DE2345196A1 - Schalter mit sprengwirkung - Google Patents
Schalter mit sprengwirkungInfo
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Description
SCHALTEE MIT SPHENGWIEKÜNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Einrichtungen zum Schließen und Öffnen von Stromkreisen, insbesondere auf
das Gebiet der elektrischen Schalter mit Sprengwirkung, die durch Freiwerden der Energie einerSprengstoffdetonation betätigt werden.
Die elektrischen Schalter des üblichen Typs werden
durch Kräfte betätigt, die mit nie chanischen t elektromagnetischen
und ähnlichen Mitteln aufgebracht werden und die ^ den den Schalter enthaltenden Stromkreis zu- ^ -js^A
verlässig schalten.
In manchen Stromkreisen, wo hohe Zuverlässigkeit im Funktionieren des Stromkreises erforderlich ist, oder wenn ein zufälliges
Ansprechen des Schalters, beispielsweise bei Vibrationen, Kurzschlüssen usw., unerwünscht ist, weisen die üblichen
Schalter nicht den erforderlichen Grad der Zuverlässigkeit
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auf. Dies ist in solchen Systemen wie Induktiv-oder Kondensatorspeicher1!
Stromkreise des Havarieschutzes der Energieanlagen
gegen Kurzschluß-Ströme besonders wichtig.
Bekannt ist ein elektrischer Schalter mit Sprengwirkung
(USA-Patentschrift Nr. 3277255/ Kl. 200-61.08), der ein rohrförmiges
Gehäuse mit zwei Klemmkontakten, die durch einen brüchigen Leiter verbunden sind und in den zu steuernden Stomkreis
geschaltet sind, eine pyrotechnische Ladung und ein Antriebselement ennnalten, das von einer dünnen Wand gehalten
wird. Unter Einwirkung der Explosionsprodukte verschiebt sich das Antriebselement, schert den brüchigen Leiter ab und trennt
den Stromkreis. Dieser Schalter arbeitet verhältnismäßig langsam, da die Verstellungsgeschwindigkeit des beweglichen Elementes
einige Dutzend Meter pro Sekunde nicht übersteigt. Bekannt ist ein Schalter (USA-Patent Nr. 3118986, Kl. 200-6108), der ein
zylindrisches Gehäuse aus einem Dielektrikum und etromleitende
Klemmen an seinen Enden enthält, welche eine Kammer mit in deren Innerem angeordnetem zylindrischem Kontakt bilden. Der Druck
der Sprengung verschiebt den beweglichen Kontakt, der den Stromkreis trennt.
Der Schalter nach der BBD-Patentschrift Nr. 1097016,
Kl.21c 69 enthält einen hohlen rohrförmigen Leiter, in dessen
•Innerem eine Sprengladung untergebracht ist. Der Leiter kann
mit Schlitzen, Einkerbungen oder Spleißen versehen werden, die
seine Trennung unter Einwirkung der Sprenprodukte erleichtern.
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In dieser Konstruktion sind jedoch, "beim Trennen des Leiters
die Geschwindigkeiten seiner Enden im Anfangsmoment parallel, d.h.. ihre relative Geschwindigkeit ist gleich Null.
In der umgebenden Luft bildet sich außerdem eine starke
Stoßwelle. Diese Welle hat eine hohe Temperatur, sie ist ionisiert und elektrisch leitend, was zum Kurzschließen der Trennstrecke
über die Stoßwelle führt·
Die Schnellwirkung dieses Schalters ist auf einige Dutzend Mikrosekunden begrenzt.
In den oben beschriebenen Konstruktionen der elektrischen Schalter mit Sprengwirkung befindet sich die Sprengstoffladung
in dem geschlossenen Raum des Schalters. Da aber die Sprengstoffe eine begrenzte chemische und physikalische Beständigkeit
aufweisen, und in den Schaltern sie unter Einwirkung der Jouleschen
Wärme sich erwärmen, ändern sich die Kenndaten des Sprengstoffes, und manchmal ist eine spontane wärmebedingte Entflammung
möglich. Die Zuverlässigkeit des Schalters in Leistungsund Hochspannungskreisen verringert sich also.
