DE2442936A1 - Vakuum-stromkreisunterbrecher - Google Patents

Description

DiPL-ING. KLAUS NEUBECKER

Patentanwalt
4 Dusseldorf 1 · Schadowplafz "9 2442336

Düsseldorf, 3. Sept. 1974

Westinghouse Electric Corporation
Pittsburgh, Pa., V. St. A.

Vakuum-Stromkreisunterbrecher

Die vorliegende Erfindung betrifft Vakuum-Stromkreisunterbrecher.

Es ist bekannt, ein axiales Magnetfeld im Inneren eines Vakuum-"Flaschen"-Stromkreisunterbrechers bzw. eines Stromkreisunterbrechers vom Vakuumtyp zu verwenden, wie das in den US-PSen 3 321 599, 3 345 484 und 3 263 162, der GB-PS 1 258 015 sowie der FR-PS l 415 441 dargelegt ist. Allgemein sind dabei Spulen oder Wicklungen in Reihe mit den trennbaren Kontakten des Vakuum-Stromkreis unterbrache rs geschaltet.

Im Rahmen verschiedener Untersuchungen ist dargelegt worden, daß die axialen Magnetfelder den Unterbrecherstrom-Nennwert für Vakuum-Stromkreisunterbrecher erhöhen. Dieses axiale Magnetfeld wird parallel zu den Achsen der Elektroden angelegt, und die das Feld aufbauenden Spulen oder Wicklungen sind stets in Reihe mit dem Strom durch die Elektroden geschaltet. In den US-PSen 3 321 599, 3 372 259 und 3 372 258 wird das axiale Magnetfeld

509812/0805

durch eine außen um den Stromkreisunterbrecher gewickelte SoIenoid-Spule erzeugt, während in der US-PS 3 158 722 die Elektrodenschäfte aus Materialien stark voneinander abweichender elektrischer Leitfähigkeiten aufgebaut sind und von diesen "Schaftspulen" ein axiales Magnetfeld aufgebaut wird.

Das axiale Magnetfeld bewirkt eine Erhöhung der Fähigkeit eines Vakuum-Stromkreisunterbrechers, den Strom zu unterbrechen, aus zweierlei Gründen. Einmal wird die Lichtbogenspannung während der kritischen Halbwelle der Lichtbogenbildung vor der kritischen Halbwolle der Lichtbogenbildung nach dem natürlichen Stromnulldurchgang verringert. Diese Verringerung der Lichtbogenspannung vermindert die in dem Stromkreisunterbrecher freigesetzte Energie und damit den Temperaturanstieg der inneren Stromkreisunterbrecher-Komponenten auf ein Minimum. Insbesondere zeigen jüngere Untersuchungen e daß Axialfelder eine beträchtliche Erhöhung des der

bewirken

Anodenfleck-Bildung zugeordneten Strom-Schwellwerts/.Bei Niederstrom-Gleichstromuntersuchungen, wo eine Anode kleinen Durchmessers über einen langen Elektrodenabstand von der Kathode weggezogen wird, ist somit der Strom-Schwellwert für eine Anodenfleck-Bildung beim Fehlen eines axialen Magnetfeldes etwa 500 A. Wenn jedoch der Versuch mit einem axialen Feld von etwa 300 G wiederholt wird, so wird der Strom-Schwellwert für Anodenfleck-Bildung auf etwa 1500 A angehoben. Jüngere Veröffentlichungen zeigen, daß die Niederstrom-Anodenfleck-Versuche für das Hochstrom-Verhalten in Vakuum-Strpmkreisunterbrechern relevant aLnd, so daß davon ausgegangen werden kann, daß axiale Magnetfelder das Einsetzen der Anodenfleck-Bildung in einem praktischen Wechselstrom-Stromkreis-

509812/0805

Unterbrecher verzögern.

Zweitens ergibt sich ein Vorteil insofern, als ein axiales Magnetfeld eine begrenzende Wirkung ausübt. Dieses Feld verringert den Plasmakontakt mit dem Dampf-Kondensationsschirm und damit die Wahrscheinlichkeit, daß der Lichtbogen den Kondensationsschirm trifft. Dies ist eine besonders wichtige Wirkung, da viele kostensparend hergestellte Vakuum-Stromkreisunterbrecher einen Dampf-Kondensationsschirm aufweisen, der unmittelbar mit einer der Elektroden verbunden ist. Es wurde gezeigt, daß der Anstiegswert der dielektrischen Festigkeit bei diesen Ausführungen mit integraler Abschirmung nur geringfügig abfällt, jedoch können bei hohen Strömen (von annähernd 20 kA) infolge der Neigung des Lichtbogens, zu der Abschirmung überzuschlagen, Probleme auftreten. Die Überschlagneigung wird klein, wenn die Abschirmung bei der Lichtbogenbildung mit der Anoden-Elektrode verbunden ist. In der Tat stellt dies eine günstige Verbindung dar, da die Abschirmung als HilfsAnode wirkt und die Lichtbogenspannung verringert. Jedoch wird die Abschirmung während derjenigen Lichtbogen-Halbwellen, in denen die Abschirmung sich auf Kathodenpotential befindet, im Verhältnis zu dem Lichtbogenplasma negativ vorgespannt. Diese Verbindung führt zu keiner Verringerung der Lichtbogenspannung. Vielmehr kann unter diesen Umständen das Lichtbogen?lasma Kathodenflecke auf der Abschirmung auslösen, so daß es dann zu katastrophenartigen Störungen des Stromkreisunterbrechers kommt. Es läßt sich daher folgern, daß die axialen Magnetfelder sich in kostensparend hergestellten Stromkreisunterbrechern mit Sicherheit als wertvoll erweisen, insbesondere, wenn die Abschirmung sich während der Lichtbogen-Halb-

509812/0805

welle auf Kathodenpotential befindet.

Ein Vakuum-Stromkreisunterbrecher mit einem zwei trennbare Schalt-Elektroden umschließenden und an seiner Innenwand durch einen Kondensationsschirm geschützten Hochvakuumgehäuse ist erfindungsgemäß gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Erzeugung eines magnetischen Feldes zur Bildung eines Magnetfeldes zwischen den voneinander getrennten Elektroden, dessen Kraftlinien im wesentlichen parallel zur Längsachse eines sich zwischen den Elektroden erstreckenden Lichtbogens verlaufen» una/daß'die Einrichtung zur Erzeugung dieses magnetischen Feldes eine Feldwicklung aufweist, die den Kondensationsschirm elektrisch mit einer der Elektroden verbindet.

Zweckmäßigerweise ist im Rahmen der Erfindung die Feld-"Wicklung" im wesentlichen parallel zu dem Bogen geschaltet, wobei sie nur während der lichtbogen-!ldenden Halbwellen Strom führt. Die Wicklung 1st während normalen Wechselstrombetriebs bei geschlossenen Schalt-Elektroden praktisch kurzgeschlossen, so daß Leistungsverluste infolge Wirbelstromaufheizung der Strorakreieunterbrecher-Endplatten nicht auftreten. Die praktischen Ausführungsformen der Erfindung beruhen auf der Tatsache, daß Ströme von dem Lichtbogenplaama zu der. Abschirmung fließen, wenn die Abschirmung mit entweder dem Anoden- oder aber dem Kathodenpotential in Verbindung steht, wobei diese Verbindung über eine Spule oder Wicklung erfolgt. Wenn die Abschirmung mit dem Anodenpotential in Verbindung steht, so zieht sie Elektronenstrom von dem Lichtbogenplasma, da es dieser erheblich größere, durch die Spulen oder Wicklungen

509812/0805

fließend© Elektronen®trom ist, dar das axiale Magnetfeld erzeugt. Dieses axiale Magnetfeld verringert die Lichtbogenspannung und teilweise auch den Plasmakontakt mit der Abschirmung. Vor allem wurde festgestellt, daß auch große lonenströme von dem Plasma zu der Abschirmung fließen, wenn die Abschirmung mit Kathodenpotential in Verbindung steht. Dieser Ionenstrom kann in der Größenordnung von 10 % des Lichtbogenstroms liegen. Somit werden auch für die Wechselstromperioden, während der die Abschirmung über ihre Spule oder Wicklung mit Kathodenpotential in Verbindung steht, beträchtliche axiale Magnetfelder erzeugt.

In vorteilhafter Weise sind verschiedene Kondensationsschinn-Ausführungen vorgesehen, bei denen der durch die Kondensationsschirme aufgenommene Ionen- oder Elektronenstrom in vorteilhafter Welse zur Bildung eines axialen Magnetfeldes im Innern des Vakuumgehäuses ausgewertet wird, um so für eine Eingrenzung des Lichtbogens ohne ernsthafte Anodenfleck-Bildung und rasches Löschen desselben nach dem Auftreten einer niedrigen Lichtbogenspannung zu sorgen.

