DE1229620B - Druckgasschalter - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL:

HOIh

Deutsche Kl.: 21c-35/10

Nummer: 1229 620

Aktenzeichen: G 41294 VIII d/21 c

Anmeldetag: 7. August 1964

Auslegetag: !.Dezember 1966

Die Erfindung bezieht sich auf einen Druckgasschalter mit in der Axialrichtung des Lichtbogens verlaufendem Gasstrom und im einzelnen auf Mittel zur Erhöhung der Abschaltstromstärke eines derartigen Schalters.

Bei einem gewöhnlichen Druckgasschalter wird der Lichtbogen zwischen zwei Elektroden gezogen und ein Gasstrom hoher Geschwindigkeit in die Lichtbogenzone eingeblasen. Durch diesen Gasstrom wird der Lichtbogen gekühlt und der Raum, in welchem der Lichtbogen entsteht, durchspült und von den seitens des Lichtbogens erzeugten Ionen befreit, so daß bei dem nächsten Nulldurchgang des Stromes der Lichtbogen erlöschen kann und der Zwischenraum zwischen den Elektroden wieder eine gute elektrische Festigkeit annehmen kann. Bei einem solchen Schalter können auch die Überspannungen, welche mit der Unterbrechung des Lichtbogens verbunden sind, keine erneute Zündung der Schalterstrecke hervorrufen.

Bei einem Druckgasschalter mit in der Axialrichtung des Lichtbogens verlaufendem Gasstrom ist stets eine Öffnung vorhanden, welche von dem Lichtbogen durchsetzt wird und durch welche der den Lichtbogen umhüllende oder umströmende Druckgasstrom austritt. Die Öffnung hat den Zweck, den Druckgasstrom zu führen und ihm die erwünschte hohe Geschwindigkeit zu verleihen. Diejenige Elektrode, welche von der Öffnung aus gesehen in entgegengesetzter Richtung zu der Richtung des Gasstromes liegt, wird im folgenden als die Aufwärtselektrode oder erste Elektrode bezeichnet werden und die andere Elektrode als die Abwärtselektrode oder zweite Elektrode. In einem Druckgasschalter mit axial verlaufendem Druckgasstrom tritt eine Stagnationszone an der an die Lichtbogenstrecke angrenzenden Seite der ersten Elektrode auf. Dabei ist für Druckgasschalter der genannten Art charakteristisch, daß die Gasdruckkräfte den Lichtbogen in die Stagnationszone hineinziehen und dort festhalten.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß im Interesse einer Erhöhung der Abschaltleistung dies keine ideale Lage für den an der ersten Elektrode ansetzenden Lichtbogen ist. Sowohl die Spülung oder Entionisierung wie auch die Kühlung des Lichtbogens sind in der Stagnationszone verhältnismäßig unwirksam, da die Luft in dieser Zone in großen Wirbeln mit verhältnismäßig geringer Geschwindigkeit verläuft und diese geringe Geschwindigkeit sowohl die Spülung als auch die Kühlung gering hält.

Ein Zweck der Erfindung besteht darin, die Küh-Druckgasschalter

Anmelder:

General Electric Company,

Schenectady, N.Y. (V. St. A.)

Vertreter:

Dr.-Ing. E. Sommerfeld und Dr. D. v. Bezold,

Patentanwälte, München 23, Dunantstr. 6

Als Erfinder benannt:

Thomas Henry Lee,

Nether Providence, Pa. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 16. August 1963 (302 555)

lung und die Entionisierung oder Spülung der Lichtbogenstrecke zu verbessern.

Die Erfindung geht aus von einem elektrischen Druckgasschalter, bei welchem das Druckgas in der Axialrichtung des Lichtbogens und außerhalb desselben strömt, bei welchem ferner der, in der Strömungsrichtung. des Druckgases gesehen, an der ersten Elektrode ansetzende Lichtbogen sowohl unter einer von der Achse der Elektrode aus radial nach außen wirkenden magnetischen Kraft steht, als auch unter einer von dem Druckgas radial nach innen auf die Elektrodenachse hin wirkende aerodynamischen Kraft.

Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die erste Lichtbogenelektrode die Form eines Bechers mit einer in der Mitte des Bodens an der Becherinnenseite befindlichen Zuführungsleitung, mit einer der Lichtbogenstrecke zugewendeten Bodenunterseite und einem von der Lichtbogenstrecke abgewendeten Becherrand besitzt derart, daß durch das Zusammenwirken der radial nach außen und der radial nach innen wirkenden Kräfte ein stabiler Ruhepunkt für die Ansatzstelle des Lichtbogens in einem endlichen Abstand von dem Durchstoßpunkt der Lichtbogenachse durch eine die Bodenunterseite berührende Ebene entsteht.

Die Strecke, um welche die Ansatzstelle des Lichtbogens aus der Mitte der Stagnationszone heraus verlagert wird, hängt von der Größe der in radialer

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Richtung nach außen wirkenden magnetischen Kraft ab. Je größer diese magnetische Kraft ist, um so weiter wird die Ansatzstelle des Lichtbogens aus der Mitte der Stagnationszone heraus verlagert, wobei jedoch diese Verlagerung nur bis zu einer bestimmten kritischen Stelle vor sich geht, an welcher die aerodynamischen Kräfte des Druckgasstromes einer weiteren Verlagerung nach außen entgegenwirken. Wenn der Lichtbogen diese kritische Stelle erreicht hat, führt eine weitere Vergrößerung der magnetisehen Kräfte nicht mehr zu einer weiteren Verlagerung des Lichtbogens nach außen. Die erste Elektrode wird gemäß der Erfindung so geformt, daß die radial nach außen wirkende magnetische Kraft bei einem Augenblickswert des Stromes über 3000A genügend hoch ist, um die Ansatzstelle des Lichtbogens nach außen in die erwähnte kritische Lage zu treiben.

F i g. 1 stellt einen Schnitt eines Druckgasschalters gemäß einer Ausführungsform der Erfindung dar;

F i g. 2 ist ein vergrößerter Schnitt durch die erste Elektrode des Druckgasschalters nach Fig. 1;

F i g. 3 ist eine ähnliche. Darstellung wie F i g. 2, zeigt jedoch verschiedene Ansatzstellen für den Lichtbogen;

Fig.4 zeigt den Zusammenhang zwischen der magnetischen. Kraft und. dem Abstand der Ansatzstelle des Lichtbogens von der Mitte der Stagnationszone bei der Elektrode nach F i g. 1 bis 3;

Fig. 5 zeigt einen Schnitt ähnlich wie in Fig. 2, jedoch bei einer etwas anderen Ausführung der Elektrode. · ·

Der Schalter nach F i g. 1 ist ein Druckgasschalter der in der USA.-Patentschrift 2 783 338 beschriebenen ,Art. Es sind nur diejenigen Teile des Druckgasschalters' in Fig. 1 dargestellt worden, die ^r" zum Verständnis der Erfindung erforderlich sind. Daher ist nur ein auf der rechten Seite der F i g. 1 befindlicher Teil .des ganzen Schalters im Schnitt dargestellt, da nämlich der Schalter zu einer vertikalen und auf der Zeichenebene der Fig. 1 senkrecht stehenden Ebene symmetrisch ausgebildet ist. Wie in der obengenannten USA.-Patentschrift erläutert wird, enthält der Schalter ein Gehäuse 12, welches normalerweise mit Druckgas gefüllt ist und eine Unterbrechungskammer 11 umschließt. Innerhalb dieser Kammer 11 befinden sich zwei relativ zueinander bewegliche Kontakte 14 und 16, bei deren Trennung ein Lichtbogen in dem Druckgas der Kammer 11 gezogen wird. Der Kontakt 14 ist ein räumlich feststehender Kontakt, während der andere Kontakt 16 um eine gleichzeitig als Stromzuführung dienende Achse 18 drehbar ist. Wenn der bewegliche Kontakt 16 um die Achse 18 im Uhrzeigersinn aus der ausgezogen gezeichneten Stellung in die punktiert gezeichnete Stellung gebracht wird, entsteht ein Lichtbogen zwischen den beiden Kontaktflächen. Der bewegliche Kontakt 16 ist in Fig. 1 in einer Mittellage zwischen seinen beiden Extremstellungen dargestellt.

