DE1170032B - Schaltanordnung fuer Gleich- und Wechselstrom - Google Patents

Schaltanordnung fuer Gleich- und Wechselstrom

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Publication number
DE1170032B
DE1170032B DEL31656A DEL0031656A DE1170032B DE 1170032 B DE1170032 B DE 1170032B DE L31656 A DEL31656 A DE L31656A DE L0031656 A DEL0031656 A DE L0031656A DE 1170032 B DE1170032 B DE 1170032B
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DE
Germany
Prior art keywords
isolating
switching arrangement
voltage
arc
alternating current
Prior art date
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Pending
Application number
DEL31656A
Other languages
English (en)
Inventor
Dr-Ing Floris Koppelmann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Original Assignee
Licentia Patent Verwaltungs GmbH
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Filing date
Publication date
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Publication of DE1170032B publication Critical patent/DE1170032B/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01HELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H33/00High-tension or heavy-current switches with arc-extinguishing or arc-preventing means
    • H01H33/02Details
    • H01H33/04Means for extinguishing or preventing arc between current-carrying parts
    • H01H33/14Multiple main contacts for the purpose of dividing the current through, or potential drop along, the arc

Landscapes

  • Arc-Extinguishing Devices That Are Switches (AREA)

Description

  • Schaltanordnung für Gleich- und Wechselstrom Die Erfindung betrifft eine Schaltanordnung für Gleich- und Wechselstrom mit synchron arbeitender Mehrfachunterbrechung.
  • Es ist bekannt, daß die Zündung einer Entladung durch eine Luftstrecke mindestens etwa 350 V erfordert. Auf dieser Tatsache beruhen die Deion-Schalter; welche bei höheren Spannungen die Wiederzündung eines erloschenen Schaltlichtbogens dadurch verhindern, daß sie den Schaltlichtbogen durch metallische Zwischenwände in viele Teillichtbögen auftrennen.
  • Weiterhin sind Schaltanordnungen für Wechselstrom bekanntgeworden, welche eine synchron arbeitende Mehrfachunterbrechung aufweisen. Beispielsweise sind drei in Reihe geschaltete Trennstrecken vorgesehen. Infolge der geringen Kontäkttrennungsentfernung kann bei dieser Anordnung ein Lichtbogen von höchstens 1 mm Länge auftreten. Bei dieser und derartigen weiteren Anordnungen ist es nicht mehr neu, den Schalter in Abhängigkeit der Stromkurve des abzuschaltenden Wechselstromes insbesondere etwas vor dem Stromnulldurchgang synchron zu öffnen.
  • Außerdem sind Anordnungen bekannt, die-Anzahl der einzelnen Trennstrecken in Abhängigkeit von den Verhältnissen der Spannung, des Stromes und des Spannungsabfalles in den Unterbrechungslichtbögen zu bemessen.
  • Es stellt eine allgemein bekannte Maßnahme dar, zu dem oder den Lichtbogenkontakten einen Parallelschalter vorzusehen. Auch sind Parallelpfade mit Kondensatoren, Widerständen und Gleichrichtern bekannt.
  • Im.Gegensatz hierzu handelt es sich bei der Erfindung um die Ausnutzung einer anderen Tatsache, nämlich der Tatsache, daß für die Existens eines Lichtbogens eine Mindestspannung von etwa 10V erforderlich ist, nämlich die Spannung für den Kathoden-und Anodenfall. Dies gilt unabhängig von der Stromstärke zwischen etwa 1 A und beliebig großen Strömen.
  • Die Erfindung betrifft eine Schaltanordnung für Gleich- und Wechselstrom mit synchron arbeitender Mehrfachunterbrechung. Erfindungsgemäß ist die Zahl der in Reihe geschalteten Trennstrecken (n) mindestens gleich dem Quotienten aus der treibenden Spannung (E) des Stromes und der Brennspannung (UB), etwa 10 V, nämlich als Spannungssumme des Anoden- und Kathodenfalles eines an den Trennstrecken auftretenden Lichtbogens Der Vorteil der vorliegenden Anordnung liegt darin, daß eine eindeutige Lehre für die Bemessung der Anzahl vorzusehender Trennstrecken unter Voraussetzung einer sicheren Lichtbogenvermeidung gegeben wird.
  • Die Ausbildung eines Lichtbogens beim Öffnen eines mechanischen Schalters wird dadurch vermieden, daß viele in Reihe geschaltete Trennstrecken verwendet werden, so däß auf jede Trennstrecke nur eine Spannung entfällt, die kleiner ist als die Mindestbrennspannung eines Lichtbogens. Auf diese Weise ist die Entstehung eines Lichtbogens von vornherein verhindert, im Gegensatz zu einem Deion-Schalter, bei dem zunächst ein längerer Lichtbogen gezogen und dieser in mehrere Teillichtbögen aufgespalten wird, so daß nach der Löschung des Lichtbogens im Stromnulldurchgang die Wiederzündung, die je Trennstrecke- mindestens 300 V verlangt, verhindert ist.
  • Um die Lichtbogenbildung vollständig zu unterdrücken, müßte die Öffnung der in Reihe geschalteten Trennstrecken vollkommen gleichzeitig erfolgen. Dies kann praktisch nur angenähert verwirklicht werden; daher müssen bei dem Schalter nach der Erfindung kurzzeitige Lichtbögen in Kauf genommen werden. Ihre Brenndauer entspricht der Zeitdifferenz der Öffnungsaugenblicke der einzelnen Trennstrecken gegeneinander, die praktisch je nach der Konstruktion 10-3 Sekunden oder kleiner sein kann. In besonderen Fällen kann es zweckmäßig sein, dieser Zeitdifferenz absichtlich eine bestimmte Größe zu geben, vor allem, wenn der zu unterbrechende Stromkreis Induktivität enthält. Denn die magnetische Energie 0,5 - L - 12 des Stromkreises verhindert ein plötzliches Abhacken des Stromes. Für die Brenndauer 4 t des Schaltlichtbogens gilt in diesem Fall die Gleichung Dabei ist L