DE3023673A1

DE3023673A1 - Verfahren zur loeschung des abreissbogens in schaltern und magnetfeldanordnung im kathodenbereich eines schalters zur durchfuehrung dieses verfahrens

Info

Publication number: DE3023673A1
Application number: DE19803023673
Authority: DE
Inventors: Martin Dipl.-Phys. Dr. 7022 Leinfelden Mailänder
Original assignee: Deutsche Forschungs und Versuchsanstalt Fuer Luft und Raumfahrt EV 5300 Bonn; Deutsche Forschungs und Versuchsanstalt fuer Luft und Raumfahrt eV DFVLR
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 1980-06-25
Filing date: 1980-06-25
Publication date: 1982-01-14
Also published as: FR2485800A1; US4421963A; GB2081019A; GB2081019B; JPH0142446B2; DE3023673C2; FR2485800B1; NL8102553A; CH657937A5; JPS5743322A

Description

HOEGER, STELLFiECHT & PARTNER

PATENTANWÄLTE UHLANDSTRASSE 14 c ■ D 70OO STUTTSART 1

A 44 079 u Anmelderin: Deutsche Forschungs-

u - 183 und Versuchsanstalt für

10. Juni 1980 Luft- und Raumfahrt e.V.

5300 Bonn

Beschreibung

Verfahren zur Löschung des Abreißbogens in Schaltern und Magnetfeldanordnung im Kathodenbereich eines Schalters zur Durchführung dieses Verfahrens

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Löschung des Abreißbogens in Schaltern unter Verwendung eines Magnetfeldes, durch welches der Abreißbogen bis zum Abreißen verlängert wird, sowie eine Magnetfeldanordnung im Kathodenbereich eines Schalters zur Durchführung dieses Verfahrens.

Beim öffnen eines elektrischen Schalters ergibt sich die Schwierigkeit, daß sich beim Entfernen der Schaltkontakte zwischen diesen ein Lichtbogen ausbildet, der eine Unterbrechung des Stromkreislaufes unterbindet und zur Zerstörung der Schaltkontakte führt. Man ist daher mit verschiedenen Hilfsmitteln bestrebt, die Entstehung eines solchen Lichtbogens zu unterdrücken oder zumindest für ein rasches Abreißen des Lichtbogens zu sorgen.

Es ist zu diesem Zweck bekannt, in Schaltergehäuse Löschgase einzubringen, jedoch hat dies den Nachteil, daß der konstruktive Aufbau eines solchen Schalters sehr kompliziert wird, denn der Schalterraum muß gegenüber der Umgebung gasdicht abgeschlossen sein.

A 44 079 u

u - 183

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Eine weitere Möglichkeit zur Löschung des Lichtbogens besteht darin, im Bereich der Schaltkontakte ein Magnetfeld zu erzeugen. In diesem Magnetfeld bewegt sich der Lichtbogen normalerweise unter dem Einfluß der Lorentz-Kräfte. Formt man die Schaltkontakte so, daß in Richtung der Lichtbogenbewegung unter dem Einfluß der Lorentz-Kräfte der Abstand der Kontakte zunimmt, indem man beispielsweise voneinander weggebogene Schaltkontakte verwendet, dann wird der Lichtbogen bei der Verschiebung unter dem Einfluß der Magnetkräfte zunehmend langer, bis er schließlich abreißt. Man nennt diesen Vorgang magnetische Lichtbogenlöschung. Obwohl dieses Verfahren an sich gut funktioniert, dauert es relativ lange, bis der Lichtbogen die zum Abreißen notwendige Länge erreicht, d.h. die Löschung des Lichtbogens erfolgt in vielen Fällen nicht schnell genug.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Löschung des Abreißbogens in Schaltern zu finden, die ein schnelleres Abreißen des Lichtbogens ermöglichen.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß man den kathodenseitigen Ansatzpunkt dadurch entgegen der Lorentz-VerSchiebung bewegt, daß man das Magnetfeld B, die Stromstärke i des Bogens und den Druck ρ am kathodenseitigen Ansatzpunkt derart wählt, daß die folgende Beziehung gilt:

X^Y (1),

wobei folgende Definitionen gelten:

B
X = a (2)

υ - -IT

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10. Juni 1980 - 5 - ' '

wobei a und p_K Materialkonstanten des Kathodenmaterials und ^f" eine Konstante der verwendeten Schaltergeometrie sind, während p„ den Gasdruck im kathodennahen Bereich angibt.