Der bewegliche Kontakt 16 ist um die erwähnte Achse 18 drehbar auf einem elektrisch leitfähigen Halter 19 gelagert, der vorzugsweise mit einem räumlich feststehenden Zylinder 32 aus einem Stück besteht. Der Zylinder 32 wird von einem im ganzen etwa zylinderförmigen Gußkörper 33 getragen. Die- - ser letztere Gußkörper ist über einen Flansch 35 fest mit dem Gehäuse 12 verbunden.

Zur Bildung eines Druckgasstrahles enthält der Gußkörper 33 einen normalerweise geschlossenen Austrittskanal 36. Der Gußkörper 33 besitzt am oberen Ende eine rohrförmige und düsenförmige Elektrode 38 mit einem die Öffnung umgebenden Ring 39, dessen Innenfläche mit 37 bezeichnet ist. Der Druckgasstrom durch den Ring 39 hindurch und durch den Kanal 36 wird mittels eines beweglichen Ventilkörpers 40 gesteuert, welcher sich am unteren Ende des Kanals 36 befindet. Dieser Ventilkörper 40 steht normalerweise in seiner in F i g. 1 ausgezogenen gezeichneten Schließstellung, in welcher sein ringförmiger Flansch 42 den zugehörigen ringförmigen Ventilsitz 34 berührt.

Während des Unterbrechungsvorgangs bewegt sich der Ventilkörper.40 aus der in Fig. 1 ausgezogen gezeichneten Lage in die punktiert gezeichnete .!Ζψΐ-schenstellung. Dabei kann Druckgas aus der. Kammer 11 durch den Ring 39 und durch den Kanal 36 in die Richtung des punktiert gezeichneten Pfeiles B in den freien Außenraum eintreten.

In seiner oberen Lage umschließt der Ventilkörper

40 einen, rohrförmigen Tragkörper 41, auf welchem, er leicht verschiebbar gelagert ist. Der Tragkörper 41 ist an dem Gehäuse 33 in nicht näher dargestellter Weise befestigt. Eine Druckfeder 44 befindet sich zwischen dem Ventilkörper 40 und dem Tragkörper

41 und drückt den Ventilkörper 40 gegen den Ventilsitz 34. "■'■■" ' ^:' ^r;: " .

■ Um den Tragkörper 41.und das obere Ende.des Ventilkörpers 40 vor dem Lichtbogen zu schützen', ist ein metallisches Schutzrohr um diese Teile herum angeordnet. An der Außenseite dieses Schutzrohrs ist eine zweite Elektrode 45 angebracht, die vorzugsweise aus einem hitzebeständigen Metall besteht. Der Lichtbogen verläuft etwa derart, wie durch die doppelte punktierte Linie 46 angedeutet. Die zweite Elektrode wird vorzugsweise gemäß der USA.-Pa'tentscnrift 2 897 324 ausgebildet und besitzt eine nicht in der Gasströmungsrichtung verlaufende Fläche 48, welche zu der Ausbildung einer Stagnationszone führt. Die Ansatzstelle des Lichtbogens auf der Elektrode 45 wird in der Stagnationszone festgehalten und kann daher nicht weiter in der Gasströmungsrichtung /(Pfeile B) wandern. ■ .·

