DE1189607B - Daempfungswiderstand fuer elektrische Schalter - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL:

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

H02c

Deutsche Kl.: 21c-35/02

M54640VIIId/21c
27. Oktober 1962
25. März 1965

Die Erfindung bezieht sich auf einen Dämpfungswiderstand mit negativem Temperaturkoeffizienten für elektrische Leistungsschalter, wobei der Widerstand der Wirkung der Lichtbogenhitze ausgesetzt ist. Es ist ein Dämpfungswiderstand dieser Art bekanntgeworden, der der Leistungsschaltstelle parallel geschaltet ist und aus einem lichtempfindlichen Halbleitermaterial besteht, das bei Bestrahlung seinen Widerstand ändert. Dieser Widerstand hat eine große Wärmeträgheit, wodurch er während einer übermäßig langen Zeit in dem Stromkreis bleibt, so daß er sehr temperaturbeständig ausgeführt werden muß und seine Aufgabe, eine schnelle Löschung des Lichtbogens zu bewirken, nicht gut erfüllen kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Dämpfungswiderstand der oben bezeichneten Art zu schaffen, der eine sehr kleine Zeitkonstante besitzt und raumsparend ausgebildet ist, so daß er eine schnelle Löschung des Lichtbogens bewirkt. Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt gemäß der Erfindung dadurch, daß der Widerstand aus einem dünnen Film besteht, der auf einem elektrisch isolierenden Träger mit guter Wärmeleitfähigkeit aufgebracht ist. Nach dem Trennen der Kontakte erhitzt der Abschaltlichtbogen den als Film ausgebildeten Dämpfungswiderstand, so daß dessen Leitfähigkeit sehr rasch ansteigt. Da der Film parallel zum Abschaltlichtbogen liegt, übernimmt er einen bestimmten Teil des Lichtbogenstromes. Dieser Teilstrom wächst im gleichen Maße, wie der Gesamtstrom sich auf Null verringert, denn von diesem Augenblick an wächst der Widerstand des Lichtbogens, während der aus dem Film bestehende und durch den hindurchfließenden Strom erhitzte Widerstand niederohmiger wird. Schließlich übernimmt dieser Widerstand den ganzen Strom, wodurch der Lichtbogen vorzeitig erlischt. Von diesem Augenblick ab kühlt sich der Widerstand sehr schnell ab, da einerseits der ihn durchfließende Strom gegen Null geht, weil der Lichtbogen nicht mehr besteht, und andererseits, weil die in ihm enthaltene Wärmemenge schnell durch den gut wärmeleitenden Träger hindurch und von einem hinzugeführten kühlenden Gasstrom fortgeführt wird. Der Widerstand erreicht also sehr schnell seinen isolierenden Wert und verhindert einen durch die wiederkehrende Spannung verursachten Stromfluß. Es wird also durch den erfindungsgemäßen Dämpfungswiderstand eine wesentliche Verlängerung der Zeit, die vom Augenblick des Erlöschens des Lichtbogens bis zum Augenblick des Erscheinens eines bestimmten Wertes der wiederkehrenden Spannung vergeht, erreicht. Dadurch verbleibt genügend Zeit zur Entionisation, so daß sich

Dämpfungswiderstand für elektrische Schalter

Anmelder:

Ets. Merlin & Gerin S. A.,

Grenoble, Isere (Frankreich)

Vertreter:

Dr. E. Wetzel, Patentanwalt,

Nürnberg 1, Hefnersplatz 3

Als Erfinder benannt:

Andre Latour, Grenoble, Isere (Frankreich)

Beanspruchte Priorität:

Belgien vom 27. November 1961 (486 961)

ein gegen die wiederkehrende Spannung widerstandsfähiges Dielektrikum bilden kann.

Für derartige Anforderungen muß also die Wärmeträgheit des als Widerstand verwendeten Leiters äußerst gering sein, wodurch andere Formen als die eines dünnen Films ausgeschlossen sind.

Der Dämpfungswiderstand gemäß der Erfindung hat den Vorteil, daß er raumsparend ausgebildet ist und daß durch ihn eine wirksame und schnelle Lichtbogenlöschung erreicht und ein Wiederzünden des Lichtbogens verhindert wird.

