DE3120826A1

DE3120826A1 - Elektrischer nebenschlussschalter fuer elektrolysezellen

Info

Publication number: DE3120826A1
Application number: DE19813120826
Authority: DE
Inventors: Paul O. Montour Falls N.Y. Wayland
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1980-05-28
Filing date: 1981-05-26
Publication date: 1982-04-15
Also published as: ZA812952B; JPS5721024A; GB2077527A; IN154158B; US4370530A; CA1160332A; IT1146875B; GB2077527B; IT8141583A0

Description

• drying. Ernst Stratmann ·

PATENTANWALT ■
D-4000 DÜSSELDORF I · SCHADOWPLATZ 9

VNR: 109126

■■■■■.■■ - 5 -

•Düsseldorf, 25. Mai 1981 48,955
8111

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

Elektrischer Nebenschlußschalter für
Elektrolysezellen

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Nebenschlußschalter für Elektrolysezellen.

Derartige Schalter oder Schalteranordnungen wirken als paralleler Strompfad, der den Strom um die Elektrolysezelle herumführt, wenn der Schalter oder die Schalteranordnung in geschlossener oder stromführender Position ist. Die. Elektrolysezelle, kann dann gewartet werden, während die anderen Zellen in einem mehrzelligen System im Betrieb bleiben. Die Schalteranordnung wird danach wieder betätigt# um die Schalter zu öffnen.und den Strom zurück zur Zelle umzuleiten, wenn diese Zelle mit dem System wieder verbunden werden soll. Derartige elektrische Nebenschlußschälter-r anordnungen verwenden insbesondere eine Vielzahl von Vakuumschaltern, die in paralleler Stromwegbeziehung elektrisch mit einer Serienschaltung in Verbindung stehen, die einen vorbestimmten Widerstandswert in jedem Parallelweg bildet, wobei Einrichtungen vorgesehen sind, um die Vakuumschalter asynchron zu betätigen. Die Nebenschlußschalteranordnung ist so ausgeführt, daß sie über den Anschlüssen der Elektrolysezelle parallel elektrisch angeschlossen werden kann. Die Vakuumschalter gemäß der vorliegenden Erfindung sind insbesondere so ausgeführt, daß sie mit

nsTSrHFm. berlin west (BLZ 100 100 1O) 1327 36-109- deutsche bank (BLZ 300 700 10) 6 160 253

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Elektrolysezellen der Diaphragma- oder Membranbauart verwendet werden können.

Der Ausdruck "Elektrolysezelle" soll eine Vielzahl von elektrochemischen Einrichtungen bezeichnen, die von Einrichtungen zur elektrolytischen Metallraffinierung bis zu den in größerem Umfange verwendeten Chloralkalizellen reichen. Diese letztgenannten Chloralkali-Elektrolysezellen basieren auf dem Durchtritt eines · elektrischen'Gleichstromes durch eine Alkalimetall-Halid-Lösung, um.die nutzbaren chemischen Bestandteile zu trennen. Die am häufigsten verwendeten derartigen Chloralkalizellen sind Quecksilberzellen, in denen das Quecksilber als eine der beiden Elektroden der Einrichtung benutzt wird, wobei-Alkalimetallhydroxid und'Kalogengas erzeugt werden. Die Verwendung von elektrischen Vakuumnebenschlußschaltern bei derartigen.Quecksilberzellen wird in der US-Patentschrift 40 75 .448 beschrieben. Die Anwendung derartige Vakuumnebenschlußschalter bei derartigen Quecksilberzellen führt zu verbessertem Wirkungsgrad des Zellenbetriebs, wie auch zu zuverlässiger und vereinfachter Wartung und Betrieb der Zellen. Die Konstruktion einer derartigen Quecksilberzellenanlage ist derartig, daß man üblicherweise eine oder mehrere Vakuumschaltanordnungen gemäß dem vorerwähnten Patent an Ort und Stelle permanent anschließt.

Bei Chloralkali-Elektrolysezellen der Diaphragmabauart werden eine oder mehrere Diaphragmen, die gegenüber der Strömung der Elektrolytlösung-durchlässig sind,'verwendet, um das Halogengas und das Alkalimetallhydroxid voneinander zu trennen. Bei einer-Elektrolysezelle der Membranbauart werden eine oder mehrere Membranen oder Ionenaustauschbarrieren verwendet, um die Trennung des Alkalimetallhydroxide vom Halogengas zu erreichen. Derartige Zellen der Diaphragma- und Membranbauart sind im allgemeinen von ihrer physikalischen Konstruktion her kompakter und erfordern eine weniger häufige regelmäßige Wartung. Es ist daher üblich gewesen, transportable elektrische Nebenschlußanordnungen für derartige .Zellen der Diaphragmabauart zu verwenden, die herkömmliche-Messerkontakte oder auch der Luft ausgesetzte elek-

trische Schaltkreistrenner umfaßten. Im allgemeinen führen Zellen der Diaphragma- .und Membranbauart höhere Betriebströme und erfordern somit von den elektrischen Umgehungs- oder Nebenschlußschaltanordnungen höhere Stromtrenneigenschaften."