Der Erfindung ist die Aufgabe zugrunde gelegt, einen elektrischen Schalter mit Sprengwirkung zu schaffen, der Stromkreise
mit Strömen über 1000 Ampere und einer Spannung von über 5 kV
trennen kann und eine Schnellwirkung bis 10 Mikrosekunden
hat .
Dies wird dadurch erreicht, daß im elektrischen Schalter mit Spreng irkung, der ein festes Gehäuse, durch dessen Inneres
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eine höhle stromführende Schiene verläuft, die gegen dieses
Gehäuse isoliert ist, eine innerhalb der stromführenden Schiene zu ihrem Trennen untergebrachte Sprengstoffladung und eine Zündladung
enthält, erfindungsgemäß der zu zerstörende Abschnitt
der stromführenden Schiene als ein gefaltetes Rohr ausgebildet ist, und das Isolationsgehäuse hermetisch mit
vakuumiertem Innenraum ausgeführt ist, wobei der Restdruck P
(in mm Quecksilbersäule) und die Abmessungen des Gehäuses und der stromführenden Schiene den Beziehungen
und
entsprechen,
wobei bedeuten!
wobei bedeuten!
R1 - Radius der Innenfläche des Isolationsgehäuses,
Ro - Radius der Außenfläche der zu zerstörenden Strecke
der stromführenden Schiene, cm.
Die anderen Ziele und die Zweckbestimmung der vorliegenden Erfindung werden aus der Beschreibung, eines Ausführungsbeispiels
des elektrischen Schalters mit Sprengwirkung, die erfindungsgemäß ausgeführt ist, und aus beigefügten Zeichnungen
verständlich· Es zeigt
flg. 1 - Gesamtansicht des erfindungsgemäß ausgeführten
elektrischen Schalters mit Sprengwirkung!
Fig· 2 - elektrischen Schalter mit Sprengwirkung vor der Sprengung (Längsschnitt II-II auf Pig. 1)|
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Fig. 3 - Schnitt III-III auf Fig. 2\
Fig. 4 - die Einheit "Δ" gemäß Fig. 2, vergrößert dargestellt,
auf der die Richtungen der Bewegungsgeschwindigkeiten der Abschnitte beim Trennen der stromführenden Schiene angegeben
sind}
Fig« 5. - elektrischer Schalter mit Sprengwirkung nach der
Sprengung (Längsschnitt).
In Übereinstimmung mit Fig. 1 weist der elektrische Schalter
mit der Sprengwirkung eine stromführende Schiene 1 auf,
einem
die mit ^elektrisehem Stromkreis, der durch Linien 2 und 3 angedeutet
ist, verbunden ist.
Die stromführende Schiene 1 verläuft durch das Gehäuse des Schalters, welches in etwa hermetisch ausgeführt ist.
Über Ventile 5 und 6 erfolgt die Vakuumierung des Gehäuses
4 und der Auswurf der Sprengprodukte nach dem Ansprechen des Schalters.
Der Schalter wird mit Hilfe eines G-ebers 7 zur Auslösung
der Detonation betätigt.
Die Konstruktion des Schalters ist auf Fig. 2 und 3 detailliert
dargestellt.
Das Gehäuse 4 des Schalters hat zylindrische Form und
besteht aus festem Material, beispielsweise Stahl, Die Innenfläche des Gehäuses ist mit einer Schicht 8 aus zähem
Material, zum Beispiel aus Gummi, Polyäthylen u.s.w. ausgelegt.
Dieser Überzug dient zum Auffangen der Splitter, die sich bei der Sprengung der stromführenden Schiene bilden.
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An den Stirnseiten wird das Gehäuse 4 durch Deckel 9 aus festem Isolationsmaterial, so zum Beispiel aus organischem Glas
oder Ftoroplast verschlossen, die mittels Bolzen 10 befestigt
werden. Die hermetische Verbindung der Deckel 9 mit dem Gehäuse
4· wird durch Gummidichtungen 11 gewährleistet.