Als Film ausgebildete Widerstände sind an sich bekannt, z.B. bei gedruckten Schaltungen und bei Installationsschaltern, insbesondere Walzenschaltern. Sie werden dazu benutzt, ein funkenloses Ein- und Ausschalten zu erreichen. Bei einem solchen bekannten Walzenschalter, dessen Schaltwalze Haupt- und Nebenkontakte aufweist, befinden sich zwischen diesen Haupt- und Nebenkontakten Widerstandsschichten. Beim Einschalten des Schalters werden die Widerstandsschichten kontinuierlich mechanisch überbrückt, also ausgeschaltet, und beim Ausschalten des Schalters kontinuierlich eingeschaltet. Beim Ausschalten erfolgt erst dann ein Unterbrechen des Stromkreises, wenn der Strom nach vollem Einschalten des Widerstandes in dem Hauptstromkreis auf ein Minimum reduziert ist. Dadurch wird eine Funkenbildung vermieden.

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Bei einem weiteren bekannten Walzenschalter sind zu beiden Seiten der diametral auf der Schaltwalze angeordneten Kontakte mit ihnen elektrisch verbundene Widerstandsschichten vorgesehen, deren Dicke gleichmäßig von den Kontakten weg abnimmt. Auch hier wird eine Funkenbildung vermieden.

Durch den erfindungsgemäßen Widerstandsfilm wird im Gegensatz zu den bekannten, mit Widerstandsschichten versehenen Schaltern eine Lichtbogenbildung nicht verhindert, sondern eine sichere und schnelle Lichtbogenlöschung erreicht.

Die den erfindungsgemäßen Dämpfungswiderstand bildenden Filme können aus verschiedenen nichtmetallischen Materialien hergestellt werden. Im allgemeinen sind alle diejenigen Materialien geeignet, bei denen bei mehr oder weniger hoher Temperatur eine Flammenelektrolyse auftritt. Dieses sind insbesondere die Salze zahlreicher Metalle (wobei Voraussetzung ist, daß sie weder hygroskopisch noch flüchtig sind), die Silikate, Borate, Borsilikate und Aluminate, die Alkalimetalle, Erdalkalimetalle oder Metallverbindungen, bestimmte Oxyde wie die des Magnesiums, bestimmte Halbleiter wie Siliziumkarbid.

Der Film kann aus dem Trägerwerkstoff selbst bestehen. So kann z. B. eine Lichtbogenkammer ganz oder teilweise aus einem Porzellanrohr bestehen, dessen innere Oberfläche sich bei Berührung mit dem Lichtbogen verglast und einen Film bildet, der bei hoher Temperatur leitend und bei niedriger isolierend ist, also den gestellten Anforderungen vollständig entspricht.

Noch allgemeiner ausgedrückt besteht der in Form eines Films ausgebildete Widerstand vorteilhafterweise aus einem Überzug, Email oder einer Glasur, die nach bekannten Herstellungsverfahren auf einen Träger, der aus keramischem Werkstoff besteht, aufgetragen wird. Unter den zahlreichen obengenannten Werkstoffen wird der ausgewählt, welcher sich am besten für die Bildung des bei der entsprechenden Temperatur in Form eines Films auftretenden Widerstandes eignet. Dabei ist besonders zu berücksichtigen, daß die Alkalisilikate zu den Werkstoffen gehören, welche eine sehr temperaturempfindliche Leitfähigkeit bei verhältnismäßig niedrigen Temperaturen aufweisen. Das gleiche trifft zu für die Silikate und Borate des Bleies und für bestimmte Salze, wie die des Chlorsilbers. An dem anderen Ende dieser Reihe, d.h. zu hohen Temperaturen hin, befinden sich die Oxyde des Magnesiums, Lithiums, Lanthans, Yttriums, Zirkoniums, Ceriums, Berylliums, Kalziums, die einzeln oder in entsprechenden Gemischen verwendet werden können.

