DE1226680B

DE1226680B - Device for switching off large powers in DC or AC circuits

Info

Publication number: DE1226680B
Application number: DEL42628A
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing Bernhard Kalkner
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1962-08-03
Filing date: 1962-08-03
Publication date: 1966-10-13

Description

Einrichtung zur Abschaltung von großen Leistungen in Gleich- oder Wechselstromkreisen Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Abschaltung von großen Leistungen in Gleich-oder Wechselstromkreisen, bei welcher der Lichtbogen bei festgehaltenen Fußpunkten in einem magnetischen Feld rotiert.Device for switching off large powers in the same or AC circuits The invention relates to a device for disconnection of large powers in DC or AC circuits, at which the arc rotates in a magnetic field with the base points fixed.

Es ist bereits vorgeschlagen worden, in solchen Stromkreisen den Lichtbogen in einem magnetischen Feld möglichst rasch rotieren zu lassen, wodurch an der Lichtbogenstrecke eine hohe elektromotorische Kraft (EMK) erzeugt wird, die der anliegenden Netzspannung entgegengerichtet ist und dadurch den zu unterbrechenden Strom schnellstens auf den Wert Null bringt, ohne daß dabei hohe Überspannungen erzeugt werden. Es wird also der Lichtbogen selbst als rotierende Strombahn benutzt, was, da dieser im Vergleich zu metallischen Leitern praktisch masselos ist, zu einer wesentlich rascheren Rotation führt, als mit einem mit mechanischer Festigkeit und anderen die Bewegung hemmenden Größen behafteten metallischen Leiter möglich ist. Derartige -Schalter unterscheiden sich grundsätzlich von den Schaltern, bei denen der Lichtbogen häufig auch als rotierender Lichtbogen- mit wandernden Fußpunkten durch ein magnetisches Feld in Löscheinrichtungen getrieben wird, dabei stark in die Länge gezogen und gekühlt wird, so daß durch den entstehenden hohen Spannungsabfall am Lichtbogen der Strom -,ebenfalls auf den Wert Null gedrosselt wird.-Die in einer rotierenden Strombahn erreichbare elektromotorische Kraft hängt nun im entscheidenden Maße von der Stärke des Magnetfeldes und der Rotationsgeschwindigkeit der Strombahn ab. Die Rotationsgeschwindigkeit des als Strombahn dienenden Lichtbogens ist wiederum unter anderem stark abhängig von der Wanderungsgeschwindigkeit der Fußpunkte des Lichtbogens. Dieser Fußpunktwanderungsgeschwindigkeit sind aber auf den bekannten metallischen und anderen Werkstoffen aus verschiedenen Gründen Grenzen gesetzt, so daß die überhaupt erreichbare EMK pro Lichtbogenlängeneinheit nicht unerheblich von dieser Fußpunktwanderungsgeschwindigkeit mitbestimmt wird.It has already been proposed to let the arc rotate as quickly as possible in a magnetic field in such circuits, as a result of which a high electromotive force (EMF) is generated at the arc path, which is opposite to the applied mains voltage and thereby quickly transfers the current to be interrupted to the Value brings zero without generating high overvoltages. The arc itself is used as a rotating current path, which, since it is practically massless compared to metallic conductors, leads to a much faster rotation than is possible with a metallic conductor afflicted with mechanical strength and other quantities that inhibit movement. Such - switches differ fundamentally from the switches in which the arc is often driven as a rotating arc with wandering base points by a magnetic field in extinguishing devices, is strongly drawn in length and cooled, so that the resulting high voltage drop on Arc the current - is also throttled to the value zero. The electromotive force that can be achieved in a rotating current path depends to a decisive extent on the strength of the magnetic field and the speed of rotation of the current path. The speed of rotation of the arc used as the current path is in turn strongly dependent, among other things, on the speed at which the arc's base points move. However, this base point migration speed is set for various reasons on the known metallic and other materials, so that the EMF that can be achieved per unit of arc length is not insignificantly determined by this base point migration speed.

Die Erfindung macht daher von einem rotierenden Lichtbogen mit festgehaltenen - Fußpunkten Gebrauch, wie es an sich von einem Schalter her bekannt ist, bei dem aber ein Lichtbogen größerer Länge in einem engen Spalt zwischen Metallwänden rotiert, um ihm dabei Wärme zu entziehen und ihn so weit abzukühlen, daß er erlöschen muß.The invention therefore makes use of a rotating arc with retained - base points of use, as is known per se from a switch forth, but in which rotates an arc of greater length in a narrow gap between the metal walls to thereby deprive him of heat and it as far to cool down so that it must go out.

