Teile 1 und 5 liegen auf Elektrodenpantential.
Der Raum 9 kann zur Wärmeisolierung mit Mauerwerk ausgefüllt werden.
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Bei dieser bekannten Anordnung besteht die Gefahr eines Kurzschlusses
durch Beschädigung des Isolators oder eines Überschlages von der Elektrode oder
der Elektrodenhalterung auf den Flansch am Gefäßmantel. Dieser Gefahr durch bauliche
Maßnahmen zu begegnen, ist schwierig und kostspielig, da alle Metallteile wegen
der sonst auftretenden hohen Wirbelstromverluste aus nichtmagnetischem Material
gerfertigt werden müssen. Nichtmagnetische Werkstoffe sind teuer und schwer bearbeitbar.
Zwar könnte man den Durchmesser der Elekrodenhalterung und den Flanschdurchmesser
am Gefäß so erweitern, daß Überschläge von der Elektrode auf den Mantel durch die
so erhaltene Abstandsvergrößerung nicht mehr möglich sind. Als Gefahrenquelle bleibt
aber der Isolatorring2, an dessen Materialeigenschaften eine Reihe von Bedingungen
gestellt werden muß, nämlichTemperaturbeständigkeit, Isolierfestigkeit bei hohen
Temperaturen und Vakuumdichtigkeit. Die dafür vorhandenen Stoffe können nun aber
nicht für beliebig große Dimensionen gefertigt werden. Dazu kommt, daß die Dicke
des Isolierringes nicht beliebig groß gemacht werden kann, da die für die Isolierung
in Betracht kommenden Stoffe schlecht wärmeleitend sind, und daß daher bei zu großer
Dicke des Isolierringes die Wärine nicht mehr durch die Kühlflansche abgeführt werden
kann.
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Gemäß der Erfindung besteht die zur elektrischen Trennung der Elektrode
vom Ofenmantel dienende Isolation aus zwei Isolatoren, die durch einen Leiter voneinander
getrennt sind. Dabei hat der zwischen dem Leiter und dem Ofenmantel liegende Isolator
von der Elektrode mit Vorteil einen größeren Ab-
stand als der zwischen dem
Leiter und der Elektrode liegende Isolator.
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Die Bedeutung dieser Maßnahmen soll an Hand der nachstehend beschriebenen
Ausführungsbeispiele erläutert werden. Zur weiteren Ausgestaltung der Erfindung
dienende
erfinderische Maßnahmen werden sich gleichfalls aus dieser Erläuterung ergeben.
In der Zeichnung zeigt Fig. 2 einen Längsschnitt durch eine der Erfindung
entsprechend gestaltete Durchführung, Fig. 3 ein Beispiel für eine Überwachungsschaltung
und Fig. 4 und 5 weitere Beispiele- für solche Schaltungen.
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Der Unterschied zwischen der Durchführung nach Fig. 1 und der
nach Fig. 2 besteht darin, daß zwischen der Elektrodenhalterung 1, die auf
Elektrodenpotential liegt, und dem Gefäßflansch 7, der auf Erdpotential Regt,
ein durch den Ring 2 gegen das Gefäß und durch einen Ring 10 gegen die Elektrodenhalterung
isoliertes Zwischenstück. 11 aus Metall angebracht ist. Die Flansche 12 und
13 des isolierten Zwischenstückes sind wassergekühlt, um ein Überhitzen der
Isolatoren 2 und 10 zu verhindern. Der Gefäßflansch 7 hat einen wesentlich
größeren Innendurchmesser als das isolierte Zwischenstück. Dadurch werden überschläge
von der Elektrode auf den Gefäßflansch unwahrscheinlich. Die Überschlagsgefahr kann
weiter durch den Einbau eines Schamotterohres 14 zwischen Gefäßflansch und Elektrode
vermindert werden. Auch Auskleiden des Raumes 15 mit Mauerwerk kann in dieser
Beziehung zweckmäßig sein.
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Die, Aufteilung der Isolation in zwei Isolatoren 2 und 10,
die durch den Leiter 11 voneinander getrennt sind, setzt die Wahrscheinlichkeit,
daß die Isolierringe defekt werden, Überschlage an ihnen, auftreten oder sich direkte
Überschläge von der Elektrode auf den potentialtrennenden Teil ereignen, wesentlich
herunter, da das Potential zwischen den Elektroden und dem Gefäßmantel unterteilt,
die Höhe der Spannungen zwischen leitenden Teilen also geringer wird als ohne Einbau
des Zwischenstückes 11. Außerdem kann ein trotzdem auftretender Kurzschluß
oder überschlag nunmehr angezeigt werden. Dies kann auf verschiedene Weise geschehen.
Sinken die Isolationswiderstände der Ringe 2 oder 10 unter einen bestimmten
Wert, so kann die Anzeigevorrichtung zum sofortigen Abschalten der Ofentransformatorspannung
benutzt werden. Strenggenommen sind Beschädigungen an der Elektroneneinführung oder
an dem Gefäßmantel nur möglich, wenn ein Kurzschluß oder überschlag an mindestens
zwei Elektroden auftritt. Es ist also ausreichend, bei zweiphasigem Betrieb der
Anlage eine und bei dreiphasigem Betrieb zwei Durchführungen mit potentialtrennenden
Zwischenstücken 11 auszustatten. Zur weiteren Erhöhung der Sicherheit und
zur Schaffung eines einheitlichen Auf-
baues ist jedoch die Ausstattung sämtlicher
Durchführungen mit Zwischenstücken zu empfehlen.