Ein elektrischer Nebenschiußschalter, der mit einer Zelle der Diaphragma- oder Membranbauart verwendet werden soll, muß in der Lage sein, die sehr hohen Gleichströme des Systems zu übertragen und auch zu unterbrechen, wobei es sich, um Ströme bis zu mehreren hunderttausend Ampere handeln kann. Der Nebenschlußschalter muß den Strom im Nebenschlußweg unterbrechen, wenn die Zelle wieder zurück in Serienbetrieb mit den anderen Zellen der Anlage gebracht werden soll. Ein erheblicher Energieanteil muß vom Vakuumschalter während des Trennens des hohen Nebenschlußstroms beseitigt werden.

Eine frühere Vakuumschalteranordnung, die zu derartigen Zellen· der Diaphragma- oder Membranbauart transportiert werden konnte,' wird in der US-Patentanmeldung 827 398 vom 24. August 1977 be- ' schrieben. In dieser früheren Nebenschlußschalteranordnung wird eine Vielzahl von Vakuumschaltern in paralleler Stromwegbeziehung .zu einzelnen parallelen elektrischen Sammelschienenleitern angeschlossen, die sich von jedem Schalterkontakt in isolierter, elektrisch-paralleler Beziehung von jeder Seite des Schalters ' zu dem entsprechenden Zellenanschluß erstreckt. Die Widerstandswerte dieser elektrischen Sammelschienenleiter und die physikalischen Beziehungen sind derartig, daß die Wirkungen der Eigeninduktanz wie auch der gegenseitigen Induktanz minimiert werden, so daß die Energie, die in dem letzten sich öffnenden Vakuumschalter beseitigt werden muß, möglichst klein wird.' Bei dieser früheren Schalteranordnung wurde ein gemeinsamer Antriebsmechanismus verwendet, um die Vakuumschalterkontakte während der Stromunterbrechung angenähert simultan zu öffnen. Es ist bekannt, daß es physikalisch unmöglich ist, eine derartige Vielzahl von Schaltern exakt simultan zu öffnen. Die letzten sich öffnenden Schalterkontak-Le werden daher den gesamten Strom der parallelen Nebenschlußanordnung führen. Es war der Zweck dieser früheren Schalter-

anordnung, die Energie zu reduzieren, die von dem letzten sich öffnenden Schalter beseitigt werden muß.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine elektrische Vakuumschalternebenschlußanordnung zu schaffen, bei der der Lichtbogenstrom, den die Schalterkontakte unterbrechen und beseitigen müssen, möglichst klein wird. Es wird damit ein Vakuumschalter angestrebt, der für eine vorbestimmte Bauart bzw. Nennbelastung zuverlässige Schalteroperationen über eine sehr lange Zeitdauer ermöglicht.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Hauptanspruchs, also, dadurch, daß eine elektrische Nebenschlußschalteranordnung für den elektrischen Nebenschluß von Elektrolysezellen geschaffen wird, die .

a). eine Vielzahl von elektrischen parallelen Verzweigungsleiterwegen aufweist, von denen jeder einen Vakuumschalter und einen Serienwiderstand von vorbestimmtem Wert umfaßt,, so daß der Strom in jedem entsprechenden Parallelzweig auf einen vorbestimmten Konstruktionswert begrenzt wird, und b) Einrichtungen aufweist, um die Vakuumschalter asynchron zu -betätigen, um einen ansteigenden Teil des Stromes von der Schalteranordnung zurück zu der Zelle zu führen, wenn die Spannung über der Schalteranordnung das Elektrolysepotential der Zelle überschreitet, wodurch der Lichtbogenstrom, der von einem einzelnen Vakuumschalter bei der Schalteröffnung beseitigt werden muß, auf den vorbestimmten Konstruktionswert begrenzt wird.