Die Schalteinrichtung nach der Erfindung weist dagegen keine Kühlbleche auf, sie arbeitet mit einem sehr schnell in einem Magnetfeld rotierenden Lichtbogen zur Erzeugung einer hohen EMK. Diese -Einrichtung ist erfindungsgemäß, sio aufgebaut, daß der eine Fußpunkt des Lichtbogens auf einer etwa im Mittelpunkt einer scheibenförmigen Magnetanordnung liegenden Elektrode und der andere Lichtbogenfußpunkt auf einer außerhalb des Kreisumfangs der Magnetanordnung angeordneten Elektrode haftet derart, daß sich der zwischen den beiden Elektroden gebildete Lichtbogen aus einem im Magnetfeld rotierenden radialen und eine EMK erzeugenden Teil und aus einem bogenförmig'en, nur einen ohmschen Spannungsabfall aufweisen'den Teil zusammen- setzt. Eine solche Ausführungsform der Schalteinrichtung ergibt einen einfachen Aufbau und eine wirksame Unterbrechung des Stromes schon nach kurzer Zeit.The switching device according to the invention, on the other hand, has no cooling plates, it works with an arc rotating very quickly in a magnetic field to generate a high EMF. This device is constructed according to the invention, so that one base point of the arc adheres to an electrode located approximately in the center of a disk-shaped magnet arrangement and the other arc base point adheres to an electrode arranged outside the circumference of the magnet arrangement in such a way that the arc formed between the two electrodes is adhered is composed of a rotating magnetic field in the radial and an EMF-generating part and a bogenförmig'en, only an ohmic voltage drop aufweisen'den part together. Such an embodiment of the switching device results in a simple structure and an effective interruption of the current after a short time.

Durch die Erfindung wird nicht nur die Behinderung der Rotationsgeschwindigkeit des Lichtbogens vermieden, sondern auch gleichzeitig erreicht, daß der »Rückweg« des rotierenden Lichtbogens nicht durch das Magnetfeld führt, was eine zusätzliche, der gewünschten EMK entgegenwirkende EMK zur Folge hätte.The invention not only prevents the rotation speed being hindered of the arc avoided, but also achieved at the same time that the "return path" of the rotating arc does not pass through the magnetic field, which is an additional the desired EMF would result in an EMF counteracting the desired EMF.

Zur Erzielung sehr hoher Spannungen ist es zweckmäßig, eine Mehrfachanordnung der erfindungsgemäßen Einrichtung vorzusehen.To achieve very high voltages, it is advisable to use a multiple arrangement to provide the device according to the invention.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung gezeigt.Exemplary embodiments of the invention are shown in the drawing.

In den F i g. 1 und 2 ist das Grundprinzip eines Schalters gemäß der Erfindung in Draufsicht und.im Schnitt schematisch dargestellt.In the F i g. 1 and 2, the basic principle of a switch according to the invention is shown schematically in plan view and in section.

Die Einrichtung besteht aus einer scheibenförmigen Magnetanordnung 1, 2, zwischen der ein von dem Magnetfeld axial durchsetzter Spalt3 vorhanden ist. In diesem ist im Mittelpunkt des Feldes eine Elektrode A fest angeordnet,- die den einen Fußpunkt des Lichtbogens bildet. Außerhalb der Scheiben und damit im wesentlichen außerhalb des Magnetfeldes ist eine zweite ElektrodeB ebenfalls fest angeordnet, die den zweiten Lichtbogenfußpunkt bildet. Außerdem ist diese Elektrode etwas zurückgesetzt, so daß sie nicht in der Ebene des starken Magnetfeldes liegt. Als Magnetanordnung ist hier eine Permanentmagnetanordnung angenommen. Es können selbstverständlich auch Elektromagnete oder Kombinationen beider Systeme angewendet werden. Die Wirkungsweise der Anordnung ist kurz folgende: Im Augenblick der Zündung des Lichtbogens baut sich dieser zwischen den beiden festen Elektroden A und B auf, in F i g. 1 mit Li bezeichnet. Entsprechend seiner elektromagnetischen Ablenkung durch das Magnetfeld wird er sofort nach Art eines rasch umlaufenden Zeigers abgelenkt. Dabei entsteht am Kreisumfang der Anordnung ein Lichtbogenstück, das sich immer mehr verlängert und schließlich den ganzen Kreisumfang umschließt. Mehrere Zwischenstationen dieses Umlaufs sind in der Figur mit L2 bis L6 bezeichnet, wobei L 6 den Lichtbogen in dem Augenblick zeigt, in dem er sich nach einem vollen Umlauf selbst kurzschließt und abschnürt. Dieser Vorgang wiederholt sich, wobei sich der Lichtbogen gleichsam selbst einen den ganzen Umfang des Kreises umspannenden »Kontaktring« aufbaut, der. seinerseits dauernd und fest mit dem zweiten Anschlußpunkt verbunden ist.The device consists of a disk-shaped magnet arrangement 1, 2, between which there is a gap 3 through which the magnetic field passes axially. In this, an electrode A is firmly arranged in the center of the field - which forms one of the base points of the arc. A second electrode B, which forms the second arc base point, is also fixedly arranged outside the panes and thus essentially outside the magnetic field. In addition, this electrode is set back a little so that it does not lie in the plane of the strong magnetic field. A permanent magnet arrangement is assumed here as the magnet arrangement. Of course, electromagnets or combinations of both systems can also be used. The mode of operation of the arrangement is briefly as follows: At the moment the arc is ignited, it builds up between the two fixed electrodes A and B, in FIG. 1 labeled Li. In accordance with its electromagnetic deflection by the magnetic field, it is immediately deflected like a rapidly rotating pointer. This creates a piece of arc on the circumference of the arrangement, which becomes longer and longer and finally encloses the entire circumference. Several intermediate stations of this circuit are designated in the figure with L2 to L6 , L 6 showing the arc at the moment in which it short-circuits and constricts itself after a full turn. This process repeats itself, with the arc building itself up, as it were, a "contact ring" that spans the entire circumference of the circle. in turn is permanently and firmly connected to the second connection point.