Es kann eine innere Spule oder Wicklung vorgesehen sein, die elektrisch zwischen den stationären Kontakt oder die stationäre Elektrode und den im Inneren des Stromkreisunterbrechers angeordneten Kondensationsschirm geschaltet ist. Entsprechend einer Ausführung der Erfindung ist eine externe Wicklung vorgesehen, die elektrisch zwischen den stationären Kontaktschaft und - über einen Sondenanschluß - den im Innern des Stromkreisunterbrechers angeordneten Kondsnsationsschirm geschaltet ist. Entsprechend einer weiteren Ausführung der Erfindung kann eine externe Wicklung zwischen den

509812/0805

stationären Kontaktschaft und eine Endplatte des Stromkreisunterbrechers geschaltet sein, wobei vorzugsweise der im Innern angeordnete Kondensationsschirm mit der Endplatte verbunden ist/ so daß die extern angeordnete Wicklung zwischen dem stationären Kon takt und dem im Inneren angeordneten Kondensätionsschirm liegt.

Naefo einer weiteren Ausfuhrungsform der Erfindung ist eine allgemein spiralförmige Wicklung im Inneren des Stromunterbrecher-Gehäuses angeordnet? die an der Endplatte abgestützt ist, die dem dem stationären Kontakt benachbarten Ende des Stromkreisunterbrechers zugeordnet ist. Diese Wicklung bildet den im Inneren angeordneter Kondensationsschirm für den Stromkreisunterbrecher.

Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der im Inneren angeordnete Kondensationeschirm geteilt ausgebildet, wobei die eine Hälfte elektrisch über eine Wicklung mit dem stationären Kontakt des Stromkreisunterbrechers verbunden ist, während die andere Hälfte des unterteilten Kondensation*»chirms elektrisch über eine zweite Wicklung mit dem beweglichen Kontakt des Stromkreis-Unterbrechers in Verbindung steht. Di· beiden Wicklungen wirken in kumulativer Weis· wi· «ine Helmholtz-Spule, um ein internes axiales Magnetfeld zu bilden.

Nach einer weiteren Aueführungsmöglichkeit der Erfindung ist eine isolierte Abschirmung vorgesehen, bei der die Abschirmung auf keinem festen elektrischen Potential liegt und mit keiner der beiden Elektroden verbunden ist. Diese Abschirmung ist im wesentlichen spiralförmig ausgestaltet. Dabei ist davon auszugehen, daß Teile

509812/0805

der Abschirmung n@b®n der Kathodenelektrode vorwiegend Elektronenstrom aufnehmen. Neben der Anoden-Elektrode befindliche Teile der Abschirmung nehmen vorwiegend Ionenstrom auf.-Diese Ströme sind gleich groß, da eine Abschirmung mit freiem elektrischem Potential insgesamt keinen Strom aufnimmt. Durch das Aufnehmen von Elektronen am Kathodenende der Abschirmung und von Ionenstrom aia Anodenende der Abschirmung ergibt sich ein zirkulierender Strom durch die Spulen oder Wicklungen, die die Abschirmung bilden.

Es ist nicht notwendig, daß die das axiale Magnetfeld erzeugende Wicklung nur mit dem stationären Kontakt des Stromkreisunterbrechers verbunden wird. Nach einer weiteren Ausführung der Erfindung ist die Wicklung elektrisch zwischen den beweglichen Kontakt des Unterbrechers und den im Inneren angeordneten Kondensationsschirm geschaltet.

Nach einer weiteren Ausführung der Erfindung ist ein Kondensationsschirm einer Vakuumvorrichtung mit feststehendem Spalt über einen Wicklungsstreifen mit einer der beiden feststehenden Elektroden verbunden. ^;

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der zugehörigen Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. l einen Vertikalechnitt durch einen Stromkreieunterbrscher nach der Erfindung, dessen Kontakte sich im geöffneten Zustand befinden;

50981 2/0805

IA ©ine abgewandelte Ausführung der Fig. 1, bei der d@r Kondeneationssehirm nur durch den Magnetfeld-Wicklungsstreifen gehalten .ist;

einen Horizontalschnitt längs der Linie II - II der Fig. 1, in Richtung der Pfeile gesehen;

aiiie abgewandelte Ausführung eines Stromkreis-Unterbrechers nach der Erfindung, bei der die das

axiale Magnetfeld erzeugende Wicklung außerhalb des Gehäuses angeordnet und mit dem internen Konäensationsschirm über ein® die Seitenwandung des durchsetzende Sonde- verbunden ist;

ein® weitere Ausfuhrungsfoxm der Erfindung mit ©xtexner Wicklung zur Erzeugung eines axialen Magnetfeldes, die mit dem Kontaktschaft sowie ά®ΐ Endplatt© oder Emikappe des Stromkreisunter for©©Sa@rs wtbumaen ist» wobei der Kondensations

ebenfalls an die @rwähata Endplatte ange ist;

@in@E Veictikalschnitt durch eine weiter abgewan delte Ausführungsform eines Stromkreisunterbrechers nach der Erfindung, bei der der Kondensationsschirm spiralförmig ausgestaltet und elektrisch mit einer Endkappe des Stromkreisunterbrechers verbunden ist;

509812/0805

Fig«. 6 eine weitere Ausführung dar Erfindung mit unterteiltem Kondensationssehirm, der über zwei Wicklungsstreifen an die beiden trennbaren Kontakte des Stromkreisunterbrechers angeschlossen ist,
so daß sich im Inneren der Vakuum-"Flasche" ein axiales Magnetfeld ergibt;

Fig» 7 eine weitere Ausführung der Erfindung mit einem Kondensationsschirm freien elektrischen Potentials, der im wesentlichen spiralförmig ausgestaltet ist, so daß darin zirkulierende Ströme das axiale Magnetfeld in dem Stromkreisunterbrecher-Gehäuse erzeugen;

Fig» 8A schematisch eine Ansicht der für den Stromkreisunterbrecher der Fig. 7 maßgeblichen Prinzipien zur Erzeugung axialer Magnetfelder über die in einem Kondensationsschirm freien elektrischen Potentials zirkulierenden Ströme;

Fig. 8B schematisch eine Ansicht ähnlich Fig. 8, die die bei dem Stromkreisunterbrecher der Fig. 7 zirkulierenden Ströme weiter veranschaulicht;

Fig. 9 ein Diagramm, das die Grundlagen der Lichtbogenverringerung mittels axialer Magnetfelder veranschaulicht, die durch Ionenströme zu dem Kondensationsschirm erzeugt werden;

509812/0805

α IO ©in die Beziehung zwischen den Magnetfeldern, die von Spulen ©der Wicklungen unterschiedlichen geometrischen Aufbaues durchfließenden Strömen erzeugt werden, veranschaulichendes Diagramm;

ο Ii, ein die Erzeugung stabiler Arheitpunkte in Abhängigkeit von der Spulehgecmetrie durch die Spulen durchströmende lonenströms veranschaulichendes Diagramm;

Lg« 12 ein Schaltbild der Untersuchungsschaltung, die zur Überprüfung dar Tatsache verwendet wurde, daß die Brennspannung von Vakuum-Lichtbögen hohen Stroms durch Verbindung des Kondensationsschirms über eine Spule oder Wicklung mit einer der Elektroden beträchtlich verringert wirdι

. 12A schematisch den Aufbau eines in Verbindung mit der Schaltungsanordnung nach Fig. 12 untersuchten Stromkreisunterbrechers, dessen Geometrie dabei der Ausführung nach Fig. 3 entspricht;

Fig. 13 ein Diagramm der in Verbindung mit der Schaltung nach Fig. 12 gewonnenen Meßergebnisse, wobei die Lichtbogenspannung für einen 36 Hz-Wechselspannungsbogen als eine Funktion des Lichtbogenstrome bis zu 20 kA « aufgetragen wurde, und aswar zunächst für unmittelbar mit der Kathode verbundenen Kondensationsschirm, sodann für mit dem Kathodenpotential

509812/0805

über ©in© extern© Wicklung mit sechs Windungen verbundenen Kondsnsationsschim und schließlich für einen mit der Kathode über ©ine.Wicklung mit , swölf Windungen verbundenen Kondensationsschirmf

Fig. 14 ©inen der Kurv® nach Fig. 13 entnommenen Bezugs-' wert, wobei die Llchtbog©nspannung während einer Halbwelle der Lichtbogenbildung bei einem Stromniveau von 15 kA_A« wiedergegeben wurde, wie sie sich für ©inen Stromkr<aisunt@rbr@cher mit an die Kathode üb©r ©ine Feldwicklung mit sechs Windungen angeschlossenem Kond@n@atlone@chirm ergab, zusammen mit der in d©m Stromkrei®unterbrecher verbrauchten