Bei der Wahl des aus keramischem Werkstoff bestehenden Trägers ist zu berücksichtigen, daß er gegen sehr schnelle Temperaturänderung widerstandsfähig sein muß und gleichzeitig gute dielektrische Eigenschaften aufweist. Dies schließt die Verwendung poröser keramischer Werkstoffe nicht aus, die im besonderen Maße eine gute Haftfähigkeit für den in Abhängigkeit von der Temperatur elektrisch leitfähigen Überzug aufweisen und die, wenn sie sich dauernd in einem Druckgas befinden, wenigstens teilweise ihre dielektrische Durchschlagfestigkeit und die im allgemeinen bei porösen Körpern nicht vorhandene Wärmeleitfähigkeit wieder erreichen.

An Hand der Ausführungsbeispiele in den Zeichnungen soll der Gedanke nach der Erfindung näher beschrieben werden. Es zeigt

F i g. 1 eine Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel nach der Erfindung für eine Solenarc-Lichtbogenlöschvorrichtung, bei der der Lichtbogen durch Verlängerung in der Luft gelöscht wird,
F i g. 2 einen Schnitt entlang der Linie X-X' der Fig. 1,

Fig. 3 bis 7 verschiedene Schnitte für Ausführungsbeispiele nach der Erfindung für einen Druckgasschalter.

ίο In der Fig. 1 besteht die Platte 11 aus einem feuerfesten isolierenden Werkstoff, bildet mit einer identischen benachbarten, jedoch nicht gezeigten Platte eine Teillöschkammer und ist auf seiner Oberfläche verstärkt. 12 ist eine Elektrode, die zusammen mit der Elektrode der benachbarten Platte als Träger für die Lichtbogenschleife dient. 13 ist ein Flammenschutz aus isolierendem Werkstoff, der von den Rippen 14 gehalten wird, die eine Entwicklung des Lichtbogens nach oben hin begrenzen. Der Weg der Licht-

ao bogenschleife beginnt an dem oberen Ende des einen Leitstückes der einen Elektrode, verläuft entlang des Plattenrandes in Höhe der Verstärkung, am unteren Teil des Flammenschutzes 13 entlang und wiederum am anderen Plattenrand in Höhe der Verstärkung und endet schließlich am oberen Ende des Leitstückes der anderen Elektrode. Die Summe aller Einzelschleifen, die durch die Stromwege in den Elektroden geschlossen werden, bilden ein echtes Solenoid. Nach der Erfindung ist ein geeigneter Uberzug, der den obengenannten Bedingungen entspricht, als dünne Schicht 15 auf die Platte 11 aufgetragen und vorzugsweise entsprechend auf dem Lichtbogenweg angeordnet.

Die Wirkungsweise ist folgende: Während seiner Entwicklung läuft der Lichtbogen mit seinen Fußpunkten auf den Leitstücken der Elektrode 12 entlang, wobei der Lichtbogen oder die heißen Gase, die aus dem Lichtbogen austreten, den Überzug 15 sehr stark erhitzen, wodurch dieser Überzug elektrisch leitend wird. Bis zu dem Augenblick, in dem der Lichtbogen erlischt, hat der Widerstand noch nicht genügend Zeit zu seiner Abkühlung gehabt, wodurch er einen Strom fließen läßt, der ein schnelles Wiederansteigen der Spannung zu verhindern sucht und die vorübergehende Überspannung begrenzt. Dieser Strom ruft ohne Zweifel in dem als Film ausgebildeten Widerstand eine Erwärmung hervor, wobei aber die durch den ohmschen Strom hinzugeführte Wärmemenge kleiner ist als die abgeführte Wärmemenge, und zwar einerseits durch dessen innige Berührung mit der Trägerplatte 11 und andererseits durch den kühlenden Gasstrom, der durch die Einsaugwirkung dem heißen Gasstrom folgt.

In der F i g. 3 ist für einen Druckluftschalter der feststehende Kontakt mit 16 und der bewegliche Kontakt mit 17 in der geöffneten Stellung der Kontakte gezeichnet, während mit 17' die geschlossene Stellung strichpunktiert dargestellt ist. Die Kontakte sind beispielsweise rohrförmig ausgebildet.

