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Einrichtung zum Schälten elektrischer Leistungen Die Erfindung bezieht
sich auf Einrichtungen zum Schalten, insbesondere Unterbrechen von Leistungen. Bekanntlich
bereitet in Hochspannungskreisen, vor allem in Gleichstromkreisen, die Löschung
des beim Abschalten solcher Stromkreise entstehenden Lichtbogens erhebliche Schwierigkeiten.
Dieser Lichtbogen kann, außer bei einem natürlichen Stromnulldurchgang, nur dann
gelöscht werden, wenn die zum Aufrechterhalten des Lichtbogens notwendige Lichtbogenspannung
größer wird als die äußere Spannung des Stromkreises. Dies bedeutet jedoch bei Hochspannung,
daß der Lichtbogen sehr lang gezogen werden muß unter gleichzeitiger Anwendung von
Mitteln zur Erhöhung der Brennspannung, z. B. durch Kühlung und Blasung. Hierdurch
wird der Aufwand für einen brauchbaren Gleichstromschalter untragbar hoch, ganz
abgesehen davon, daß selbst bei Anwendung aller bekannten Mittel zur Erhöhung der
Brennspannung nur eine elektrische Feldstärke im Lichtbogen von etwa 100 V!cm maximal
erreichbar ist und somit der Verwendung solcher Schalter für höhere Spannungen Grenzen
gesetzt sind.
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Ein anderes bekanntes Verfahren zur Löschung eines Gleichstromlichtbogens
besteht darin, dem Lichtbogen eine Gegenspannung zuzuführen, deren Stromstärke oder
Spannung größer als die augenblickliche Stromstärke bzw. Spannung des zu löschenden
Lichtbogens ist, so daß also praktisch ein künstlicher Nulldurchgang geschaffen
wird. Dies ist aber auch nur unter Verwendung zusätzlicher Schalteinrichtungen,
wie Kondensatoren und/oder Stromquellen möglich, was ebenfalls zu einem zu hohen
Aufwand führt. Die Betriebsspannung selbst zur Bildung der Gegenspannung zu benutzen,
was auch bereits vorgeschlagen wurde, führt günstigenfalls ohne besondere zusätzliche
Mittel zu einer der Abschaltstromstärke annähernd entgegengesetzt gleichen Gegenstromstärke,
wodurch jedoch eine sichere und rasche Löschung des Abschaltlichtbogens nicht gewährleistet
ist.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schalteinrichtung, insbesondere
für hohe Gleichspannungen, zu schaffen, die die Nachteile der bekannten Einrichtungen
dieser Art, insbesondere den hohen Aufwand, weitgehend vermeidet.
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Es ist eine Anordnung bekanntgeworden, die es ermöglicht, sehr hohe
Brennspannungen zu erzeugen. Diese Anordnung besteht aus einer Gasentladungsstrecke
mit koaxial zylindrischen Elektroden, bei welcher der Gasentladungsraum von einem
Magnetfeld durchsetzt wird und die Zylinderfunkenstrecke durch eine Stoßspannung
zum Durchzünden gebracht wird, wodurch im Entladungsraum ein unter dem Einfluß der
elektrischen und magnetischen Felder rasch rotierendes Plasma erzeugt wird. Eine
solche Anordnung ist als Schalter nicht brauchbar, da vor der Abschaltung, bei der
die hohe Brennspannung benötigt wird, keine leitende Verbindung zwischen den Elektroden
besteht und daher kein Strom fließen kann. Die zündende Stoßspannung ist in dem
Zeitpunkt, in dem der Schalter schalten soll, im allgemeinen nicht vorhanden.