Der Ausdruck "asynchrone Schalteroperationen" ist bei der vorliegenden Erfindung auf das öffnen des Schalters gerichtet, und die Asynchroneinrichtungen, die die einzelnen Vakuumschalter betätigen, werden in einer vorbestimmten Zeitfolge unabhängig voneinander betätigt. Dies steht im Gegensatz zu Vakuumnebenschlußschalteranordnungen des Standes der Technik, bei denen die Vakuumschalter im allgemeinen simultan betätigt wurden, mit der Erkenntnis, daß stets einer der Schalter sich als letzter öffnet. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird jeder

Schalter in dem einzelnen Parallelzweig asynchron unabhängig betätigt. Bei anderen Ausführungsformen mit mehreren parallelen Schaltern in Unterzweigen können die Schalter eines Unterzweiges simultan betätigt bzw. zusammen geöffnet werden, werden jedoch unabhängig oder asynchron bezüglich den Schaltern der anderen Hauptparallelzweige geöffnet.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, die in den Zeichnungen dargestellt sind.

Es zeigt

Fig. 1· eine schematische Darstellung einer elektrischen Nebenschlußscharteranordnung für Elektrolysezellen gemäß, der vorliegenden Erfindung, die an eine -Elektrolysezelle angeschlossen ist; · .

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer anderen elektrischen Nebenschlußschalteranordnung für Elektrolysezellen gemäß der Erfindung, wiederum angeschlossen an der . elektrolytischen Zelle;

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht eines Teils der Nebenschluß-. · schalteranordnung gemäß der Erfindung, insbesondere eine Ausführungsform, bei der zwei·VakuumschaltermoduIn mit einem gemeinsamem Betätigungsmechanismus für angenähert simultane Betätigung angeschlossen sind; und

Fig. 4 eine Seitenansicht, teilweise geschnitten längs der Linie IV-IV der Fig. 3, um das Verständnis der Schalteranordnung sowie das Betriebsverfahren zu erleichtern.

In Fig. 1 ist eine Elektrolysezelle 10 der Diaphragma- oder Membranbauart dargestellt, die einen Anodenanschluß 12 und einen Kathodenanschluß 14 aufweist. Die Elektrolysezelle 10 stellt eine von mehreren in Serie angeschlossenen Zellen dar, die als relatives Konstantstromsystem von einer Gleichstromquelle betrie-

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ben werden, die Ströme in der Größenordnung von 150.000 A liefern kann. Es können 100 bis 200 Zellen in Serie geschaltet sein, und der ±m Betrieb über der einzelnen Zelle auftretende Potentialabfall wird etwa 3,8 V betragen. Das Nebenschließen einer einzigen Zelle in dem Serienzellensystem hat einen sehr geringen Einfluß auf das Gesamtsystem und der Strom wird verhältnismäßig konstant bleiben. Die Zellenanschlüsse 12 und 14 werden mit der Lastleitung der Anlage verbunden, was beispielsweise mittels einer Leitung geschieht, die etwa 150.000 A Laststrom für das System führt. Die Elektrolysezelle 10 besitzt einen inneren Widerstandswert RC, der typischerweise etwa 8 bis 10 Mikroohm beträgt, und dieser Widerstandswert kann auch repräsentiert werden durch ein Elektrolysepotential von etwa 2,3 V, das über den Anoden- und Kathodenanschlüssen erscheint, wenn die Zelle keinen Strom führt. Eine elektrische Nebenschlußschalteranordnung 16 ist elektrisch parallel zu den Anoden- und Kathodenanschlüssen bzw. 14 angeschlossen. Die Nebenschlußschalteranordnung 16 umfaßt eine Vielzahl von Vakuumschaltern S1/ S2, S3, SN, die in elektrisch paralleler Stromwegbeziehung zu entsprechenden Serienwiderstandswerten R1 , R2, R3, RN in den einzelnen parallelen Stromverzweigungen liegen. Die genaue Zahl der parallelen Wege und Vakuumschalter SN in der Schalteranordnung wird im wesentlichen durch den Laststrom der Anlage festgelegt, wobei ein höherer Strom im allgemeinen auch eine größere Anzahl von Stromwegen und Schaltern erfordert. Für eine Anlage mit einem Läststrom von 150.000 A können beispielsweise 3 6 Stromwege und Schalter vorgesehen sein. Die Widerstandswerte von R1, R'2, R3 und RN sind so festgelegt, daß sich ausreichende Potentialabfälle IxR über der stromführenden Schalteranordnung ergibt, so daß verglichen mit dem Elektrolysezellenpotential sich eine Umleitung eines ansteigenden Teils des Stromes von der Schalteranordnung zurück durch die Zelle ergibt, wenn das Potential über der Schalteranordnung das Elektrolysepotential der Zelle überschreitet. Der Widerstandswert wird typischerweise von den Sammelschienen-Ieiterzuführungen geliefert, die so dimensioniert sind, daß sie den gewünschten Widerstandswert für den Verzweigungsweg .ergeben. Derartige Sammelschienenleiter bestehen zwar typischer-

weise aus Kupfer, jedoch können auch Sammelschienenleiter aus rostfreiem Stahl benutzt werden, um den gewünschten Widerstandswert zu erhalten. Es kann auch ein physikalischer Widerstand verwendet werden.