Fig_o. 15 ©in Diagramm, in dem wiederum di@ Lichtbogenspannung und d®r Leistungsv@rbr.auch für den 15 kA-Lichtbogen d@r Fig» 14 aufgetragen wurden, jedoch bei unmittelbar mit Kathodenpotential verbundenem Kon-

Dia@raam_? in d©m der Scheitel-Abschirmungs-

Ionmn®tx®m in Aöhäagigkeit des 3S Hz-Liehtbog@n-

ia F©os v©a drei Kurv®m aufgetragen ist, di© @^st© &«or© d®aa voa der Kondensationsbei d©r©n Anschluß unmittelbar an die

Kathod® ®ufg®ii©ie»a®n Xonenstrom, die zweite Kurve d@m von d@r Kondensationsabschirmung bei deren

509812/0805

Anschluß an die Kathode über eine Wicklung mit sechs Windungen aufgenommenen Ionenstrom und die dritte Kurve dem von der Kondensationsabschirmung bei Verbindung mit der Kathode über zwölf Windungen aufgenommenen Ionenstrom entspricht;

Fig. 17-19

typische Oszillogramme des von der Kondensationsabschirmung während einer Wechselstrom-Lichtbogenbildung bei 15 fe&_eff aufgenommenen Ionenstroms, wobei entsprechend Fig. 17 der Scheitel-Ionenstrom 3,2 kA entspricht und die Kondensationsabschirmung unmittelbar mit der Kathode verbunden ist, in Fig. 18 der Scheitel-Ionenstrom 1 kA entspricht und die Kondensationsabschirmung mit der Kathode über eine Wicklung mit sechs Windungen verbunden ist und in Fig. 19 der Scheitel-Ionenstrom 0,42 kA beträgt und die Kondensationsabschirmung mit der Kathode über eine Wicklung mit zwölf Windungen in Verbindung steht;

Fig. 20 ein die Augenblickswerte der Lichtbogenspannung und der Lichtbogenleistung bei 60 Hz-Lichtbogenbildung mit 14,5 k&_ef« wiedergebendes Diagramm, wobei die Kondensationeabschirmung mit dem Kathodenpotential über eine Wicklung mit sechs Windungen verbunden ist;

Fig. 21 ein Diagramm der Augenblickswerte der Lichtbogenspannung und der Lichtbogenleistung für 60 Hz-Licht-

509812/0805

foogenbildung bei 14,5 &&_@££<r bei unmittelbar mit dem Kathodenpotantial verbundener Kondensationsabschirmung?

Fig. 22 ein Diagramm zur Demonstration, daß axiale Magnetfelder die Fähigkeit der S troinkrelsunterb recher, hohe Ströme zu unterbrechen, erhöhen, wobei - wenngleich die Kurven der Fig. 22 durch Anlegen axialer Magnetfelder bestimmt wurden_f die von Feldwicklungen in Reihe mit dem Lichtbogenstrom erzeugt wurden die Kurven doch das erhöhte Unterbrechervermögen verdeutlichen (offene Punkte sind Unterbrechungswerte ohne angelegtes axiales Magnetfeld, während die vollen Punkte Unterbrechungswerte bei angelegtem Magnetfeld repräsentieren); -

Fig. 23 ein© etwas schematisierte Darstellung der Augenblieks-Stroinbedinguagen* bei denen der stationäre Kontakt als Kathode und der zugehörige bewegliche Kontakt als Anode wirkt;

Fig. 24 ähnlich Fig. 23 in etwas schematisierter Form die Augenblicks-Strombedingungen für einen Zeitabschnitt , in dem der stationäre Kontakt als Anode und der zugehörige bewegliche Kontakt als Kathode wirkt;

Fig„ 25 ©ine fotografische Darstellung eines 1000 A-Licht-

509812/0805

hogens zwischen einer großflächigen Kathode und einer kleinflächigen Anode bei angelegtem axialem Magnetfeldι

Flg. 2-5 eine fotografisch® Darstellung des gleichen Lichtbogens wie bei Fig. 25, jedoch ohne Einwirkung ©Ines axialen Magnetfeldes; und

Fig« 27 (Zeichnungsblatt 2) eine Anwendung der Erfindung auf eine triggerbare Lichtbogenvorrichtung mit feststehendem Spalt.

Die Verwendung eines axialen Magnetfeldes in einem Vakuum-Stromkreisunterbrecher ist - wie eingangs erwähnt - aus den üS-PSen 3 233 103, 3 345 484, 3 321 599, 3 263 162, der FR-PS 1 415 441 sowie der GE-PS 1 258 015 bekannt. In allen diesen vorgenannten Patentschriften läßt sich feststellen, daß die Magnetfeld-Wicklung in Reihe mit den trennbaren Kontakten liegt, so daß die Magnatfald-Wicklungsn diesen Reihenstrom im geschlossenen Zustand der Schalter ständig führen.

Es ist daher ein wesentliches Merkmal der vorliegenden Erfindung, daß im geschlossenen Zustand des Stromkreisunterbrechers nach der Erfindung die Kontakte nach ihrem Schließen die Magnetfeldanordnung vollständig überbrücken, so daß diese nur zur Zeit der Lichtbogenbildung das axiale Magnetfeld im Inneren des Stromkreisunterbrechers aufbaut, um den UnterbrechungsVorgang zu unterstützen .

509812/0805

Das bringt den bedeutenden Vorteil mit sich, daß auf diese Weise Erwärmungen im geschlossenen Zustand des Stronikreisunterbrechers vermieden werden, wogegen für axiale Magnetfeldanordnungen nach dem Stand der Technik, deren Wicklungen ständig mit Energie versorgt wurden, dieses Erwärmungsproblem ebenso wie das Wirbelstrom-Erwärmungsproblem hingenommen werden mußte, wobei beide Probleme offensichtlich unerwünscht sind.

Fig. 1 und 2 zeigen einen Vakuum-Stromkreisunterbrecher 1 mit einem evakuierten Gehäuse 2, das mit Endkappen 3 und 4 versehen ist. An die obere Endkappe 3 ist ein stationärer Kontaktschaft 5 angeschlossen, an dessen unterem Ende ein stationärer Kontakt oder eine stationäre Elektrode 6 angeschlossen ist.

Der stationären Elektrode 6 ist trennbar eine bewegliche Elektrode 7 zugeordnet, die über eine geeignete externe Betätigungseinrichtung (nicht dargestellt) ausgelöst werden kann, die mit dem oberen Ende eines flexiblen Metallbalgs 8 verhandelest. Das untere Ende 8a des Metallbalgs 8 ist in einer öffnung 9 der unteren Endkappe 4 festgelegt. Der Metallbalg 8 sorgtcfür einen Vakuumdichten Abschluß für den Betrieb des beweglichen Schafts 10 der beweglichen Elektrode 7. Der geschlossene Zustand der Vorrichtung ist mit gestrichelten Linien 11 angedeutet, während die durchgehenden Linien der Fig. 1 die Vorrichtung in ihrem voll geöffneten Zustand wiedergeben.

In dem Isoliergehäuse 12, das beispielsweise aus einem geeigneten keramischen Material hergestellt sein kann, befindet sich ein me-

509812/0805

tallischer Kondensationsschirm 13. Wie allgemein bekannt, sorgt der Kondensationsschirm 13 dafür, daß kein durch Zerstäubung der Kontakte 6, 7 während der Lichtbogenbildung erzeugter Metalldampf an der Innenseite der Gehäusewandung 12a abgelagert werden kann, was sonst zu einem internen Durchschlag infolge der zwischen den Kontakten 6 und 7 bei öffnung des Stromkreisunterbrechers 1 herrschenden Spannung führen könnte. Beispielsweise kann der Stromkreisunterbrecher bei einer Spannung von 15 kV arbeiten, so daß die innere Gehäusewandung 12a des keramischen Isoliergehäuses 12 im geöffneten Zustad des Stromkreisunterbrechers 1 Werten standhalten können muß, die weit über dem Betriebswert von 15 kV liegen.

Wie zu erkennen, ist der Kondensationsschirm 13 teilweise an dem oberen stationären Kontaktschaft 5 über einen gewundenen oder gewickelten Metallstreifen 19 abgestützt, der eine magnetische Feldwicklung bildet und für einen guten elektrischen Kontakt zwischen dem Kondensationsschirm 13 und dem Kontaktschaft 5 sorgt. Der Kondensationsschirm 13 befindet sich somit auf dem gleichen Spannungspotential wie der obere stationäre Kontakt 6. Eine weitere Abstützung des Kondensatioasschirms 13 kann durch einen ringförmigen Flansch 15 gebildet sein, der in einer Ringnut 17 in der inneren Gehäusewandung 12a des Isoliergehäuses 12 verläuft. Der Kondensationsschirm 13 wird durch den gewundenen Metallstreifen 19 abgestützt, und man erkennt, daß somit die eine Windung des Metallstreifens 19 bei der Lichtbogenbildung ein axiales Magnetfeld in dem Stromkreisunterbrecher 1 hervorruft.