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Das Potential des Zwischenstückes stellt sich nach den Isolationswiderständen
und Kühlwasserwiderständen auf einen Wert zwischen Sternspannung und Erde ein. Die
Größe dieser Widerstände liegt bei Werten von etwa 50 000 Ohm. Diese Werte,
können infolge von Leitfähigkeitsänderung des Kühlwassers um etwa 7511/o nach oben
und unten schwanken.
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Um von den genannten Schwankungen der Isolationswiderstandswerte unabhängig
zu sein, sind in Fig. 3 den Isolatoren 2 und 10 Widerstände,
16 und 17 parallel geschaltet. Diese Wiedrstände sind klein gegen
die Isolationswerte unter normalen Bedingungen, jedoch groß gegen den durch irgendeine
unerwünschte Ursache verringerten Isolationswiderstand, bei dem der Ofentransformator
durch die Vorrichtung abgeschaltet werden soll. Das Potential des Zwischenstückes
ist durch diese beiden Widerstände unter Normalbedingungen festgelegt. Im allgemeinen
wird man die beiden Widerstände 16 und 17 gleich groß machen. Dann
ist die Spannung zwischen Erde und Zwischenstück 11 gleich der zwischen Elektrodenhalterung
und Zwischenstück. Ist jedoch ein Isolierring etwa wegen höherer Temperaturbeanspruchung
stärker gefährdet als der andere, so kann man die Spannung an ihm durch die Wald
der Widerstände geringer halten. Parallel zu den Widerständen 16 und
17 liegen Relais 18 und 19.
Jedes dieser Relais spricht an,
wenn die an ihm liegende Spannung einen bestimmten Minderwert unterschreitet. Dieser
Wert ist so eingestellt, daß er erst bei erheblichem Absinken des zugeordneten Isolationswiderstandes
erreicht wird. Das Relais löst entweder ein Warnsignal aus oder schaltet den Ofen
automatisch ab.
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In Fig. 4 sind den Isolatoren 2 und 10 wiederum Widerstände16
und 17 parallel gelegt. Diese bilden nut drei weiteren Widerstanden20, 21
und 22 eine Brückenschaltung, in der 22 die Diagonale ist. Die Widerstände werden
so gewählt, daß die Brücke abgeglichen, die Diagonale also stromlos ist, solange
die Widerstände, der Isolatoren 2 und 10 ihre, normalen Werte haben- Erst
bei erheblicher Abweichung davon spricht wie in Fig. 3 ein Relais an, das
in Fig. 4 nicht gezeichnet und der Diagonale 22 parallel geschaltet ist.
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Die Brückenschaltung hat den Vorteil, daß man mit einem Relais auskommt.
Der Umstand, daß das Relais nicht anspricht, wenn beide Isolatoren ihre Widerstände
gleichzeitig proportional ändern, ist von geringer praktischer Bedeutung, da der
Eintritt dieses Falles unwahrscheinlich ist.
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Geeignete Werte für den Fall, daß das Zwischenstück 11 auf
der halben künstlichen Sternspannung liegen soll, sind je 1000 Ohm für die
Widerstände 16
und 17 und je 500 Ohm für die Widerstände 20,
21 und 22.
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Sind alle Elektroden mit zwei durch einen Leiter getrennten Isolatoren
ausgerüstet, so kann man beim Auftreten eines ersten isolationsfehlers das Signal
des Relais, das darauf angesprochen hat, speichern, ohne den Ofen abzuschalten.
Erst wenn auch an einer zweiten Durchführung ein Fehler auftritt, -bewirkt dann
das darauf ansprechende Relais die Ab-
schaltung in Verbindung mit dem gespeicherten
Signal-Um eine Sicherung auch für den unwahrscheinlichen Fall einer gleichzeitigen
Senkung oder Überbrückung der beiden Isolationswiderstände zu schaffen, ein Fall,
der bei direktem überschlag von der Elektrode zum Mantel immerhin eintreten könnte,
kann man sich der Schaltung nach Fig. 5 bedienen. Dort sind sämtliche Zwischenstücke
11 je Über ein LC-Reihenglied 23, 24 an den Mittelpunkt
25 eines aus Widerständen 26 bestehenden künstlichen Sternes angeschlossen,
dessen Schenkel mit den direkt zu den Elektroden 4 führenden, vomTransforniator
27 kOmmenden Leitungen 28 verbunden sind. Die gemeinsame Leitung
29 enthält ein weiteres LC-Reihenglied 30, 31. Den Kondensatoren
23 ist je ein Relais 32,
dein Kondensator 30 eine Gleichstromquelle
33 parallel geschaltet. Es ist hiernach ohne weiteres ersichtlich, daß stets
mindestens eines der Relais 32 anspricht, wenn der Widerstand eines oder
mehrerer
Isolatoren unzulässig sinkt. Dabei dienen die LC-Glieder
zur Trennung des Wechselstromes vom Gleichstrom.