Zur Steuerung des Ventilkörpers 40 und des weiter oben erwähnten beweglichen Kontaktes 16 ist ein im ganzen mit 50 bezeichneter Mechanismus vorgesehen. Dieser Mechanismus ist vorzugsweise gemäß der bereits genannten USA.-Patentschrift 2 783 338 ausgebildet, und seine Einzelheiten bilden keinen Teil der Erfindung. Dieser Mechanismus enthalt einen Kolben 51 und einen Kolben 52 innerhalb des Zylinders 32. Der Kolben 51 ist mit dem Ventilkörper 40 über eine Kolbenstange 54 verbunden. Der weitere Kolben 52 betätigt den beweglichen Kontakt 16 über eine Kolbenstange 58 und einen Kreuzkopf 29, der seinerseits an der Kolbenstange 58 befestigt ist. Ein Gelenkhebel 60, der bei 61 an dem Kreuzkopf 59 drehbar gelagert ist, stellt eine Verbindung zwischen dem Kreuzkopf 59 und dem beweglichen Kontakt 16 dar. Wenn der Kolben 51 sich nach oben bewegt, so öffnet er den Ventilkörper 40 und bewegt gleichzeitig den weiteren Kolben 52 nach oben, so daß auch der bewegliche Kontakt 16 betätigt wird.

Durch die Öffnungsbewegung des Kontaktes 16 wird zunächst ein Lichtbogen zwischen den Kontak-

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ten 14 und 16 gebildet. Kurz darauf tritt der Druckgasstrom in der Richtung der Pfeile B durch den Ring 39 und den Kanal 36 hindurch, wobei er an einer im ganzen mit 70 bezeichneten ersten Elektrode, die mit dem' feststehenden Kontakt 14 verbunden ist, vorbeistreicht. Während des weiteren Verlaufs der Öffnungsbewegung des Kontaktes 16 wird der Lichtbogen vom beweglichen Kontakt 16 auf den Ring 39 verlagert. Sodann treibt der Gasstrom den Lichtbogen durch den Ring 39 hindurch auf das obere Ende des Schutzrohres 43. Von dort treibt der Gasstrom den Lichtbogen zu der bereits oben erwähnten Fläche 48 der Elektrode 45. Der Lichtbogen nimmt dann die in F i g. 1 durch die doppelte punktierte Linie 46 angdeutete Lage ein. Wenn der Lichtbogen sich in dieser Lage befindet, durchsetzt er den Ring 39 und verläuft innerhalb des eine hohe Geschwindigkeit besitzenden Druckgasstromes. Dieser Druckgasstrom kühlt also den Lichtbogen und entionisiert ihn, so daß er nach dem Nulldurchgang des Stromes nicht wieder zünden kann.

Eine Unterbindung der neuen Zündung des Lichtbogens hängt jedoch von der Geschwindigkeit ab, mit welpher die Durchschlagsfestigkeit der Schalterstrecke· nach dem Nulldurchgang wieder hergestellt wird. Je schneller diese Wiederherstellung der elektrischen Durchschlagsfestigkeit gelingt, desto geringer ist die Gefahr einer neuen Zündung des Lichtbogens.

Gemäß der Erfindung wird eine erhebliche Verbesserung in dieser Richtung dadurch erzielt, daß man die an der ersten Elektrode 70 befindliche Ansatzstelle des Lichtbogens in radialer Richtung nach außen durch magnetische Kräfte verlagert, und zwar in eine kritische Lage am Rande der Stagnationszone, welche sich an die erste Elektrode 70 anschließt.

Dies sei im folgenden an Hand der F i g. 2 bis 4 erläutert. Die Stagnationszone ist am besten in F i g. 2 erkennbar, welche einen vergrößerten Schnitt durch die erste Elektrode 70 mit den Gasstromwegen B darstellt. Diese Wege B verlaufen etwa längs der Oberfläche der ersten Elektrode, lösen sich aber etwa an der Stelle S von der Elektrodenoberfläche ab. Derartige Ablösungspunkte S existieren am ganzen Elektrodenumfang. Innerhalb .der auf einem Kreis liegenden Ablösungspunkte S ist eine im ganzen mit 74 bezeichnete Zone vorhanden, in welcher die Luft mit verhältnismäßig geringer Geschwindigkeit in großen Wirbeln 75 verläuft. Diese Zone 74 wird hier als die Stagnationszone bezeichnet.