Die gewünschte EhlK entsteht dabei lediglich in dem radialen Teil des Lichtbogens, während die restliche und in ihrer Länge zwischen Null und 2 gf wechselnde Strecke des Lichtbogens lediglich oder im wesentlichen nur den olunschen Spannungsabfall aufweist.The desired EhlK is created only in the radial part of the arc, while the remaining and in length between zero and 2 gf changing path of the arc only or essentially only the olunschen Has voltage drop.

Bei der Bemessung der praktischen Ausführungsform ist davon auszugehen, daß die Zündspannung zwischen den beiden festen Kontakten größer sein muß als die Summe der an den beiden Lichtbogenteilen auftretenden Spannungen, also der ENIK längs des radialen Teils und der Lichtbogenspannung an dem größeren restlichen Lichtbogenstück von der Länge 2 rur, wobei r der Radius der Magnetscheiben ist.When dimensioning the practical embodiment, it is to be assumed that that the ignition voltage between the two fixed contacts must be greater than that Sum of the voltages occurring on the two parts of the arc, i.e. the ENIK along the radial part and the arc voltage on the larger remaining arc piece of length 2 rur, where r is the radius of the magnetic disks.

Wie bereits erwähnt, ist es zweckmäßig, für höhere Spannungen an Stelle einer einzelnen Anordnung eine Mehrfachanordnung vorzusehen. Ein Ausführungsbeispiel für eine solche zeigt F i g. 3. As already mentioned, it is advisable to provide a multiple arrangement instead of a single arrangement for higher voltages. An exemplary embodiment of such a system is shown in FIG. 3.

. Hier ist eine Anzahl solcher Magnetanordnungen 1 gleichachsig übereinander angeordnet. Als gemeinsamer magnetischer Rückschluß dient der Eisenmantel 4. Die Kontakte oder Elektroden, die den einen Fußpunkt des Lichtbogens bilden, sind mit Al> A2 - - . bezeichnet, die anderen, außerhalb des starken Magnetfeldes liegenden Fußpunktkontakte mit Bl> B2 - . Die einzelnen Magnetscheiben sind zweckmäßig in eine Isoliermasse 5, z. B. Gießharz, eingebettet und werden von Isolierscheiben 6 getragen, die ebenfalls aus Gießharz bestehen können. Die Teilschaltstrecken sind elektrisch und magnetisch in Reihe geschaltet. Mit 7 und 8 sind die Durchführungen für die Stromanschlüsse bezeichnet. . Here a number of such magnet arrangements 1 are arranged coaxially one above the other. The iron jacket 4 serves as a common magnetic return path. The contacts or electrodes that form one of the base points of the arc are with Al> A2 - -. denotes the other base contacts lying outside the strong magnetic field with Bl> B2 -. The individual magnetic disks are expediently in an insulating compound 5, for. B. cast resin, embedded and carried by insulating washers 6 , which can also be made of cast resin. The switching sections are electrically and magnetically connected in series. With 7 and 8 the bushings for the power connections are designated.