509812/0805

Die Wirkungsweise des abschirmenden Μ«tailstri·fens 19 wird zunächst im Hinblick auf den bedeutsamen Zustand erläutert, daß der Kondensationsschirm 13 bei der Lichtbogenbildung mit Kathodenpotential verbunden ist. Beim Fehlen eines eingrenzenden oder einschnürenden Magnetfeldes ist die Wahrscheinlichkeit einer Lichtbogenbildung zu der Abschirmung hin hoch, wie mit Fig. 23 gezeigt. Das Plasma steht in gutem elektrischen Kontakt mit dem vorgespannten Schirm, und Versuche bis zu 20 JcA haben gezeigt, daß die Abschirmung einen Ionenstrom "i" von etwa 10 % des Lichtbogenstroms "I" aufnehmen kann. Bei einer Abschirmungs-Ausgestaltung entsprechend Fig. 1 und 2 muß jedoch der Abschirmstrom von dem Plasma zu dem Kathodenschaft über die von dem Metallstreifen 19 gebildete Wicklung fließen, so daß ein einschnürendes oder begrenzendes axiales Magnetfeld erzeugt wird. Die Lichtbogenspannung und die Wahrscheinlichkeit der Lichtbogenbildung zur Abschirmung hin werden verringert. Es sei darauf verwiesen, daß die Spule der Fig. 19, die die Abschirmung mit dem Elektrodenschaft verbindet, auf der Außenseite des Stromkreisunterbrechers statt in dessen Innerem, wie mit Fig. 3 gezeigt, angeordnet sein kann. Unter diesen Umständen ist die Abschirmung elektrisch von beiden inneren Elektroden isoliert, jedoch mit efeier der Elektroden über die Spule und eine elektrische Verbindung mit dem Flansch zur Schirmabstützung unter Vorspannung verbunden.

Unter Zugrundelegung von Fig. 1 seien die möglichen Größen des von dem Metallstreifen 19 erzeugten Magnetfeldes betrachtet. Wird als Näherung für den Metallstreifen 19 der Fig. 1 und 2 von einer einzelnen Schleife mit dem Radius "R" gleich dem Abschir-

509812/0805

mungsradius ausgegangen, so ergibt sich das Magnetfeld in dem Zwischenraum oder Abstand zwischen den Elektroden entsprechend dem folgenden Ausdruck:

"axial 2 (R² + χ²) V2 ' ^lJJ

worin ^Nx^M der Abstand von der Spulenebene zu einem Punkt in dem Spalt zwischen den Elektroden ist. Da die Spule oder Wicklung in der Elektrodenebene angeordnet werden kann, sei ^Hx^M im Vergleich zu "R" vernachlässigt. Die Beziehung (1) nimmt dann die folgende Form an:

«axial -55 ⁽*> Jedoch gilt:

^Haxial ^

wobei Ai₀ die Permeabilität des freien Raumes (4 Tf χ ίο"⁷ Hm"¹) ist.

Daraus folgt: B (G) - « i (6 χ 1O~³) .

2R χ 10' ^K

In derzeitigen Stromkreisunterbrecher-Ausführungen hat "R" einen Wert von 3 bis 4 cm. Läßt man "i", den Ionenstrom, einen Wert von annähernd 10 % von "I", dem Lichtbogenstrom, annehmen, so gilt:

B « I · 2 χ 10"² G

Für dieses Beispiel ist das Feld 200 G bei einem Lichtbogenstrom von 10 JcA. Naturgemäß kann das Feld bei einem gegebenen Lichtbogenstrom erhöht werden, indem der von dem Metallstreifen 19 gebil-

509812/0805

deten "Feldspirale", die die Abschirmung mit dem Elektrodenschaft 5 verbindet, weitere Windungen hinzugefügt werden. Beispielsweise wird mit zwei Windungen für einen Lichtbogenstrom von 5 kA ein Feld von 200 G erzielt. Dieses ist ein bedeutsames und brauchbares Feld. Die Lichtbogenspannung in einem 600 A-Stromkreisunterbrecher bei einem Elektrodenabstand von beispielsweise 1,9 cm liegt in der Größenordnung von 38 V bei 4,2 kA, wenn kein magnet!- sches Feld vorhanden ist. Wird über externe Helmholtz-Spulen ein Feld von 200 G angelegt, so sinkt die Lichtbogenspannung auf 30 V ab, während der Ionenstrom "i" weiterhin einen Wert von 220 A hat. Dieser Ionenstrom könnte das erforderliche Magnetfeld erzeugt haben, wenn er durch vier Windungen der beschriebenen Schleife geführt worden wäre.

Eine abgewandelte Kondensationsschirm-Ausführung ist mit Fig. 5 wiedergegeben. Hier ist die Abschirmung voryeinem spiralförmigen Metallstreifen 19A gebildet, dessen Windungen einander überlappen, um das Isoliergehäuse gegenüber Dampfablagerung zu schützen. In Fig. 5 ist die Abschirmung mit der stationären Elektrode verbunden, wenngleich beide Arten von Elektrodenabstützungen sich als zufriedenstellend erweisen würden.

Es sei nun die weniger wichtige Situation betrachtet, daß nämlich die Abschirmung mit der lichtbogenbildenden Anode entsprechend Fig. 24 verbunden ist. Diese Verbindung ist deshalb weniger wichtig, weil die Abschirmung jetzt gegenüber dem Plasma positiv vorgespannt ist und sich keine Kathodenflecken an der Abschirmungsoberfläche bilden können. Somit ist die Wahrscheinlichkeit gering,

509812/0805

daß der Lichtbogen auf die Abschirmung auftrifft, selbst ohne ein begrenzendes oder einschnürendes Magnetfeld.

Beim Fehlen eines Feldes wirk: eine mit der Anode verbundene Abschirmung als Hilfsanoder die einen Netto-Elektronenstrom aus dem Plasma zieht. Dies ist günstig/ da der Schwellwert-Strom für die Anodenfleck-Bildung mit effektiver Anodenfläche ansteigt. Wenn die Windungen mit der Abschirmung verbunden sind, wie mit Fig. 1 bis 5 gezeigt, so wird dieser Elektronenstrom durch das resultierende axiale Magnetfeld etwas verringert. Man kann jedoch erwarten, daß die resultierende Abnahme des Anodenfleck-Grenzwertstroms durch die eingrenzende Wirkung des Magnetfelds ausgeglichen wird. Insbesondere wurde auf experimentellem Wege beobachtet, daß die Lichtbogenspannung von Hochstrom-Lichtbögen bis zu 25 kA beträchtlich herabgesetzt wird, wenn die Abschirmung mit Anodenpotential über etwa sechs Windungen einer Wicklung in Verbindung steht.

Sofern notwendig, kann eine Vorrichtung mit unterteilter Abschirmung vorgesehen sein, wobei jeweils eine Hälfte der Abschirmung über eine Spule oder Wicklung mit einer der Elektroden verbunden ist. Dieser Aufbau ist schematisch mit Fig. 6 wiedergegeben. Hier ist die Abschirmung durch einen Schnitt parallel zu den Elektrodenachsen unterteilt. Jedoch könnte die Abschirmung ebenso auch durch einen zu den Elektrodenflächen parallelen Schnitt unterteilt sein.

Ein abschließendes Konzept betrifft die Anwendung eines durch eine Abschirmung erzeugten axialen Magnetfeldes während der Licht-

509812/0805

bogenbildung, selbst wenn die Abschirmung elektrisch von beiden Elektroden isoliert ist. Es sei angenommen, daß die auf einem freien elektrischen Potential befindliche Abschirmung der Fig. 7 in Nachbarschaft des Lichtbogen-Spaltes einen im wesentlichen spiralförmigen Verlauf hat.

Da die auf freiem elektrischen Potential befindliche Abschirmung gegenüber beiden Elektroden isoliert ist, nimmt sie bei der Lichtbogenbildung insgesamt den Strom 0 von dem benachbarten Lichtbogenplasma auf. Man kann jedoch davon ausgehen, daß die Abschirmung Elektronenstrom in Bereichen neben der Kathoden-Elektrode aufnimmt, und einen gleichgroßen Ionenstrom zu Bereichen neben der Anoden-Elektrode. Infolge dieser Verteilung der Stromaufnahme gelangt ein zirkulierender Strom durch die Spiralen der Abschirmung, so daß ein axiales Magnetfeld erzeugt wird.