Der bewegliche Kontakt ist während des Öffnungsvorganges in eine isolierende Kalotte 18 versenkbar. Diese Kalotte bildet in ihrem mittleren Teil ein konzentrisches Rohr 19 um den beweglichen Kontakt. Nach der Erfindung ist die nach innen gerichtete Wandung dieses Rohres mit einem wärmeleitfähigen Überzug 20 verkleidet. Das Ganze ist in einem unter Druckgas dauernd oder vorübergehend stehenden Raum enthalten. Dieser Raum liegt über einem

Druckgasbehälter, mit dem die Entlüftungsleitungen 21 und 22 dann verbunden sind, wenn sie nicht mit der freien Atmosphäre verbunden sind.

Diese Einrichtung arbeitet wie folgt: Während des Öffnungsvorganges trennt sich der bewegliche Kontakt 17 von dem feststehenden Kontakt 16 und zieht den Abschaltlichtbogen in das Rohr 19 hinein. Während seiner Verlängerung erhitzt der Lichtbogen die nach innen gerichtete Wandung des Rohres, d. h. den filmartigen Überzug 20, der dadurch leitend wird. Während des Augenblickes, in dem der Lichtbogen erlischt, d. h., wenn der Strom gegen Null geht, hat der Überzug 20 nicht die Zeit, sich sofort völlig abzukühlen und bleibt somit zunächst noch leitend. Dadurch bleibt die wiederkehrende Spannung zwischen dem feststehenden Kontakt 16 und dem Rand 23 des leitenden Überzuges konzentriert. Wenn die wiederkehrende Spannung zu schnell ansteigt im Verhältnis zu der Geschwindigkeit der Regeneration des Dielektrikums in dem Raum zwischen dem feststehenden Kontakt 16 und der Kalotte 18, erfolgt ein Überschlag von 16 nach 23, wodurch der als Film ausgebildete Widerstand in den Stromkreis eingeschaltet wird. Dadurch erfolgt eine Begrenzung des durch den Überschlag erneut fließenden Stromes. Der als Film ausgebildete Widerstand kühlt sich einerseits durch die thermische Leitfähigkeit seines Trägers und andererseits durch den durch die Entlüftungsleitung 22 kräftig hindurchströmenden Luftstrom ab. Der erneut fließende Strom ist bestimmt durch die Zunahme des Widerstandes und verschwindet schnell.

Um die Entstehung eines Überschlaglichtbogens zwischen den Rändern 23 des wärmeabhängigen Widerstandes und dem Kontakt 16 zu erleichtern und um zu vermeiden, daß die Fußpunkte des Überschlaglichtbogens in das Rohr 19 hineinwandern, können bei 23 eine oder mehrere Hörner, die gegen den feststehenden Kontakt gerichtet sind, vorgesehen sein. Dadurch wird der Abstand für den Überschlaglichtbogen verringert, und der untere Fußpunkt dieses Lichtbogens wird in die Einsaugzone der Entlüftungsleitung 21 verlegt.

Der wärmeabhängige Widerstand braucht dabei nicht auf die innere Oberfläche des Rohres 19 begrenzt zu bleiben. Der Belag mit dem wärmeabhängigen Widerstand kann sich auch über die ganze oder einen Teil der oberen Oberfläche der Kalotte 18 erstrecken, die der Hitzewirkung des Lichtbogens ausgesetzt ist. Gewünschtenfalls kann zur Verstärkung durch die Hitze des Lichtbogens dieser Oberfläche eine konkave Form, wie in der F i g. 4 gezeigt, gegeben werden.

Der als Film ausgebildete Widerstand braucht nicht notwendigerweise im Inneren eines Rohres angebracht zu werden. Er kann auch die äußere Oberfläche eines vollen oder hohlen zylindrischen Körpers bedecken. Die F i g. 5 zeigt dazu ein Ausführungsbeispiel, in welchem der Tragbolzen 24 konzentrisch innerhalb der feststehenden und bewegbaren Kontakte angeschlossen ist.