Die Elektrode 70 kann als becherförmig angesehen werden; der Becherrand ist mit 78 bezeichnet. Der Strom tritt in die Elektrode über einen Stab 79 ein, der am Becherboden befestigt ist.

Die Ansatzstelle des Lichtbogens, der zwischen den Kontakten 14 und 16 gebildet wird, wandert vom Kontakt 14 auf die Elektrode 70 in die Stagnationszone 74. Die aerodynamischen Kräfte des Luftstromes sind bestrebt, den Lichtbogen in die Mitte der Stagnationszone zu treiben.

Bei der der in Fig. 1 bis 3 dargestellten ersten Ausführungsform der Erfindung wird jedoch eine derartige Verlagerung der Ansatzstelle des Lichtbogens auf der ersten Elektrode dadurch verhindert, daß in der Mitte der ersten Elektrode ein Einsatzkörper 80 aus lichtbogenfestem Isolationsmaterial vorgesehen wird. Vorzugsweise soll dieser Isolierstoff aus Polytetrafluoräthylen bestehen, das unter dem geschützten Handelsnamen Teflon verkauft wird. Da der Lichtbogen somit in der Mitte der Stagnationszone nicht ansetzen kann, wird diese Ansatzstelle den Rand des Einsatzkörpers 80 nicht nach innen überschreiten.

An allen Stellen außerhalb des Einsatzkörpers 80 wirkt auf den Lichtbogen eine radial nach außen gerichtete Kraft. Diese nach außen gerichtete Kraft rührt von dem L-förmigen Verlauf des Stromes durch

ίο den Stab 79 und durch die erste Elektrode 70 hindurch her (F i g. 3). Bekanntlich hat die magnetische Kraft eines derartigen L-förmigen Stromverlaufs das Bestreben, den Stromverlauf zu strecken, d.h., daß eine radial nach außen gerichtete Kraft auf den Lichtbogen ausgeübt wird. Diese Kraft nimmt mit dem. Quadrat des elektrischen Stromes zu und ab.

Dieser magnetischen Kraft wirken die aerodynamischen Kräfte entgegen, welche den Lichtbogen nach der Mitte der Stagnationszone treiben. Die aerodynamischen Kräfte sind in der Mitte der Stagnationszone am kleinsten und nehmen mit der Annähe- ' rung der Lichtbogenansatzstelle an die Ablösungspunkte S zu. Die magnetische Kraft, welche auf den Lichtbogen wirkt, verläuft etwa nach Fig. 4, in

welcher die minimale Kraft dargestellt ist, die zur Überwindung der aerodynamischen Kräfte erforderlich ist. In F i g. 4 ist auf der horizontalen Achse die . magnetische Kraft aufgetragen und auf der vertikalen Achse der Abstand D der Ansatzstelle des Lichtbogens von der Mitte der Stagnationszone.

Diese Kurve läßt erkennen, daß bei einem bestimmten kritischen Abstand der Ansatzstelle des Lichtbogens von der Mitte der Stagnationszone eine weitere Vergrößerung der magnetischen Kraft keine weitere Verlagerung der Lichtbogenansatzstelle in radialer Richtung nach außen hervorruft. Die Punkte S in F i g. 2 besitzen etwa den gleichen radialen Abstand von der Mitte der Stagnationszone wie diese zuletzt erwähnte Entfernung. Wenn die Ansatzstelle des Lichtbogens diesen kritischen Abstand erreicht hat, verläuft der Luftstrom ungefähr parallel zu der Becherwand. Jede weitere Tendenz des Lichtbogens auf der ersten Elektrode noch weiter zu wandern, wird durch die Tendenz der leitenden Elektrode 70, einen erhöhten Spannungsabfall am Lichtbogen zu verhindern und somit die Lichtbogenlänge zu verkürzen, verhindert.