die Induktivität und 1 der Strom des Stromkreises; n ist die Zahl der Trennstrecken, UB die mittlere Brennspannung jeder Trennstrecke und J t die Brenndauer. Man sieht aus dieser Gleichung, daß man durch Erhöhung der Zahl n die Brenndauer :A t des Schaltlichtbogens beliebig abkürzen kann, allerdings wird dabei unter Umständen die Gesamtspannung n - uB am Schalter größer als die Netzspannung, d. h., es tritt eine Überspannung von der Größe n - uB auf. Im Gegensatz zu anderen Fällen ist diese Überspannung definiert, d. h. durch die Zähl n der Trennstrecken in die Hand der Konstrukteure gelegt. Die Brennspannung uB des Bogens beträgt mindestens 10 bis 15 V, mit wechselnder Bogenlänge steigt sie schon bei Längen von wenigen zehntel Millimetern auf 20 bis 40 V an. Ebenso kann sie kurz vor dem Erlöschen des Stromes, d. h. beim Überschreiten des für eine Bogenentladung gültigen Mindeststromwertes von etwa 0,5 A, stark anwachsen. Damit dabei keine Überspannung auftritt, können Dämpfungsglieder parallel zu allen oder zu einem Teil der Trennstrecken geschaltet werden. Verwendet man Kondensatoren parallel zu allen oder zu einem Teil der Trennstrecken, so läßt sich vollkommene Lichtbogenfreiheit der Unterbrechung auch bei kleinen Zeitdifferenzen der einzelnen Schaltzeitpunkte gegeneinander und auch in induktiven Kreisen erzielen, wenn die Kondensatoren so groß gewählt werden, daß der Spannungsanstieg an ihnen im Augenblick der Kontaktöffnung nicht größer als etwa 107 bis 10s V/s beträgt. An sich sind derartige Nebenwege zum Schalter zur Vermeidung von Lichtbögen bekannt, sie haben aber bei dem Schalter nach der Erfindung besondere Bedeutung. Während nämlich bei einem normalen Schalter mit einer Trennstrecke bei einer geringen überschreitung des zulässigen Spannunganstieges von 106 bis 107 V!s Stehlichtbogenzündung auftritt, wird bei dem Schalter nach der Erfindung ein etwa entsprechender Lichtbogen sofort nach Öffnung einer genügenden Zahl von Trennstrecken erlöschen, da die erforderliche Spannung für Kathoden- und Anodenfall nicht vorhanden ist. Das heißt also: Man braucht bei dem Schalter nach der Erfindung die Parallelkondensatoren nicht so auszulegen, daß sie mit Sicherheit die Bogenzündung verhindern, sondern nur so, daß sie diese Bogenzündung wahrscheinlich verhindern; in Einzelfällen, in denen durch unglückliche Zufälle ein Bogen gezogen wird, vermag die Reihenschaltung der Trennstrecken diesen Bogen sofort zu unterdrücken.
  • Da eine Reihenschaltung vieler Trennstrecken einen entsprechend großen Spannungsabfall des Stromes in geschlossenem Zustand zur Folge hat, kann es bei größeren Strömen zweckmäßig sein, den Schalter nach der Erfindung durch einen parallel geschalteten niederohmigen Kontakt zu überbrücken. Dieser Überbrückungsschalter wird beim Einschalten kurz vor der Öffnung der Reihenschaltung der Trennstrecken nach der Erfindung geöffnet.
  • Die Anordnung nach der Erfindung eignet sich besonders dazu, bei Wechselstrom die Schalteröffnung synchron mit dem Stromnulldurchgang vorzunehmen. Die Schwierigkeit der synchronen öffnung besteht bei normalen Schaltern darin, daß sie sofort zu Rückzündungen führt, wenn der öffnungszeitpunkt auch nur geringfügig hinter den Strommülldurchgang fällt, was sowohl durch mechanische Ungenauigkeiten der Auslösung als auch durch elektrische Verschiebungen des Stromnulldurchganges hervorgerufen werden kann. Beim Schalter nach der Erfindung spielt eine solche ungewollte Verschiebung des Öffnungszeitpunktes hinter den Stromnulldurchgang keine Rolle, da infolge der vielen Trennstrecken der zunächst noch kleine Strom hinter dem Nulldurchgang in gleicher Weise abgehackt wird wie ein solcher Strom kurz vor dem Nulldurchgang.
  • Der Schalter nach der Erfindung eignet sich auch für häufige, insbesondere für periodische Schaltvorgänge. Beispielsweise kann er als Gleichstromzerhacker zur Erzeugung von Wechselstrom benutzt werden, wobei praktisch beliebige Leistungen erzielbar sind. Denn es ist einfach möglich, mit mechanischen Kontakten Ströme von Tausenden von Ampere zu beherrschen. Auch bei solchen Strömen ist die Mindestbrennspannung eines Bogens 10 bis 15 V. Schaltet man genügend viele Trennstrecken in Reihe, kann das Prinzip der Erfindung auch auf Hochspannungsschalter angewendet werden.
  • Ebenso sind je nach dem Verwendungszweck Kontaktmaterialien zu wählen, welche entweder kleinen Übergangswiderstand, wie Silber und Silberlegierungen, oder hohe Lichtbogenfestigkeit, wie Wolfram oder wolframlegierte bzw. -gesinterte Materialien, haben.
  • Da der Schalter nach der Erfindung eine zwangsweise und definierte Unterbrechung bzw. Verhinderung des Schaltlichtbogens ermöglicht, eignet er sich besonders für Grenzfälle, d. h. extrem hohe Gleich-oder Wechselspannung und für extrem hohe Gleich-oder Wechselströme, wie sie beispielsweise bei der Gleichstromhöchstspannungsübertragung oder bei der Kernfusion auftreten.
  • Die Ausführung des Schalters nach der Erfindung ist nicht auf Trennstrecken in atmosphärischer Luft beschränkt, vielmehr können die Schaltstrecken auch im Vakuum, bei vermindertem oder erhöhtem Gasdruck, wobei statt atmosphärischer Luft auch andere Gase benutzt werden können, angewendet sein. Ebenso kann es zweckmäßiger sein, die Schaltstrecken in Flüssigkeit anzuordnen, beispielsweise bei Hochspannungen in isolierenden Flüssigkeiten, wobei diese unter statischen Überdruck gesetzt werden können. Auch die Anordnung in leitenden oder halbleitenden Flüssigkeiten kann in besonderen Fällen von Vorteil sein.