Dieser in Fig. 7 auftretende Mechanismus sei weiter anhand von Fig. 8A und 8B veranschaulicht. In Fig. 8A brennt ein Lichtbogen mit dem Strom "I" zwischen einer Anode und einer Kathode. Dieser Lichtbogen brennt durch das in zwei Metallplatten I und II gebohrte Loch. Die Platten seien voneinander isoliert, so daß es in der Lichtbogensäule zu einem nennenswerten Spannungsabfall kommt. Die gesamte Lichtbogenspannung sei etwa 150 V, und das Plasmapotential neben der Platte I ist etwa 100 V positiv im Verhältnis zu Kathodenpotential, während das Plasmapotential in der Lichtbogen-Säule in Nähe der Platte II 50 V positiv gegenüber Kathodenpotential ist. Aus Langmuir-Sonden-Betrachtungen weiß man, daß das Potential der Platte I etwa 100 V positiv gegenüber der

509812/0805

Kathode ist, während das isolierte Potential der Platte II etwa 50 V positiv gegenüber dem Kathodenpotential ist, d.h. die Platten nehmen das Potential des benachbarten Plasmas an.

Es sei nun die Wirkung der Verbindung der Platten I und II über ein Amperemeter betrachtet, wie das mit der gestrichelten Linie in Fig. 8A angedeutet ist. Das Potential der Platte I fällt von 100 V positiv i« Verhältnis zur Kathode auf etwa das Potential der Platte II, d.h. das Potential der Platte I fällt von 100 V auf 50 V ab. Infolgedessen wird die Platte I effektiv auf -50 V gegenüber dem Potential des angrenzenden Bogenplasmas vorgespannt, so daß infolgedessen ein Netto-Ionenstrom "I," von dem Lichtbogen gezogen wird. Infolge der hohen Elektronenbeweglichkeit steigt das Potential der Platte II nur um einige V positiv im Verhältnis zu dem benachbarten Lichtbogenplasma an, d. h. es steigt von beispielsweise zunächst 50 V positiv im Verhältnis zur Kathode auf etwa 52 oder 53 V positiv im Verhältnis zur Kathode an. Die Platte II wird somit wirksam positiv im Verhältnis zu dem benachbarten Bogenplasma vorgespannt, so daß sie insgesamt einen Elektronenstrom "I," aus dem Lichtbogenplasma zieht. Somit ziehen beide Metallplatten I und II insgesamt einen Strom Null aus dem Lichtbogenplasma, aber das die beiden Platten miteinander verbindende Amperemeter zeigt einen zirkulierenden Gesamtstrom "I₁" an. Es ist dieser zirkulierende Strom, der zur Erzeugung des axialen Magnetfeldes eingesetzt wird.

Mit Fig. 8B ist wiedergegeben, wie die beiden Enden der Metallabschirmung, die den beiden Platten I und II der Fig. 8 A zugeordnet

509812/0805.

werden kann, über einen Metallstreifen in Form einer Wicklung miteinander verbunden sind. Umlaufende Ströme durch diese Wicklung erzeugen das gewünschte axiale Magnetfeld.

Insges*n»t erzeugt die Abschirmung nach Fig. 7 ein axiales Magnetfeld aufgrund der Tatsache, daß es längs der Hochstrom-Lichtbogensäule neben einer Abschirmung beträchtlicher Gesamtlänge zu einem nennenswerten Spannungsabfall kommt. Dieser Spannungsabfall treibt einen zirkulierenden Strom durch die Abschirmungs-Wicklungen.

Bei der Klarstellung des Mechanismus, entsprechend dem die Abschirmungsströme axiale Magnetfelder wie beispielsweise in Fig. 1 erzeugen, soll das Gewicht auf die Beschreibung der auf Kathodenpotential vorgespannten Abschirmung gelegt werden. Diese Verbindung ist von besonderer Bedeutung. Wenn eine Abschirmung mit Anodenpotential verbunden ist, selbst ohne Abschirmungswicklungen, so wirkt die Abschirmung wie eine Hilfsanode, so daß die Lichtbogenspannung deutlich verringert wird. Wenn jedoch eine Abschirmung unmittelbar mit Kathodenpotential verbunden ist, so kommt es zu keiner Verringerung der Lichtbogenspannung. Eine über Wicklungen mit einer der beiden Elektroden verbundene Abschirmung führt zu einer Verringerung der Lichtbogenspannung, und es soll nachstehend im einzelnen der Mechanismus der Spannungsverringerung für mit der Kathode verbundene Abschirmungen erläutert werden. Hierzu sei zunächst Fig. 10 betrachtet. Wird irgendeine Wicklung mit einem bestimmten geometrischen Aufbau zugrundegelegt, so steigt die Magnetfeldstärke im Zentrum der Wicklung linear mit dem die Wicklung durchfließenden Strom an. Für einen bestimmten die Wicldung durch-

509812/0805

fließenden Strom ist die Feldstärke umso größer, je größer die Anzahl der Windungen der Wicklung ist. Für die verschiedenen Ausführungen der Erfindung ist die Wicklung die Metallwicklung, die entweder extern oder intern die Abschirmung mit einer der Elektroden verbindet» Dieser Strom ist ein Ionenstrom, wenn die Abschirmung gegenüber der Kathode vorgespannt ist. In Fig. 10 ist gezeigt, daß mit zunehmendem Ionenstrom durch eine bestimmte Wicklung auch das axiale Magnetfeld ansteigt. Dieser Ionenstrom wird zu der Abschirmung hin von dem Lichtbogenplasma gezogen. Naturgemäß verringert ein ansteigendes, durch die Wicklung erzeugtes axiales Magnetfeld den Kontakt des Lichtbogenplasmas mit der Abschirmung. Infolgedessen kommt es zu begrenzten Arbeitspunkten, die durch die Ionenstromabhängigkeit von dem axialen Magnetfeld und die Abschirmungsgeometrie bestimmt sind.

Entsprechend Fig. 11 wird fttrieinen bestimmten Lichtbogenstrom und kein magnetisches Feld ein großer Ionenstrom von einer negativ vorgespannten Abschirmung aufgenommen. Der Schnittpunkt mit der Y-Achse zeigt den Ionenstrom zu der Abschirmung, wenn die Abschirmung keine Windungen enthält. Aus Untersuchungen ist bekannt, daß der lonenstrom zu einer Abschirmung ohne Windungen aufgrund eines extern angelegten axialen Magnetfeldes abnimmt. Dieser abnehmende lonenstrom ist in der Fig. 11 mit der gestrichelten Linie angedeutet. Es sei nun angenommen, daß die Abschirmung eine Anzahl Windungen zwischen der Abschirmung und der Kathode hat. Durch Analogie mit Fig. 10 ergibt sich, daß das erzeugte axiale Magnetfeld linear mit dem lonenstrom zu der Abschirmung ansteigt. Für einen bestimmten Lichtbogenstrom arbeitet die Abschirmung

509812/0805

auf dem stabilen Arbeitspunkt, der durch den Schnitt der Abschirmungs-Lastlinie und der Ionenstromkurve gegeben ist. Es seien ferner die praktischen Untersuchungswerte der Fig. 9 in Betracht gezogen. Das Diagramm der Fig. 9 wurde anhand von Daten unter Verwendung eines praktischen Vakuum-Stromkreisunterbrechers mit einem extern angelegten axialen Magnetfeld erhalten. Die Daten beziehen sich alle auf einen Lichtbogenstrom von 4,2 kA. Es sei zunächst die Lichtbogen-Spannungskurve betrachtet. Wenn das axiale Magnetfeld Null ist, so beträgt die Lichtbogenspannung 38 V. Bei Anlegen eines Magnetfeldes von etwas weniger als '200 G fiel die Lichtbogenspanung auf 30 V ab. Die Lichtbogenspannung erhöht sich dann langsam mit weiterer Erhöhung des Magnetfeldes. Es sei nun die Ionenstromkurve betrachtet. Diese Kurve wurde für die unmittelbar mit Kathodenpotential verbundene Abschirmung ermittelt, jedoch für verschiedene Werte des extern einwirkenden axialen Magnetfeldes. Beim Fehlen eines axialen Feldes hat der Ionenstrom von dem 4,2 kA-Lichtbogenplasma einen Wert von etwa 280 A. Mit Anwachsen des auf das Lichtbogenplasma einwirkenden Feldes nimmt dieser Ionenstrom ab, um für ein Feld von 800 G einen Wert von etwa 120 A anzunehmen.