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Die Erfindung geht nun von einer Entladungsstrecke aus, zwischen deren
Elektroden ein elektrisches sowie ein oder mehrere dazu senkrechte magnetische Felder
vorhanden sind, die bewirken, daß ein durch eine Stoßspannung im Entladungsraum
erzeugtes Plasma rasch rotiert und dabei eine hohe Brennspannung erhält. Erfindungsgemäß
wird diese Entladungsstrecke als Leistungsschalteinrichtung, insbesondere für hochgespannten
Gleichstrom, in der Weise verwendet, daß die Stoßentladung durch einen Lichtbogen
ersetzt wird, dessen Plasma mit hoher Geschwindigkeit in das kombinierte elektrische
und magnetische Feld eingebracht wird.
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Bei geeigneter Bemessung der Elektroden, des Mediums im Entladungsraum,
der zweckmäßig unter Unterdruck steht, sowie der Magnetfeldstärke erreicht man mit
einer solchen Einrichtung Brennspannungen von etwa 1000 V/cm und darüber. Theoretisch
liegt die Grenze noch bedeutend höher. Als Medium wird beispielsweise in an sich
bekannter Art Wasserstoffgas verwendet; wobei der Gasdruck 10-3 bis 10-g Torr beträgt.
Das Plasma des Lichtbogens beginnt
dann unter der Wirkung des elektrischen
und des magnetischen Feldes zu rotieren und erreicht dabei Geschwindigkeiten von
etwa 5 - 106 cm/sec in Wasserstoff.
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Zur Erzeugung der Magnetfelder können sowohl Permanentmagnete als
auch Elektromagnete sowie Kombinationen beider verwendet werden. Um möglichts hohe
Brennspannungen zu erzielen, sind große Elektrodenabstände und sehr starke Magnetfelder
erforderlich. Zweckmäßig verwendet man fremderregte oder durch den Kurzschlußstrom
erregte Elektromagnete. Besonders starke Magnetfelder können neuerdings durch Verwendung
von Supraleitern für das Spulenmaterial des Elektromagneten erreicht werden. Hierbei
wird zugleich eine Gewichtsersparnis von bis zu 70 % und eine Verringerung der »Kupfer«-verluste
um etwa 98% erzielt. Um besonders leistungsstarke Gleichstromschalter zu erhalten,
werden daher in den Anordnungen gemäß der Erfindung Magnetfelder in der Größenordnung
von etwa 50- bis 300-Kilo-Gauß verwendet, zu deren Erzeugung Spulen aus supraleitenden
Spezialmaterialien dienen.
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Mit einem elektrischen und einem dazu senkrecht stehenden magnetischen
Feld arbeitende Entladungsstrecken, die zum Schalten benutzt werden, sind an sich
bekannt. Doch handelt es sich hierbei um die Ablenkung von Elektronenstrahlen in
bestimmte Richtungen, wodurch die Schaltvorgänge ausgelöst werden. An eine schnell
rotierende Bewegung der Elektronenstrahlen in einem Magnetfeld zur Erzeugung einer
hohen Spannung ist hierbei aber nicht gedacht.
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Im folgenden sollen einige Ausführungsmöglichkeiten für Gleichstromschalter
beschrieben werden, die nach dem Erfindungsprinzip arbeiten.
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In F i g. 1 ist zunächst die bekannte Anordnung einer Funkenstrecke
gezeigt, die aus zwei koaxial zueinander angeordneten zylindrischen Elektroden
1
und 2 besteht, die beiderseits durch Isolierscheiben 3 abgedeckt sind, so
daß zwischen den Elektroden ein dicht abgeschlossener Entladungsraum gebildet wird,
der evakuiert ist. Der Entladungsraum steht also unter Unterdruck, wobei als Gas
Luft, vorzugsweise jedoch Wasserstoff, verwendet ist. Ober-und unterhalb des so
gebildeten Entladungsgefäßes befinden sich Magnetanordnungen 4, die so ausgebildet
sind, daß sie im Entladungsraum ein senkrecht auf dem radialen elektrischen Feld
stehendes axiales magnetisches Feld 5 erzeugen. Wird in einer solchen Anordnung
an die Elektroden eine Stoßspannung gegeben und dadurch ein überschlag erzielt,
so bildet sich zwischen den Elektroden ein Plasma, das unter der kombinierten Wirkung
der elektrischen und magnetischen Felder zu rotieren beginnt, wobei sehr hohe Geschwindigkeiten,
in Wasserstoff z. B. etwa 5 - 106 cm/sec, erreicht werden. Dabei entsteht
eine Gegenspannung, die Brennspannung, welche proportional ist dem Elektrodenabstand,
der magnetischen Feldstärke und der Umlaufgeschwindigkeit des Plasmas. Als Schalter
ist diese Anordnung jedoch aus den oben bereits angegebenen Gründen nicht brauchbar.