Die erste Elektrode 70 nach F i g. 2 und 3 besitzt eine solche Form, daß für alle Augenblickswerte des Stromes über etwa 3000 A und für einen Lichtbogen zwischen den Elektroden 45 und 70 eine genügend große radial nach außen wirkende Kraft auf den Lichtbogen einwirkt, um seinen Ansatzpunkt an der ersten Elektrode etwa im kritischen Abstand von der Mitte der Stagnationszone zu halten. Diese Beziehung ruft erfahrungsgemäß eine erhebliche Verkürzung der Entionisierungszeit der Lichtbogenstrecke hervor.
Diese Verkürzung der Entionisierungszeit kann dem Umstand zugeschrieben werden, daß im kritischen Abstand von der Mitte der Stagnationszone die Ansatzstelle des Lichtbogens auf der ersten Elektrode viel stärker dem Gasstrom ausgesetzt ist als in geringerem Abstand von der Mitte der Stagnationszone. Es wird daher eine bessere Kühlung und eine bessere Spülung oder Entionisierung erreicht, als es innerhalb der Wirbel der Stagnationszone möglich wäre.

Der Einsatzkörper 80 verhindert die Verlagerung der Ansatzstelle des Lichtbogens in die Mittelzone der ersten Elektrode, wo keine nennenswerte magnetische Kraft auf den Lichtbogen ausgeübt werden würde. In dieser Mittelstellung des Lichtbogens würde nämlich keine nennenswerte radiale Komponente des Stromes auftreten und daher auch keine nennenswerte magnetische Kraft. Der aus Isoliermaterial bestehende Einsatzkörper 80 verhindert daher eine Verlagerung der Ansatzstelle des Lichtbogens in diesen Mittelbereich der Elektrode.

Ein anderer Weg zur Verhinderung der Verlagerung der Ansatzstelle des Lichtbogens in die Elektrodenmitte besteht darin, gemäß der in F i g. 5 dargestellten zweiten Ausführungsform der Erfindung in der Elektrodenmitte einen Kanal 90 vorzusehen, durch den ein kleinerer Teil des Luftstroms in der Richtung des Pfeiles 91 hindurchtritt, welcher den Lichtbogen von der Elektrodenmitte forttreibt. Anderweitig ist die Elektrode nach F i g. 5 ebenso so ausgebildet wie die Elektrode nach F i g. 1 bis 3.

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   bogens und außerhalb desselben strömt, bei welchem ferner der, in der Strömungsrichtung des Druckgases gesehen, an der ersten Elektrode ansetzende Lichtbogen sowohl unter einer von der Achse der Elektrode aus radial nach außen wirkenden magnetischen Kraft steht, als auch unter einer von dem Druckgas radial nach innen auf die Elektrodenachse hin wirkenden aerodynamischen Kraft, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Lichtbogenelektrode (70) die Form eines Bechers mit einer in der Mitte des Bodens an der Becherinnenseite befindlichen Zuführungsleitung (79), mit einer der Lichtbogenstrecke zugewendeten Bodenunterseite und einem von der Lichtbogenstrecke abgewendeten Becherrand (78) besitzt, derart, daß durch das Zusammenwirken der radial nach außen und der radial nach innen wirkenden Kräfte ein stabiler Ruhepunkt für die Ansatzstelle des Lichtbogens in einem endlichen Abstand (D in F i g. 4) von dem ■ Durchstoßpunkt der Lichtbogenachse durch eine die Bodenunterseite berührende Ebene entsteht.

   In Betracht gezogene Druckschriften: Elektrischer Druckgasschalter, bei welchem 25 Deutsche Patentschriften Nr. 496 330, 553 639, das Druckgas in der Axialrichtimg des Licht- 613 833, 645 281.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

   609 72Ϊ/310 11.66 © Bundesdruckerei Berlin