Es ist bekannt, daß der kathodenseitige Ansatzpunkt eines Lichtbogens unter bestimmten Bedingungen durch ein Magnetfeld nicht in Richtung der Lorentz-Kraft abgelenkt wird, sondern entgegen dieser Richtung. Dieser Effekt wird gemäß der Erfindung zur beschleunigten Löschung eines Lichtbogens ausgenutzt. Um diese umgekehrte Lichtbogenbewegung im kathodenseitigen Ansatzpunkt zu erreichen, die im folgenden als retrograde motion bezeichnet wird, sind die oben angegebenen Bedingungen einzuhalten, wobei bei einer gegebenen Schalteranordnung und bei Verwendung eines bestimmten Materials diese durch entsprechende Wahl des Magnetfeldes B, der Stromstärke i des Bogens und des Druckes im Bereich des kathodenseitigen Ansatzpunktes eingestellt werden können.

Bei entsprechender Wahl dieser Größen wird der kathodenseitige Ansatzpunkt des Lichtbogens entgegen der Lorentz-Kraft verschoben, während der Rest des Bogens, insbesondere der anodenseitige Ansatzpunkt, unter dem Einfluß des Magnetfeldes weiterhin in Richtung der Lorentz-Kraft verschoben wird. Mit anderen Worten verschieben sich anodenseitiger Ansatzpunkt und kathodenseitiger Ansatzpunkt des Lichtbogens nicht wie bei der reinen Lorentz-Verschiebung beide in derselben Richtung, sondern in entgegengesetzter Richtung. Dadurch verlängert sich der Lichtbogen außerordentlich schnell, und man erhält ein sehr rasches Abreißen des Lichtbogens und damit eine sehr rasche Lichtbogenlöschung.

13Q062/Q264

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10. Juni 1980 - 6 - 3023§73

Es ist vorteilhaft, wenn man im kathodennahen Bereich des Abreißbogens ein äußeres Magnetfeld erzeugt.

Um im Ausschaltzeitpunkt eine retrograde motion zu erzeugen, kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, daß man das äußere Magnetfeld während des Ausschaltens erhöht und/oder den Druck p_F während des Ausschaltens absenkt.

Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, eine Magnetfeldanordnung anzugeben, mit welcher sich das beschriebene Verfahren zur Löschung des Lichtbogens vorteilhaft ausführen läßt.

Diese Aufgabe wird bei einer Magnetfeldanordnung der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Magnetfeldlinien auf der der Gegenelektrode zugewandten Seite der Kathode zumindest über einen Bereich der Kathodenlänge bogenförmig angeordnet sind und einen magnetischen Tunnel bilden.

Eine solche Anordnung hat sich insofern als besonders vorteilhaft herausgestellt, als bei der retrog.rade motion der kathodenseitige Ansatzpunkt sich innerhalb dieses "magnetischen Tunnels" bewegt, man also definiert den Verschiebeweg des kathodenseitigen Ansatzpunktes durch entsprechende Konfiguration des magnetischen Tunnels beeinflußen kann.

Dabei ist es vorteilhaft, wenn die Kathode im Bereich des Streufeldes eines Magneten angeordnet ist, welches den magnetischen Tunnel ausbildet.

Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung. Es zeigen:

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u - 183 3Q23o73

10. Juni 1980 - 7 -

Fig. 1 eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Schalters in geschlossener Stellung;

Fig. 2 eine Ansicht des Schalters in Fig. 1 kurz nach dem öffnen des Schalters;

Fig. 3 eine Ansicht ähnlich Fig. 1 mit einem durch die retrograde motion verlängerten Lichtbogen und

Fig. 4 eine Ansicht des Schalters der Figuren 1 bis 3 in Richtung des Pfeiles A in Fig. 2.

