DE2345196A1 - Schalter mit sprengwirkung - Google Patents

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!

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)

1. -Μ* 2345198

   PATENTANSPRUCH

   Elektrischer 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 dabei

   hermetisch mit vakuumiertem Innenraum ausgeführt ist, wobei der Restdruck P (in mm Quecksilbersäule) und die Abmessungen des Gehäuses und der stromführenden Schiene des Schalters den Beziehungen

   P< 0,05/(B₁-R₂) unä R₁^* 3R₂.

   genügen,

   wobei R^. - Radius der Innenfläche des Gehäuses, cmj Rp - Radius der Außenfläche des zu zerstörenden Abschnitts

   der stromführenden Schiene, cm, sind.

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   Leerseite