Wie auch die Anordnung des Widerstandes sei, so versteht es sich doch, daß seine äußere Enden metallisiert sein können und/oder in Berührung mit jedem entsprechend metallischen Teil stehen können, um den Durchgang und die Verteilung des Stromes in dem genannten Widerstand zu erleichtern.

Neben einer direkten Erhitzung durch den Lichtbogenstrom kann der Widerstand auch indirekt, z. B.

durch Berührung mit den von dem Lichtbogen abströmenden heißen Gasen erhitzt werden.

Die F i g. 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel dieser Art. In dieser Figur bedeckt der als Film ausgebildete Widerstand 25 die Innenwandung des rohrförmigen Trägers 26, der gleichzeitig die Entlüftungsleitung des Kontaktes 16 bildet. Mit seinem einen Ende ist der Widerstand mit dem Kontakt 16 verbunden, während er mit seinem anderen Ende in Berührung mit dem leitenden Teil 27 steht, welches wiederum über die Verbindungsleitung 28 mit dem beweglichen Kontakt 17 verbunden ist. Wenn gewünscht wird, den Widerstand von der Spannung zu trennen, die auch in der geöffneten Stellung der Kontakte an dem Widerstand liegenbleibt, kann in die Verbindungsleitung 28 ein isolierender Abschnitt eingefügt werden, der fest oder beweglich sowie von Druckgas zeitweise oder dauernd oder auch gar nicht umgeben ist. Einer ähnliche Wirkung kann erzielt werden, indem der wärmeleitende Überzug, der den als Film ausgebildeten Widerstand darstellt, nur auf einen Teil seines Trägers aufgetragen wird, und zwar derart, daß ein Abstand für den Überschlag zwischen dem erdseitigen Ende des Widerstandes und dem Teil 27 bestehenbleibt.

Um den Wärmeaustausch zwischen dem als Film ausgebildeten Widerstand und den abstömenden Gasen nicht nur während der Aufheizzeit, sondern auch während der Abkühlzeit und um die Bedingungen zur Aufrechterhaltung des Dielektrikums zu verbessern, kann im Inneren der Entlüftungsleitung 29 ein bestimmter Druck aufrechterhalten werden, entweder dadurch, daß diese Leitung in einen Raum mit geringerem Überdruck mündet oder daß durch ein von einer Feder 31 gehaltenes Ventil 30 nur zeitweilig den Weg freigibt.

Es kann wünschenswert sein, die Oberfläche für den Wärmeaustausch zwischen dem Entlüftungsgas und dem als Film ausgebildeten Widerstand zu vergroßem. Für diesen Fall kann die innere Oberfläche des Rohres 26 dadurch wesentlich vergrößert werden, daß ohne Verringerung des Durchströmquerschnittes parallel zu diesem Rohr ein oder mehrere Stäbe, ein oder mehrere konzentrische Rohre, sogar ein Rohrbündel, geschaltet werden. Jeder dieser Körper ist mit einem wärmeleitfähigen Überzug versehen. Somit kann ein als Film ausgebildeter Widerstand geschaffen werden, der zur Aufnahme und Verteilung einer sehr großen Energiemenge geeignet ist.

Die Verbindungsleitung 28 der F i g. 6 kann durch den als Film ausgebildeten Widerstand selbst ersetzt werden. Diese Ausführungsart ist in F i g. 7 gezeigt. Hierbei durchströmen die Entlüftungsgase, aus der Leitung 32 kommend, ganz oder teilweise den als Film ausgebildeten Widerstand 33. Dieser Widerstand stellt die zeitweilige elektrische Verbindung zwischen dem feststehenden Kontakt 16 und dem Teil 34 dar, welches mit dem beweglichen Kontakt verbunden ist.