Hierzu ist es vielmehr notwendig, daß zunächst eine gut leitende Verbindung zwischen
den Elektroden vorhanden ist, die dann durch einen Lichtbogen ersetzt wird.
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Diese gut leitende Verbindung kann in einfacher Weise dadurch geschaffen
werden, daß man, wie F i g. 2 zeigt, die Elektroden durch einen oder mehrere Drähte
6 verbindet. Man erhält so eine Hochspannungssicherung vornehmlich für Gleichspannung.
Bei explosionsartigem Durchbrennen dieser Drähte entsteht in dem Entladungsraum
ein Lichtbogen, dem in den gekreuzten elektrischen und magnetischen Feldern eine
hohe Geschwindigkeit senkrecht zu diesen erteilt wird. Die Explosion des Drahtes
kann auch in an sich bekannter Weise durch äußere Sprengmittel, vornehmlich jedoch
durch schlagartiges Verdampfen infolge eines überstromes, erfolgen. Es ist festgestellt
worden, daß kurz vor der explosionsartigen Expansion des Leitermaterials in diesem
sehr hohe elektrische Feldstärken entstehen, wodurch eine günstige Voraussetzung
zum Erreichen noch höherer Feldstärkewerte nach dem Verdampfen in der Anordnung
geschaffen wird. Erreicht die dabei entstehende Brennspannung etwa die äußere Spannung
bzw. wird sie größer als diese, so kommt der Lichtbogen zum Erlöschen.
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Man kann nun, wie in F i g. 3 dargestellt ist, als leitende Verbindung
zwischen den Elektroden auch zwei radial bewegliche Schaltstifte 7 und 8 vorsehen,
die in bei Schaltern üblicher Weise, z. B. mittels Druckluft od. dgl., rasch auseinanderbewegt
werden können. Der Antrieb dieser Schaltstifte ist in der Zeichnung nur durch in
Zylindern geführte und mit den Stiften verbundene Kolben 9 und 10 angedeutet. Der
beim Trennen der Stifte entstehende Lichtbogen wird durch das starke Magnetfeld
rasch in ein schnell rotierendes Plasma übergeführt. Die dabei entstehende hohe
Brennspannung führt zum Erlöschen des Lichtbogens. Die Kontaktbewegung erfolgt dabei
sehr rasch, beispielsweise in einem Zeitraum von etwa 1 bis 10 ms.
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Eine weitere Ausführungsmöglichkeit ist in F i g. 4 gezeigt. Hier
sind die Schaltstifte durch eine mit der Innenelektrode 1 leitend verbundene elektrisch
leitende und auf einer Welle exzentrisch aufgebrachte Scheibe 1 ersetzt, die in
der einen Endlage (1) an der Außenelektrode anliegt. Diese Scheibe kann auch selbst
die Innenelektrode darstellen. Durch Verdrehen der Scheibe wird der Kontakt mit
der Außenelektrode aufgehoben und in dem entstehenden Spalt ein Lichtbogen gezogen.
Es wird dabei die bekannte Hörnerwirkung ausgenutzt, bei der durch das Eigenfeld
des Lichtbogenstromes eine rasche Ausweitung des Lichtbogens erzielt wird. Die in
der Zeichnung mit 1I bezeichnete Scheibenstellung ist eine Zwischenstellung, mit
111 ist die andere Endlage bezeichnet.