Es sei nun die Lichtbogen-Situation betrachtet, bei der anstelle der Beaufschlagung mit externen axialen Magnetfeldern die Abschirmung über mehrere Windungen mit dem Kathodenpotential verbunden ist. Analog den Fig. 10 und 11 hat die Abschirmung eine Wicklungs-Lastlinie. Diese Wicklungs-Lastlinie ist in Fig. 9 wiedergegeben und schneidet die Ionenstromkurve an einer Stelle "A". Es seien die Möglichkeiten betrachtet. Es ist offensichtlich, daß

509812/0805

der Lichtbogen bei Magnetfeld Null nicht brennt. Für diese spezielle hypothetische Situation würde ein Ionenstrom von 280 A von dem Lichtbogenplasma zu der Abschirmung fließen, bei einer Lichtbogenspannung von 40 V. Jedoch würde ein Abschirmungs-Ionenstrom von 280 A entsprechend der Wicklungs-Lastlinie ein großes Magnetfeld erzeugen. Somit ist ein Arbeitspunkt bei Magnetfeld Null instabil. Der einzige stabile Arbeitspunkt ist der Punkt "A". Wie in Fig. 9 zu erkennen, wird das Lichtbogenspannungsminimum bei verhältnismäßig niedrigen Magnetfeldern erhalten. In vorteilhafter Weise können diese Magnetfelder unter Verwendung von Wicklungen mit nur wenigen Windungen erzeugt werden. Als unmittelbarer Beweis der Wirksamkeit der Abschirmungs-Wicklungen hinsichtlich der Verringerung der Lichtbogenspannung seien die Versuchsdaten nach Fig. 13, 16, 17, 18 und 19 betrachtet. Es wurde mit einem Vakuum-Stromkreisunterbrecher entsprechend Fig. 12A gearbeitet. Hier ist die Abschirmungs-Wicklung extern mit der Kathode über eine Sechs-Windungs-Spule verbunden. Das entspricht der Ausführung nach Fig. 3. Die Abschirmung wurde entweder unmittelbar über einen durchgehenden leiter, über eine Wicklung mit sechs Windungen entsprechend Fig. 12A oder aber über eine Wicklung mit 12 Windungen an die Kathode angeschlossen, worauf die Lichtbogenspannung und ebenso der von dem Lichtbogenplasma zu der Abschirmung fließende Ionenstrom bei hohen Strömen überwacht wurden. Fig. 13 zeigt die Scheitel-Lichtbogenspannung während einer Halbwelle der Lichtbogenbildung bei Strömen bis zu 20 kA. Die Lichtbogenspannung für beispielsweise 15 kA beträgt bei unmittelbar mit der Kathode verbundener Abschirmung etwa 150 V. Bei über eine Wicklung mit sechs Windungen an die Kathode angeschlossener Abschirmung ist die

509812/0805

Lichtbogenspannung etwa 85 V. Liegt die Abschirmung über eine Wicklung mit 12 Windungen an Kathodenpotential, so beträgt die Lichtbogenspannung 55 V.

Die Kurve der Fig. 16 zeigt den Strom, der für die Untersuchungsbedingungen der Fig. 13 vom Lichtbogenplasma zu der Abschirmung fließt. Bei 15 kA fließt ein Ionenstrom von etwa 3 kA zu der Abschirmung, wenn diese unmittelbar mit der Kathode verbunden ist. Diese Verbindung entspricht der Null-Feldsituation der Fig. 9. Ist die Abschirmung mit der Kathode über sechs Windungen verbunden, so fällt der Scheitel-Ionenstrom während der Lichtbogen-Halbwelle auf etwa 1 kA ab. In dieser Situation hat der Arbeitspunkt "A" der Fig. 9 somit zu einer Verringerung des Ionenstroms um ein Drittel geführt. Jedoch übt ein durch die sechs Windungen der Wicklungen fließender Strom von 1 kA eine deutliche Wirkung auf die Lichtbogenspannung aus, wie bereits in Verbindung mit Fig. 13 erläutert. Wie wiederum Fig. 16 entnehmbar, wird - bei mit der Kathode über 12 Windungen verbundenerAbschirmung - der Ionenstrom durch die Windungen der Wicklung auf etwa 0,6 kA verringert. Typische Werte für die Fig. 16, wie sie unter Einsatz der Anordnung nach Fig. 12A erhalten wurden, erscheinen in Fig. 17, 18 und 19. Diese Fig. sind aus einzelnen Oszillogrammen von Abschirmungsströmen während einer Lichtbogen-Halbwelle bei 15 k abgeleitet. Fig. 17 zeigt den Ionenstrom zur Abschirmung, wenn diese unmittelbar auf Kathodenpotential liegt. Das ist der Zustand hoher Lichtbogenspannung.

Fig. 18 zeigt, daß der Ionenstrom durch die Verbindung der Ab-

50981 2/0805

— 9ß —

schirmung mit dem Kathodenpotential über sechs Windungen deutlich verringert worden ist. Die Lichtbogenspannung ist jetzt nennenswert kleiner geworden. Fig. 19 zeigt, daß der Ionenstrom noch weiter verringert wird, wenn die Abschirmung mit dem Kathodenpotential über 12 Windungen verbunden ist. Das ist der Zustand niedrigster Spannung. Die Ursachen für die Ionenstromverringerung entsprechend Fig. 17, 18 und 19, für einen vorgegebenen 15 kA-Lichtbogen, jedoch unterschiedliche Abschirmungs-Geometrien , lassen sich wiederum anhand von Fig. 11 verstehen. Die erläuterten Untersuchungewerte wurden in einem Stromkreisunterbrecher der Fig. 12A unter Verwendung der Versuchsschaltung der Fig. 12 erhalten. Diese Untersuchungsschaltung weist eine Gruppe mit zwei Kondensatoren großer Wärmekapazität auf, die sich über eine Induktivität entladen. Um Lichtbogenspannungswerte für vergleichbare Elektrodentrennungen zu erhalten, wurden die Werte bewußt unter Verwendung einer auf 36 Hz abgestimmten Schaltung gewonnen. Es wurden jedoch Daten ähnlich Fig. 13 und 16 bei Durchführung der Untersuchungen mit 60 Hz erhalten. Beispiele für 60 Hz-Werte sind in Fig. 20 und 21 wiedergegeben. Daten dieser beiden Kurven wurden während einer Lichtbogen-Halbwelle für einen Lichtbogenstrom von 14,5 kA _ff erhalten.

Bei Fig. 21 ist die Abschirmung unmittelbar mit Kathodenpotential verbunden, und die Lichtbogenspannung während der 8 ras der Lichtbogenbildung ist hoch. Die Scheitel-Lichtbogenspannung während der lichtbogenbildenden Halbwelle beträgt etwa 120 V. In Fig. 21 ist auch die in den Stromkreisunterbrecher abgeführte Augenblicksleistung aufgetragen. Aus dem Diagramm der Fig. 21

509812/0805

läßt sich ableiten, daß schätzungsweise eine Lichtbogenenergie von 8,9 kJoul während der lichtbogenbildenden Halbwelle aufgewendet wurde. ,

Entsprechend Fig. 20 ist die Scheitel-Lichtbogenspannung infolge der Verwendung einer Wicklung mit sechs Windungen zwischen der Abschirmung und der Kathode deutlich verringert. Insbesondere beträgt die während der lichtbogenbildenden Halbwelle aufgewendete Lichtbogenenergie nur 4,9 kJoul. Somit haben die Abschirmungswicklurigen nicht nur die Wirkung, daß sie die Scheitel-Lichtbogenspannung verringern, sondern sie verringern außerdem, was noch bedeutsamer ist, die in dem Stromkreisunterbrecher während der lichtbogenbildenden Halbwelle aufgewandte Gesamtenergie.

Da die Werte der Fig. 13 nur die Wirkung der Abschirmungs-Wicklungsverbindungen bei Scheitel-Lichtbogenspannung zeigen, sind zusätzlich noch Fig. 14 und 15 vorgesehen, um zu veranschaulichen, wie die in dem Stroinkreisunterbrecher aufgewandte Energie durch die Feldwicklungen deutlich verringert wurde. Die Daten der Fig. 13 wurden während der Halbwelle der Lichtbogenbildung bei 36 Hz erhalten, d.h. die Lichtbogendauer betrug etwa 14 ms.

Entsprechend Fig. 15 war die Abschirmung unmittelbar mit der Kathode verbunden. Während der lichtbogenbildenden Halbwelle bei 15 kA _ff betrug die Scheitel-Lichtbogenspannung annähernd 150 V« und die gesamte Lichtbogenenergie hatte eine Größenordnung von 16,7 kJoul. Die Daten der Fig. 14 wurden ebenfalls bei 15 ^kA _eff erhalten, jedoch bei über eine Wicklung mit sechs Windungen an

509812/0805

die -Kathode angeschlossener Abschirmung. Hier beträgt die Scheitel-Lichtbogenspannung nur 60 V, und die während der lichtbogenbildenden Halbwelle in dem Stromkreisunterbrecher verbrauchte gesamte Lichtbogenenergie wurde von 16/7 JoJoul auf nur 8,3 kJoul herabgesetzt.