Wie F i g. 4 zeigt, kann man die Magnetscheiben 1 mit Polschuhen 9 zur Erhöhung der mit Permanentmagneten aus Eisen oder isolierenden Ferriten erreichbaren Feldstärke im Bereich des umlaufenden Lichtbogens versehen. Außerdem kann man zur Unterstützung des Rückschlusses an diesem Erregerwicklungen 10 anbringen, die beispielsweise vom Schaltstrom durchflossen werden.Like F i g. 4 shows, the magnetic disks 1 can be provided with pole pieces 9 to increase the field strength that can be achieved with permanent magnets made of iron or insulating ferrites in the area of the rotating arc. In addition, to support the short circuit, exciter windings 10 can be attached to this, through which the switching current flows, for example.

Den Polschuhen kann man gemäß F ig. 5 auch eine besondere Gestalt geben, die eine Konzexitrati#on und Erhöhung des Feldes in bestimmten gäwünschten Zonen und eine Steigerung der Umlaufgeschwindigkeit des radialen Lichtbogens bewirkt.The pole pieces can be used according to Fig. 5 also give a special shape that brings about a concentration and increase of the field in certain desired zones and an increase in the speed of rotation of the radial arc.

Die beschriebenen Einrichtungen können sowohl in Luft unter Atmosphärendruck betrieben werden als auch in Unter- oder überdruck, wobei die Schalträume die lonisierung erhöhende Gase enthalten können. Bei Betrieb unter Atmosphärendruck wendet man zweckmäßig-zur-Kühlung der Scheiben Kühlluft an, die beispielsweise, wie aus F i g. 3 ersichtlich, durch Bohrungen11 von unten nahe der Scheibenmitte in die Schalteinrichtung eintritt und durch radiale Bohrungen 12 in Höhe der verschiedenen, vom Magnetfeld durchsetzten Spalte abgeführt wird. Dabei kann der Lichtbogen zur Beschleunigung der Kühlluftbewegung ausgenut±t'werden, da er- auf die axial eintretende Luft wie eine Zentrifuge einwirkt.The devices described can be operated both in air under atmospheric pressure and in negative or positive pressure, it being possible for the switching rooms to contain gases which increase ionization. When operating under atmospheric pressure, cooling air is expediently used for cooling the panes, for example, as shown in FIG. 3 , it enters the switching device through bores 11 from below near the center of the disk and is discharged through radial bores 12 at the level of the various gaps penetrated by the magnetic field. The arc can be used to accelerate the movement of the cooling air, since it acts like a centrifuge on the air entering axially.

Die Einrichtung gemäß der Erfindung erleichtert das Abschalten, insbesondere von starken Gleichströmen, sie kann z. B. in Kombination mit einem in Reihe oder parallelliegenden Schalter konventioneller Bauart verwendet werden, der das Abschalten des im stationären Zustand sich einstellenden Reststromes übernimmt. Im Betriebszustand ist die Einrichtung zweckmäßig durch ein Trennmesser überbrückt.The device according to the invention facilitates switching off, in particular of strong direct currents, it can z. B. in combination with one in series or parallel switches of conventional design are used to switch off of the residual current that occurs in the steady state. In operating condition the device is expediently bridged by a separating knife.

Claims

Claims: 1. Device for switching off large powers in DC or AC circuits, in which the arc rotates with the base points fixed in a magnetic field, characterized in that the one base point of the arc on an electrode lying approximately in the center of a disk-shaped magnet arrangement and the Another arc base point on an electrode arranged outside the circumference of the magnet arrangement adheres in such a way that the arc formed between the two electrodes is composed of a radial part rotating in the magnetic field and an electromotive force generating part and an arcuate part with only an ohmic voltage drop.

2. Device according to claim 1, characterized in that the magnet arrangement has a disc-shaped gap which is penetrated by the magnetic field and in the center of which the one electrode is fixedly arranged, and that the outer, also fixed second electrode outside this gap and opposite it Level is arranged set back. 3. Device according to claim 1 and 2, characterized in that permanent magnets are used to generate the magnetic field, which are equipped with appropriately designed pole pieces to increase the field strength in the desired areas. 4. Device according to claim 1 to 3, for higher voltages, characterized in that a plurality of magnet arrangements is provided with the associated electrodes, which are magnetically and electrically connected in series. 5. Device according to claim 4, characterized in that the magnet arrangements have a common magnetic yoke. 6. Device according to claim 5, characterized in that the common magnetic yoke is equipped with excitation windings through which the switching current flows. Considered publications: German Patent Nos. 958401, 944566, 928655, 822691, 761896, 702431, 678750, 672505, 624777, 616479, 557328, 496330, 312134.