Das Tragrohr 35 kann, wie in der F i g. 7 gezeigt, außerhalb eines Gehäuses 36, welches die Kontakte und das Druckgas enthält, angeordnet sein. Wenn erforderlich und insbesondere bei Verwendung von Gehäusen mit großen Abmessungen kann das Tragrohr auch innerhalb des Gehäuses angeordnet sein. Obwohl die Entlüftungsleitungen 32 und 37 des feststehenden und des beweglichen Kontaktes bezüglich ihrer Ausgänge absolut unabhängig voneinander

gehalten werden können, so kann es doch von Vorteil sein, wie in der Figur gezeigt, sie zu einer gemeinsamen Leitung zu verbinden. Dadurch wird die Benutzung nur eines einzigen Absperrorgans für die Ausstattung beider Kontakte ermöglicht. (Ventil zur Aufrechterhaltung des Druckes, zwischengeschalteter Druckbehälter, Flammenschutz oder sogar, wie bei 38 in der F i g. 7 gezeigt, ein Verschlußventil oder -klappe, das bzw. die sich einige Zeit nach öffnung der Kontakte schließt.)

Allgemein gesprochen sind alle im Zusammenhang mit der F i g. 6 vorgesehenen Anordnungen auch hier anwendbar. Um insbesondere aber die Möglichkeit einer Rückzündung im Inneren des Rohres 35 zu verhindern, empfiehlt es sich, eine laminare Entlüftungsströmung vorzusehen oder zumindest eine Entlüftung, die aus mehreren parallel angeordneten Kanälen für das heiße Gas besteht. Dies geschieht, wie weiter oben schon erwähnt, indem im Inneren des Rohres 35 ein oder mehrere zylindrische oder rohrförmige Körper angebracht werden, ja sogar ein richtiges Rohrbündel, das innen und außen von einem wärmeleitfähigen Belag überzogen ist.

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Dämpfungswiderstand mit negativem Temperaturkoeffizienten für elektrische Leistungsschalter, wobei der Widerstand der Wirkung der Lichtbogenhitze ausgesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand aus einem dünnen Film besteht, der auf einem elektrisch isolierenden Träger mit guter Wärmeleitfähigkeit aufgebracht ist.

2. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der als Film ausgebildete Widerstand nach dem Erlöschen des Lichtbogens durch ein kühlendes Medium, welches aus einem Druckgasstrom besteht, abgekühlt wird.

3. Schalter nach Anspruch 1, bei dem die Unterbrechung in Luft erfolgt und in welchem der zwischen den Kontakten gezogene Ausgangslichtbogen in eine bestimmte Anzahl Einzellichtbögen unterteilt wird, die in durch isolierende Platten voneinander getrennte Teillöschkammern getrieben werden, dadurch gekennzeichnet, daß der als dünner Film abgebildete Widerstand auf jeder Platte vorzugsweise auf dem Weg des Lichtbogens angeordnet ist.

4. Druckgasschalter nach Anspruch 1 mit einem zylindrischen beweglichen Kontakt, dadurch gekennzeichnet, daß der als Film ausgebildete Widerstand konzentrisch zum beweglichen Kontakt und in dem Raum zwischen den sich in der geöffneten Stellung befindenden Kontakten angeordnet ist.

5. Schalter nach Anspruch 4, wobei der eine oder beide Kontakte rohrförmig ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, daß der als Film ausgebildete Widerstand wenigstens teilweise auf einem elektrischen stabförmigen isolierenden Träger innerhalb des bzw. der rohrförmigen Kontakte angeordnet ist.

6. Schalter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger des Films trichterförmig ausgebildet und derart angeordnet ist, daß sich der in den rohrförmigen Kontakt eintretende Druckgasstrom verengt.

7. Druckgasschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand aus einem dünnen Film besteht, der auf der Innenwandung eines Entlüftungsrohres für das erhitzte Löschgas angeordnet ist und der Widerstand elektrisch parallel zu den Kontakten des Schalters geschaltet ist.

8. Druckgasschalter nach Anspruch 1 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß im Inneren des Entlüftungsrohres mehrere Tragteile angeordnet sind, die auf ihren äußeren Oberflächen als Film ausgebildete Widerstände mit einem großen negativen Temperaturkoeffizienten aufweisen.

9. Druckgasschalter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur Aufrechterhaltung eines bestimmten Gasdruckes in den Rohrleitungen während des Abschaltvorganges vorgesehen sind.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 108 398, 129 720, 130224, 594 955, 658 660, 693 601, 762 610;
deutsche Auslegeschrift Nr. 1110720.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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