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Infolge des Eigenfeldes des Stromes und der Hörnerwirkung der Elektroden
im äußeren Magnetfeld wird dem Lichtbogenplasma eine hohe tangentiale Geschwindigkeit
erteilt, so daß die Startbedingungen zur Erzeugung hoher elektrischer Feldstärken
erfüllt werden. Schalter nach dieser Anordnung haben den Vorteil, daß die Brennspannung
langsam in Abhängigkeit von der Kontaktentfernung anwächst. Die Kontaktkonstruktion
als Scheibe, die einen größeren Abbrand zuläßt, läßt das Abschalten größerer Ströme
zu.
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Eine weitere Möglichkeit, größere Leistungen zu schalten, besteht
darin, den Lichtbogen c außerhalb der Entladungsstrecke zu zünden und ihn mit möglichst
hoher Geschwindigkeit in den Entladungsraum einzubringen. Eine Anordnung hierfür
ist in F i g. 5 gezeigt. Hier wird der Lichtbogen zwischen zwei auseinander beweglichen
Schaltstiften 7 und 8 gezogen, die sich außerhalb der Entladungsstrecke befinden.
Zwischen
den Schaltstiften und der Entladungsstrecke sind Laufschienen 12, 13 aus Metall
für den Lichtbogen derart angeordnet, daß der zwischen den Stiften gezogene Lichtbogen
auf die Schienen überspringt und zwischen ihnen mit hoher tangentialer Geschwindigkeitskomponente
tangential in den Entladungsraum, den man auch als »Plasma-Kreisel« bezeichnen kann,
einläuft. Diese Laufschienen können vorteilhaft zugleich als Zeitglied oder als
Widerstand ausgebildet sein, wobei sie in letzterem Falle aus Widerstandsmaterial
bestehen.
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Beim Abschalten von Gleichstromkreisen muß vermieden werden, daß zu
hohe Überspannungen auftreten. Es ist daher zweckmäßig, mehrere der in den Beispielen
dargestellen Anordnungen in Reihe zu schalten und z. B. zeitlich nacheinander in
den Kurzschlußkreis einzuschalten. Dies kann erfolgen durch stufenweises Einschalten
der einzelnen Schalteinheiten, z. B. indem mehrere solcher Elektrodenanordnungen
übereinander angeordnet und durch einen axial durchgehenden Schaltstift nacheinander
zur Wirkung gebracht werden. Bei einer Anordnung nach F i g. 4 können beispielsweise
die Exzenterscheiben auf einer Welle sitzen und mechanisch in zeitlicher Aufeinanderfolge
zum Verdrehen und damit zur Unterbrechung der leitenden Verbindung gebracht werden.
Man kann aber auch eine Mehrfachunterbrechung mit mehreren getrennten Antrieben
vorsehen.
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Um das rasch rotierende Plasam in dem Raum der annähernd senkrecht
aufeinanderstehenden elektrischen und magnetischen Felder über längere Zeit zu halten,
können in an sich bekannter Weise magnetische Führungsfelder vorgesehen werden.
Diese Führungsfelder sind ihrerseits wieder nahezu senkrecht zu dem elektrischen
Beschleunigungsfeld und zu dem magnetischen Hauptfeld gerichtet. In dem Beispiel
der koaxialen Anordnung der Elektroden ist das elektrische Feld radial, das magnetische
axial gerichtet, die magnetischen Führungsfelder sind dann vorzugsweise zirkular
gerichtet. Sie bewirken, daß das heiße rotierende Plasma von den Elektroden und!
oder den Wandungen weg gegen die Mitte des Feldraumes hin konzentriert wird.
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Obwohl die beschriebenen Anordnungen vorzugsweise zum Schalten hochgespannter
Gleichströme verwendet werden sollen, sind sie jedoch ebenso als Wechselstromschalter
geeignet.