In der Mitte des Deckels 9 gibt es Bohrungen, durch welche die stromführende Schiene 1 hindurchgeführt ist. Für die Dichtheit
der Stromeinführung sorgen Andruckmuttern 12 und Gummidichtungen 13«
Die stromführende Schiene 1 kann aus Magnesium, Magnesiumlegierungen
oder Aluminium ausgeführt werden und stellt einen rohrförmigen Leiter dar. Der zu zerstörende Abschnitt 14 der
stromführenden Schiene ist gefaltet und mit einer Sprengstoffladung 15 ausgefüllt. Die ringförmigen Falten des zu zerstörenden
Abschnitts 14 haben vorzugsweise ein dreieckiges Profil zur Gewährleistung einer größeren Schnellwirkung des Schalters.
An den Seiten ist die Sprengstoffladung durch massive
Pfropfen 16 geschlossen, die aus wärmeleitendem Material, zum
Beispiel aus Kupfer gefertigt sind. Die Pfropfen 16 dienen zur Ableitung der Jouleschen Wärme, die in dem gefalteten Abschnitt
der stromführenden Schiene entwickelt wird, sowie zur Gewährleistung des radialen Auseinanderfliegens der Sprengprodukte
Wirksamkeit der
ηηά. der besseren ..*/-. Lichtbogenlöschung.
Die Zündung des Sprengstoffes erfolgt mit Hilfe eines Elektrodetonators 17 und einer Verteilung 18 des Detonationsimpulses, die als. Sprengschnur gefertigt ist.
♦ ein ioinststoff aus Polytetrafluoräthylen
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Der Schalter arbeitet folgenderweise. Bei der Zuführung des Signals (Befehls) zum Abschalten des Stromkreises ruft
der Detonator 17 die Detonation des Sprengstoffes 15 hervor.
Unter Einwirkung der Sprengprodukte erhalten die Elemente des gefalteten Abschnittes 14- der stromführenden Schiene 1 eine Geschwindigkeit
in praktisch senkrecht zu ihrer Oberfläche verlaufender Richtung·
Die Fig. 4 zeigt die Eichtung der Vektoren der Geschwindigkeit
V der Elemente des gefalteten Abschnitts 14 und die relative Geschwindigkeit V der Enden des zu zerstörenden Abschnitts
14. Der gefaltete Abschnitt der stromführenden Schiene
beginnt sich also schon im Moment des Austritts der Detonationswelle auf die Oberfläche der Sprengstoffladung zu zerstören.
Es kommt zur Abschaltung des Stromkreises«
Die Pig· 5 zeigt den elektrischen Schalter mit der Sprengwirkung,
nach seinem Ansprechen.
Die Vorzüge des vorgeschlagenen Schalters beruhen im Vergleich
zu den bekannten auf folgendem.
Der Vektor der Geschwindigkeit V der Elemente der Hülle
einer Sprengstoffladung von beliebiger Form ist praktisch
senkrecht zu der Oberfläche der Ladung gerichtet· So bildet der Vektor der Geschwindigkeit V selbst in dem Falle, wenn die
Detonationsfront senkrecht zu ihrer Hülle verläuft, mit der
Senkrechten zu der Ladungsoberfläche einen Winkelo\ der gleich
= Are Sin (V/2D)
ist, wobei
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D - Detonationsgeschwindigkeit ist. Bei V = 2000 m/s und
D = 8000 m/s ergibt sich ein Winkel (VCS-7°.
In den bekannten Konstruktionen, in denen der zu zerstörende
Abschnitt der stromführenden Schiene als ein Zylinder ausgebildet ist, verlaufen die Vektoren der Geschwindigkeiten
der beiden Enden der zu zerstörenden Strecke zunächst parallel und ihre Relativgeschwindigkeit ist gleich Null.