In der Zusammenfassung zeigt diese experimentelle Beweisführung, daß die Abschirmungswicklungen in der mit Fig. 23 und 24 schematisch angedeuteten Weise arbeiten. In Fig. 23 ist die Abschirmung extern über externe Wicklungen mit der stationären Elektrode verbanden, die während dieser speziellen lichtbogenbildenden Halbwelle die Kathode ist. Es versteht sich, daß die Kathode ebenso die bewegliche Balg-Elektrode sein könnte, wie beispielsweise mit Fig. 12A gezeigt. Mit der Verbindung entsprechend Fig. 23 ist die Abschirmung im Verhältnis zu dem benachbarten Lichtbogenplasma negativ vorgespannt. Dementsprechend nimmt die Abschirmung einen Netto-Ionenstrom vom Lichtbogenplasma auf, und dieser durch die Abschirmungswicklungen fließende Strom erzeugt das gewünschte axiale Magnetfeld. Das axiale Magnetfeld verringert den Lichtbogenplasmakontakt mit der Abschirmung, wie das beispielsweise mit Fig. 9 angedeutet und in Fig. 16 gezeigt ist.

Die Neigung des Hochstrom-Lichtbogens, auf die Abschirmung überzuschlagen, wird verringert:, und insbesondere wird die Lichtbogenspannung - wie mit Fig. 13 gezeigt - deutlich verringert. Für lichtbogenbildende Halbwellen, während deren die Abschirmung mit Anodenpotential verbunden ist, wirkt die Abschirmung wie eine Hilfsanode. Wie mit Fig. 24 gezeigt, ist die Abschirmung gegenüber Lichtbogenplasma positiv vorgespannt, so daß ein Netto-

509812/0805

Elektronenstrom von diesem Lichtbogenplasma gezogen wird. Wiederum führt der zirkulierende Strom zu einem die Lichtbogenspannung verringernden axialen Magnetfeld. Untersuchungen zeigen/ daß die Liehtbogenspannungsverringerung ähnlich der mit Fig. 13 wiedergegebenen ist. Weitere Untersuchungswerte, wie sie durch Anlegen axialer Magnetfelder an Vakuum-Lichtbogen erhalten wurden, sind in Fig. 25, 26 und 22 gezeigt. Fig. 25 und 26 zeigen Vakuum-Lichtbogen, die zwischen einer Kathode großen Durchmessers, die die obere Elektrode bildet, und einer kleinen Anode mit einem Durchmesser von 1,3 cm, die die untere Elektrode bildet, brennen. Die Fotos der Fig. 25 und 26 wurden für einen Gleichstrom-Lichtbogen von etwa 1000 A erhalten. Bei Anwesenheit eines axialen Magnet- " feldes entsprechend Fig. 25 pflanzen sich Lichtstrecken von beiden einzelnen Kathodenflecken aus fort, die an der Anode münden. Die Lichtbogenspannung ist niedrig, und das Plasma wird in der Hauptsache auf den Zwischenelektrodenbereich zusammengedrängt, wobei dieses Zusammendrängen durch das Auftreten der Lichtstrecken oder Lichtfäden nachgewiesen wird. Insbesondere kommt es insgesamt zu keinem Schmelzen der Anode, da die niedrige Begrenzung auf den Zwischenelektrodenbereich den Anodenspannungsabfall verringert hat. Es kommt zu keiner Anodenfleck-Aktivität.

Fig. 26 zeigt den gleichen 1000 Α-Lichtbogen beim Fehlen eines extern angreifenden axialen Magnetfeldes. Man hat die typische Vielzahl Kathodenflecken. Das Zwischenelektroden-Lichtbogenplasma ist jedoch diffus. Die Lichtbogenspannung ist infolge des Auftretens eines beachtlich hohen Anodenspannungsabfalls hoch. An der Anode kommt es zu einer heftigen Verdampfung, mit resultierendem Schmelzen infolge der Anwesenheit eines ausgeprägten Anodenflecks.

509812/0805

Fig. 25 zeigt somit die erstrebenswertere Situation der Lichtbogenbildung für einen Vakuum-Stromkreisunterbrecher. Das Lichtbogenplasma wird von den Wänden der Lichtbogenkammer weg zusammengedrängt, die Lichtbogenspannung ist niedrig/ und infolgedessen wird die Erwärmung der Elektroden und der Abschirmung verringert. Ein Schmelzen und eine Verformung der Anoden tritt nicht auf. Obwohl die vergleichenden Fotos nach Fig. 25 und 26 bei einem Lichtbogenniveau von 1000 A erhalten wurden, lassen Versuchswerte bei Stromwerten von 15.000 und 20.000 A vermuten, daß die gleichen physikalischen Erscheinungen bei hohen Lichtbogenströmen mit und ohne Magnetfelder auftreten.

Die günstigen Auswirkungen axialer Magnetfelder sind auch mit Fig. 22 gezeigt. Diese Figur zeigt die ünterbrechungsdaten im Anschluß an eine Lichtbogenbildung bei 15 kA und 60 Hz ohne bzw. mit einem externen axialen Magnetfeld. Diese speziellen Werte wurden mit dem durch Helmholtz-Spulen erzeugten axialen Magnetfeld erhalten. Die offenen Punkte zeigen ohne ein Axialfeld erhaltene Daten. Die vollen Punkte geben dagegen die Daten wieder, wie sie in Verbindung mit einem axialen Feld erhalten wurden. Man erkennt, daß mit zunehmendem Strom und zunehmender Spannung die Wahrscheinlichkeit der Wiederzündung ohne Magnetfeld hoch ist. Diese günstige Wirkung axialer Magnetfelder auf die Unterbrecherleistung wurde im Rahmen vieler Untersuchungen beobachtet.

Die erfindungsgemäß erzielbaren Vorteile lassen sich wie folgt zusammenfassen:

509812/0805

Das axiale Magnetfeld kann unter Parallelschaltung der Feldwicklungen statt in Reihenschaltung mit dem Lichtbogenstrom angelegt werden. Somit erzeugen die Feldwicklungen keine Energieverluste, wenn die Elektroden sich im geschlossen Zustand befinden. Die Feldwicklungen werden nur dann in die Schaltung einbezogen, wenn der Lichtbogen in dem Stromkreisunterbrecher überschlägt; Die Feldwicklungen erzeugen ein axiales magnetisches Feld, das a) das Einsetzen einer Anodenfleckbildung verzögert, b) die in dem Stromkreisunterbrecher während der lichtbogenbildenden Halbwelle aufgebrachte Energie verringert. Durch diese Energieverringerung wird die Erwärmung der Abschirmung auf ein Minimum herabgesetzt, ebenso wie die Erwärmung der Elektroden. Ferner wird c) die Wahrschein-, lichkeit des Lichtbogenüberschlags zur Abschirmung verringert und d) die Unterbrecherleistung erhöht. Man erkennt, daß diese Abschirmungsgestaltung zu beträchtlichen Kosteneinsparungen bei der Herstellung von Vakuum-Stromkreisunterbrechern führen muß. Für eine bestimmte Stromkreisunterbrecher-Größe wird der Nennwert des Unterbrechers gegenüber der Situation erhöht, bei der eine Abschirmung an einer Elektrode abgestützt und mit dieser elektrisch verbunden ist, ohne dabei eine magnetische Feldwicklung zu bilden. Ferner ist davon auszugehen, daß Anordnungen zur Minimierung der Anodenfleck-Aktivität zu Vakuumunterbrechern führen, die hohen Spannungen widerstehen können. Anodenfleckaktivitat führt zur Verformung der Oberfläche und zum Aufstäuben von Anodenmaterial auf die Abschirmung und die Kathode, so daß der grundlegende Impulswert und die Ubergangserholung des Stromkreisunterbrechers deutlich herabgesetzt werden.

Fig. 27 (Zeichnungsblatt 2) zeigt eine weitere Ausführungamög-

509812/0805

Henkelt der Erfindung, wie sie sich in Verbindung mit einer triggerbaren Vakuumvorrichtung mit feststehendem Spalt einsetzen läßt. Es.sei darauf hingewiesen, daß die verschiedenen Ausführungen von Feldwicklungen, wie sie zuvor erläutert wurden, sich auch für Lichtbogen-Vorrichtungen in vorteilhafter Weise einsetzen lassen, die nicht mit trennbaren Kontakten versehen sind, wie beispielsweise die vorerwähnte triggerbare Vakuum-Vorrichtung mit feststehendem Spalt. Hier sind die Elektroden permanent getrennt, und das Ziehen des Lichtbogens wird durch Funkenbildung sowohl eines Kath^denflecks als auch eines dünnen Zwischenelektroden-Plasmas ausgelöst. Die anschließende Lichtbogenbildung und Unterbrechung sind praktisch identisch wie bei dem Vakuum-Stromkreisunterbrecher, Die vorliegende Erfindung wird daher vorteilhafterweise auch in Verbindung mit Feldwicklungen eingesetzt, wie sie getriggerten Vakuum-Spalten zugeordnet sind, ebenso wie für Vakuum-Schalter und-Unterbrecher der zuvor erläuterten Art.