Der in der Zeichnung dargestellte Schalter weist als ersten Schaltkontakt eine ebene, metallische Platte auf, die im folgenden als Kathode 1 bezeichnet wird. Ihr gegenüber befindet sich als Gegenkontakt eine in Längsrichtung gebogene Anode 2, die in nicht aus der Zeichnung ersichtlicher Weise senkrecht zur Kathode 1 verschieblich gelagert ist. Kathode 1 und Anode 2 sind mittels Leitungen 3 bzw. 4 in einen zu schaltenden Stromkreis eingeschaltet.

Die Kathode 1 liegt auf einem sich parallel zur Kathode 1 erstreckenden Luftspalt 5 eines Permanentmagneten 6, wobei sich die Spaltbreite in Richtung auf die Kathode 1 verringert (Fig. 4}. Die von den Polen des Permanentmagneten 6 ausgehenden Magnetfeldlinien 7 durchsetzen die Kathode 1 und bilden infolge ihrer bogenförmigen Form einen magnetischen Tunnel 8, der sich längs der Kathode 1 oberhalb von deren Oberfläche erstreckt.

Im geschlossenen Zustand liegen die Kathode 1 und die Anode 2 aneinander an, wie dies aus der Darstellung der Fig. 1 ersichtlich ist. Beim öffnen des Schalters wird die Anode 2 von der Kathode 1 entfernt; dabei bildet sich zwischen den ursprüngli-

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u-183 ? Ω?? R 7*3

10. Juni 1980 -8- ν? U 4 O Q / g

chen Berührungsstellen dieser beiden Kontakte ein Lichtbogen aus (Fig. 2), dessen anodenseitiger Ansatzpunkt 10 entweder unter der Wirkung des vom Lichtbogen selbst erzeugten Magnetfeldes oder unter der Wirkung eines äußeren, senkrecht zur Zeichenebene verlaufenden Magnetfeldes in Richtung des Pfeiles B verschoben wird, also in Richtung zu dem entfernten Ende der Anode 2. Diese Verschiebung erfolgt aufgrund der Lorentz-Kraft, die sowohl senkrecht auf den Magnetfeldlinien als auch senkrecht auf dem Strom i des Lichtbogens steht.

Der kathodenseitige Ansatzpunkt 10 wandert aufgrund einer bestimmten Auswahl des vom Magneten 6 erzeugten Magnetfeldes, des Stromes i im Lichtbogen und des Druckes im kathodenseitigen Ansatzpunkt 11 in entgegengesetzter Richtung, also in Richtung des Pfeiles C in Fig. 2. Diese als retrograde motion bezeichnete, der Lorentz-Bewegung entgegengesetzte Bewegung entfernt den kathodenseitigen Ansatzpunkt 11 in der entgegengesetzten Richtung, wobei dieser kathodenseitige Ansatzpunkt 11 sich innerhalb des magnetischen Tunnels 8 bewegt. Dadurch wird der Lichtbogen außerordentlich stark gestreckt, denn die Bewegung des anodenseitigen Ansatzpunktes 10 und die Bewegung des kathodenseitigen Ansatzpunktes 1ΐ verlaufen in entgegengesetzter Richtung. Der Lichtbogen erhält somit die in Fig. 3 dargestellte Konfiguration, wobei er zunächst längs der Kathodenoberfläche im magnetischen Tunnel 8 verläuft und vom Ende der Kathode 1 zum anodenseitigen Ansatzpunkt 10 umbiegt.

Es ist klar, daß man durch die entgegengerichtete Bewegung der beiden Lichtbogenansatzpunkte eine beschleunigte Verlängerung desselben und damit ein rascheres Abreißen des Lichtbogens erreicht.

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-9-

^{A 44 O79 u} _ono._c7«

u - 183 3023873

10. Juni 1980 - 9 -

Um statt der üblicherweise erreichten Lorentz-Verschiebung des Lichtbogens im kathodenseitigen Ansatzpunkt die gewünschte retrograde motion zu erreichen, müssen das Magnetfeld im kathodenseitigen Ansatzpunkt, der Druck im Bereich des kathodenseitigen Ansatzpunktes und der Strom des Lichtbogens bestimmte Bedingungen erfüllen. Wenn zwischen dem Magnetfeld B, der Lichtbogenstromstärke i und dem Druck p„ im Bereich des kathodenseitigen Ansatzpunktes die Beziehung

i(p_F + P_K)

■κ

gilt, dann bewegt sich der kathodenseitige Ansatzpunkt entgegen der Richtung der Lorentz-Kraft, man erhält also eine retrograde Bewegung.