Claims (1)

  1. Patentansprüche: 1. Schaltanordnung für Gleich- und Wechselstrom mit synchron arbeitender Mehrfachunterbrechung, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahl der in Reihe geschalteten Trennstrecken (n) mindestens gleich dem Quotienten aus der treibenden Spannung (E) des Stromes und der Brennspannung (uB), etwa 10 V, nämlich als Spannungssumme des Anoden- und Kathodenfalles eines an den Trennstrecken auftretenden Lichtbogens ist: 2. Schaltanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet; daß zu mindestens einem Teil der Trennstrecken Nebenwege in Form von Kondensatoren, Widerständen, Gleichrichtern, Transistoren usw. geschaltet sind. 3. Schaltanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die n in Reihe geschalteten Trennstrecken durch einen parallel angeordneten Schalter überbrückt werden, der kurz vor den Trennstrecken öffnet. 4. Schaltanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung der Schaltanordnung derart synchron mit dem Wechselstrom erfolgt, daß sie in der Nähe seines Nulldurchganges, insbesondere etwas vor dem Nulldurchgang, erfolgt. 5. Schaltanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reihenschaltung der Trennstrecken im Vakuum oder in einem Medium (Gas, Flüssigkeit) mit gegenüber der Umgebung abweichendem Druck angeordnet ist. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 212 303, 273 895, 346 715, 546 266, 547 270, 594 755, 604 817, 619 461, 648 888, 734134, 914145, 105 696.
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