Der Spalt, wie er auch in der US-PS 3 087 092 beschrieben ist, weist zwei im Abstand voneinander angeordnete Hauptelektroden 40 und 42 auf, die sich in einer hochevakuierten Kammer 44 befinden und zwischen sich einen Hauptspalt 45 begrenzen. Neben einer Hauptelektrode 42 ist eine Trigger- oder Zündelektrode 46 angeordnet, die von einem mit Wasserstoff imprägnierten Titanfilm auf einem keramischen Trägerstab 48 gebildet ist, der sich seinerseits koaxial durch die Hauptelektrode 42 erstreckt und im Verhältnis zu dieser in geeigneter Weise längs seines Umfangs abgedichtet ist. Ein Teil des keramischen Trägerstabs 48 ist unbeschichtet und begrenzt so einen Zündspalt 51 längs dieser unbe-

509812/0805

schichteten Oberfläche, der die Zündelektrode 46 unter normalen Bedingungen elektrisch von der Hauptelektrode 42 isoliert. Durch den keramischen Trägerstab 48 erstreckt sich ein Leiter 49 bis zu der Zündelektrode 46·

Wenn zwischen der Zündelektrode 46 und der Hauptelektrode 42 ein elektrischer Impuls angelegt wird, bricht der Zündspalt 51 durch, und der resultierende Funke setzt eine kleine Menge Wasserstoff von der mit Wasserstoff imprägnierten Zündelektrode 46 frei. Dieser Wasserstoff wird rasch ionisiert und in den Hauptspalt 45 geleitet, so daß dessen dielektrische Festigkeit herabgesetzt und eki Durchbruch dieses Hauptspalts eingeleitet wird.

Weitere theoretische Betrachtungen bezüglich der Arbeitsweise von triggerbaren oder zündbaren Vakuumvorrxchtungen mit feststehendem Spalt finden sich in den US-PSen 3 489 951, 3 087 092 und 3 465 192, ferner in einem IEEE 1965-Papier unter dem Titel "Triggered Vacuum Gaps", J. M. Lafferty, Bd. 54, Nr. 1 der Proceedings of the IEEE.

Die vorstehenden Veröffentlichungen zeigen, daß in einer solchen Vorrichtung die Fähigkeit eines Vakuumspalts, hohe Spannungen abzuhalten und dann seine dielektrische Festigkeit nach der Lichtbogenbildung rasch wiederzugewinnen, solche Schaltvorrichtungen potentiell interessant als überspannungsschutz und als Stromschalter macht. Wenn beispielsweise eine solche Vorrichtung als Blitzschutz für Leistungsübertragungsleitungen verwendet wird, so wird in einem solchen Anwendungsfall der Spalt zwischen die Lei-

50981 2/0805

tung und Masse geschaltet und so ausgelegt, daß die maximale Systemspannung abgehalten wird, jedoch beim Auftreten von impulsartigen Spannungswellen, wie sie bei Blitzeinschlägen oder Schaltübergängen anzutreffen sind, ein Durchbruch erfolgt. Nach diesem Impuls-Durchbruch würde der Spalt den Fluß des die Frequenz der übertragenden Leistung aufweisenden Stroms bei dessen erstem Nulldurchgang unterbrechen. Dabei ist es wünschenswert, die Lichtbogenbildung in der Vorrichtung nach dem Durchbruch zu unterbrechen, worauf die magnetische Feldwicklung (19) der vorliegenden Anmeldung vorteilhaft im Zusammenhang mit einer solchen einen festen Spalt aufweisenden Vorrichtung entsprechend Fig. 27 eingesetzt werden kann.

Die Erfindung stellt damit einen verbesserten Vakuum-Stromkreisunterbrecher zur Verfügung, bei dem ein axiales Magnetfeld dazu dient, die Lichtbogenspannung nur während der Dauer der Lichtbogenbildung zu verringern, während im normalen geschlossenen Zustand der Vorrichtung Erwärmungsprobleme und Wirbelstrom-Erwärmungsprobleme infolge der Tatsache ausgeschaltet sind, daß die geschlossenen Kontakte die Feldwicklungs-Anordnung vollständig überbrücken.

Patentansprüche

60981 2/0805

Claims (15)

1. Patentansprüche

   Vakuum-Stroitikreisunterbrechar mit einem zwei trennbare Schalt-Elektroden umschließenden und an seiner Innenwand durch einen Kondensationsschirm geschützten Hochvakuumgehäuse, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Erzeugung eines magneti schen Feldes zur Bildung eines Nagnetfeldes zwischen den voneinander getrennten Elektroden (6, 7), dessen Kraftlinien im wesentlichen parallel zur Längsachse eines sich zwischen den Elektroden erstreckenden Lichtbogens verlaufen, und daß die Einrichtung zur Erzeugung dieses magnetischen Feldes eine Feldwicklung (19) aufweist; die den Kondensationsschirm (13) elektrisch mit einer der Elektroden (6, 7) verbindet.
2. 2. Vakuum-Stromkreisunterbrecher nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Elektroden von swei trennbaren Kontakten gebildet sind, von denen der eine ein stationärer Kontakt und der andere ein beweglicher Kontakt ist, die in bzw. außer Eingriff.miteinander ringbar sind.
3. 3. Vakuum-Stromkreisunterbrecher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der metallene Kondensationsschirm zylindrisch und die Feldwicklung innerhalb des Kondensationeschirms angeordnet ist.
4. 4. Vakuum-Stromkreisunterbrecher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Feldwicklung den Kondensationsschirm elektrisch mit dem beweglichen und/oder stationären Kontakt

   509812/0805

   verbindet.
5. 5. Vakuum-Stromkreisunterbrecher nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet/ daß ein leitender Streifen (19) den Kondensationsschirm mit einem der beiden voneinander trennbaren Kontakte elektrisch verbindet und so eine magnetische Feldwicklung bildet, die in dem evakuierten Gehäuse (2) und in dem Bereich des Lichtbogenspalts ein axiales Magnetfeld erzeugt.
6. 6. Vakuum-Stromkreisunterbrecher nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Streifen elektrisch mit dem Kontaktschaft (5) des stationären Kontakts verbunden ist.
7. 7. Vakuum-Stromkreisunterbrecher nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Feldwicklung den Kondensationsschirm mit einem der Kontakte verbindet und die Feldwicklung auf der Außenseite des evakuierten Gehäuses (2) angeordnet ist.
8. 8. Vakuum-Stromkreisunterbrecher nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Abstützung für den Kondensationsschirm einen Leiter bildet, der den Kondensationsschirm elektrisch mit der extern angeordneten Feldwicklung verbindet.
9. 9. Vakuum-Stromkreisunterbrecher nach einem der Ansprüche 6, oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß das evakuierte Gehäuse eine metallische Endkappe sowie einen isolierenden Wandab schnitt aufweist, der die Endkappe der Vorrichtung von dem

   509812/0805

   stationären Kontaktschaft (5) trennt, daß eine extern angeordnete Feldwicklung (19) den isolierenden Wandabschnitt umgibt und elektrisch zwischen den stationären Kontaktschaft (5) und die Endplatte geschaltet ist und daß der Kondensationsschirm (13) des Stromkreisunterbrechers (1) elektrisch mit der einen Endplatte verbunden ist (Fig. 4).
10. 10. Vakuum-Stromkreisunterbrecher nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensationsschirm einen spiralförmigen Metallstreifen mit einander überlappenden Streifen zum Schutz der Innenwandung des evakuierten Gehäuses gegen Dampfniederschlag aufweist und der spiralförmige Metallstreifen elektrisch mit der einen Endplatte des Stromkreisunterbrechers verbunden ist (Fig. 5).
11. 11. Stromkreisunterbrecher nach Anspruch 10, dadurch gekennzeich net, daß die eine Endplatte den stationären Kontaktschaft (5) der Vorrichtung trägt.
12. 12. Stromkreisunterbrecher nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der Windungen des spiralförmigen Streifens des Kondensationsschirms mit zunehmender Entfernung von der einen Endplatte zunimmt.
13. 13. Stromkreisunterbrecher nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der spiralförmige Streifen von der einen Endkapp· (3) getragen ist und in gutem elektrischem Kontakt damit steht.

    509812/0805
14. 14. Stromkreisunterbrecher nach einem der Ansprüche 1-13, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensationsschirm unterteilt und elektrisch über zwei Streifen mit den beiden voneinander trennbaren Kontakten verbunden ist.
15. 15. Stromkreisunterbrecher nach einem der Ansprüche 1-14, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensationsschirm ein freies elektrisches Potential und zwei Schleifen hat, zwischen die eine Wicklung geschaltet ist.

    KN/ot 5

    509812/0805