In dieser Beziehung sind a und ρ Materialkonstanten des Kathodenmaterials, die Größe ^ ist im wesentlichen eine Konstante der verwendeten Schaltergeometrie und umfaßt unter anderem den Elektrodenabstand sowie den Strömungswiderstand des Bogens im Gas. ' ' " "·

Im folgenden werden Werte der Materialkonstanten <a und P_R für verschiedene Kathodenmaterialien angegeben:

- 10 -

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A 44 079 u

u -

10. Juni 1980 - 10 -

Tabelle

a I 10-

Metall

Pa m

TsJ

Hg Zn Pb Al Sn Ni Ti Mo 5,51 117

38,5 706
181
416
415
445

Tabelle

[1O⁵ Pa]

Metall

Hg Zn Pb Al Sn Ni Ti Mo 0,041 2,03 0,445 3,81 1,10 1,95 2,34 1,61

-11-

■ ORIGINAL INSPECTED

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10. Juni 1980 - 11 - "

Bei einer gegebenen Schalteranordnung mit gegebenem Kathodenmaterial genügt es also, entweder das Magnetfeld B groß genug und/oder den Lichtbogenstrom i und/oder den Druck ρ klein genug zu wählen, um den Effekt der retrograden Bewegung zu erzielen. Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn man im Moment des Ausschaltens das Magnetfeld zeitweilig erhöht und/oder den Druck im Kathodenbereich zeitweilig absenkt. Um den Lichtbogenstrom i niedrig zu halten, ist es möglich,die Kathode in eine Reihe von Parallelkathoden zu unterteilen, also eine Anzahl nebeneinander brennende Lichtbögen zu erzeugen, wobei der Strom in jedem Lichtbogen entsprechend niedrig ist.

Man erhält durch Wahl der geeigneten Größen B, i und p„ und mittels einer außerordentlich einfachen Konstruktion des Schalters eine äußerst wirksame Methode zur beschleunigten Löschung eines Lichtbogens. Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich auch in Schaltern herkömmlicher Bauart dann ohne weiteres verwirklichen, wenn auf der Kathode vom Kontaktpunkt aus ein genügender Weg für die retrograde Verschiebung des kathodenseitigen Ansatzpunktes zur Verfügung steht.

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Leerseite

Claims

Patentansprüche :

( 1.!Verfahren zur Löschung des Abreißbogens in Schaltern unter Verwendung eines Magnetfeldes, durch welches der Abreißbogen bis zum Abreißen verlängert wird, dadurch gekennzeichnet , daß man im kathodenseitigen Ansatzpunkt des Lichtbogens das Magnetfeld B und/oder die Lichtbogenstromstärke i und/oder den Druck p_p derart wählt, daß der kathodenseitige Ansatzpunkt entgegen der Richtung der Lorentzkraft verschoben wird (retrograde motion).
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man das Magnetfeld B, die Stromstärke i des Bogens und den Druck p_p am kathodenseitigen Ansatzpunkt derart wählt, daß die folgende Beziehung gilt:

X > Y (D,

wobei folgende Definitionen gelten:

B
X - a (2)

V s:

ρ_κ) (3),

wobei a und p_R Materialkonstanten des Kathodenmaterials und

Y' eine Konstante der verwendeten Schaltergeometrie sind, während p_F den Gasdruck im kathodennahen Bereich angibt.

ORIGINAL INSPECTED

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3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man im kathodennahen Bereich des Abreißbogens ein äußeres Magnetfeld erzeugt.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß man das äußere Magnetfeld während des Ausschaltens erhöht.
5. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man den Druck p_p während des Ausschaltens absenkt.
6. Magnetfeldanordnung im Kathodenbereich eines Schalters zur Durchführung des Verfahrens der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetfeldlinien (7) auf der der Gegenelektrode (2) zugewandten Seite der Kathode (1) zumindest über einen Bereich der Kathodenlänge bogenförmig angeordnet sind und einen magnetischen Tunnel (S) bilden.
7. Magnetfeldanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode (1) im Bereich des Streufeldes eines Magneten (6) angeordnet ist.