Im vorgeschlagenen Schalter ist der Spitzenwinkel der Falte gleich. Q, und bereits im Moment des Austritts der
Detonation auf die Hülle ist die Geschwindigkeit der Verlänge rung der Strecke ^V (die Relativ^e^chwindigkeit des Auseinander
fliegens) gleich
Δ V = 2 V sin Qß/2)
Hat der Schalter η-Falten, so nimmt die Geschwindigkeit der Verlängerung der Strecke jeweils um das η-fache zu:
Δ V = 2n sin (ß/2)
Im vorgeschlagenen Schalter wächst die Länge der Trennstrecke also mit wesentlich größerer Geschwindigkeit als in
den bekannten Einrichtungen und dies gewährleistet eine viel größere Schnellwirkung des' Schalters«
Bei Sprengung der Ladungen mit den Hüllen bildet sich in
der Luft eine intensive Stoßwelle· Die Stoßwelle bildet sich
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jedoch, nicht unmittelbar an der Oberfläche der Ladung, sondern
in einem Abstand von 10 bis 40 gaskinetischen Längen des freien Weges der Luftmoleküle.
In den bekannten Einrichtungen erfolgt beim Ansprechen des Schalters eine intensive Erwärmung der Luft durch die
Stoßwelle sowie ihre Dissoziation und Ionisation. Im Ergebnis ist das metallische stromführende Element, obwohl es bereits
zerstört ist, von einer elektrisch leitenden Luftschicht umgeben. Das Gehäuse des vorgeschlagenen Schalters ist vakuumiert.
Bei der Vakuumierung des Gehäuses wird die Möglichkeit
der Bildung von Stoßwellen beseitigt. Die Sprengprodukte breiten sich überdies im Vakuum mit einer viel größeren Geschwindigkeit
aus und bewerkstelligen ein viel wirkungsvolleres Abblasen
des Bogens der Extraströme der Trennung. Die Schnellwirkung des Schalters nimmt dadurch zu.
Mit Rücksicht auf die Abhängigkeit der freien V/eglänge .
der Luftmoleküle von dem Druck ergibt sich, daß Stoßwellen sich im Schaltergehäuse bei dem Restdruck P (in mm
Quecksilbersäule) nicht bilden, welcher der Beziehung genügt:
P = 0,05/(R1-R2)
wobei R1 und R2 - jeweils die Radien des Gehäuses und der
stromführenden Schiene in cm sind.
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Und schließlich, da frei Ausdehnung der Sprengprodukte
ihr Druck proportional dem sechsten Grad des Radius des von ihnen eingenommenen Bereiches abnimmt, so reicht es zur Lokalisierung
der Sprengung aus, ein Gehäuse mit Abmessungen zu nehmen, die der Beziehung
3R2
genügen
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Claims (1)
- -Μ* 2345198PATENTANSPRUCHElektrischer Schalter mit Sprengwirkung, der ein Gehäuse, durch dessen Inneres eine hohle stromführende Schiene verläuft, die gegen das genannte Gehäuse isoliert ist, eine Sprengstoffladung, die innerhalb der stromführenden Schiene auf einem Abschnitt im Inneren des Gehäuses zwecks ihrer Trennung untergebracht ist, und einen Detonator zur Zündung des Sprengstoffes enthält, dadurch gekennzeichnet, daß der zu zerstörende Abschnitt der stromführenden Schiene (1) als ein gefaltetes Rohr (14) ausgebildet ist, das genannte Gehäuse 4 dabeihermetisch mit vakuumiertem Innenraum ausgeführt ist, wobei der Restdruck P (in mm Quecksilbersäule) und die Abmessungen des Gehäuses und der stromführenden Schiene des Schalters den BeziehungenP< 0,05/(B1-R2) unä R1^* 3R2.genügen,wobei R^. - Radius der Innenfläche des Gehäuses, cmj Rp - Radius der Außenfläche des zu zerstörenden Abschnittsder stromführenden Schiene, cm, sind.509812/0116Leerseite
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