Die. Vielzahl von getrennten, parallelen Wegen für die Schalter und die Widerstandswerte ist verbunden mit elektrischen Sammelleitungszuführungen 18 und 20, die entsprechend mit Zellenanodenanschlüssen 12 und Zellenkathodenanschlüssen. 14 verbindbar sind. Jeder einzelne Vakuumschalter SN ist durch einen Luftzylinder AC1, AC2, AC3, ACN Steuer- und betreibbar. Die Luftzylinder ACN werden über entsprechende Verbindungseinrichtungen 22, 24, 26, 28 verbunden, die eine Axialbewegung der Schalterkontakte zum Öffnen und Schließen der Schalterkontakte bewirken. Die Luftzylinder ACN werden durch eine Hauptsteuerung 30 betätigt, die die Luftzylinder asynchron in Tätigkeit setzt, um die einzelnen Vakuumschalter zu vorbestimmten Zeitintervallen zu betätigen. Andere Arten von Vakuumschalterbetätigern einschließlich elektrischer Magnete können gleichfalls verwendet werden. Bei- · spielsweise könnten für eine Zelle mit einer Stromführungslast von 150.000 A 36 unabhängige parallele Verzweigungswege und Vakuumschalter SN verwendet werden. Die Sammelschienenverbinder und 20 der Nebenschlußanordnung besitzen typischerweise Widerstandswerte, repräsentiert durch R_L, die bei ungefähr 3 Mikroohm liegen. Der Widerstandswert RN in jedem parallelen Zweig oder Stromweg der 3 6 Schalteranordnungen beträgt etwa· 252 Mikroohm. Die Hauptsteuerung 30 bewirkt die Betätigung der einzelnen Luftzylinder ACN und der entsprechend angeschlossenen Vakuumschalter SN in Zeitintervallen von etwa 30 ms. Es ist zu erkennen,. daß nach dem Schließen aller 36 Vakuumschalter SN kein Strom mehr ■ durch die Elektrolysezelle 10 fließt, weil die Zellenspannung unterhalb dem Elektrolysepotential der Zelle von 2,3 V liegt·. · Der Gesamtstrom in dem System fließt durch die Schalteranordnung oder die Nebenschlußanordnung 16 und der Strom in jedem parallelen Vakuumschalterwiderstandsweg beträgt annähernd 4.167 A. Während aufeinanderfolgend Vakuumschalter SN in periodischer Weise geöffnet werden, wird offensichtlich kein Strom zurück

zur Zelle geführt, bis die Zellenspannung das Elektrolysepotential von'2,3 V überschreitet. Es ist geschätzt worden, daß dies auftritt, wenn noch etwa 20 derartiger Vakuumschalter geschlossen sind, wobei jeder Schalter dann etwa 7.590 A führt, und daß dann, wenn nachfolgend Vakuumschalter geöffnet werden, ein ansteigender .Teil des Stromes zurück durch die Elektrolysezelle umgeleitet wird. Wenn der letzte sich öffnende Schalter tatsächlich geöffnet wird, wird der Hauptanteil des Stromes durch die Zelle fließen und der letzte sich öffnende Schalter muß einen Strom beseitigen, der nur etwa 13.567 A beträgt, welcher Wert leicht innerhalb der Konstruktionseigenschaften des Schalters .aufgefangen werden kann.

Der Strom, der in den 36 Verzweigungswegen geführt wird, wird nun durch die 20 Verzweigungswege geleitet, für die die Schalter ■' noch geschlossen sind. Dies führt zu höheren Strömen in diesen 20 Verzweigungswegen und der wirksame Widerstand des Nebenschlusses wird infolge der Reduzierung der Anzahl von parallelliegenden Verzweigungswegen, die noch Strom führen, erhöht, so daß sich ein· höherer Spannungsabfall IxR über der Nebenschlußanordnung ergibt. Schließlich wird dieser Spannungsabfall IxR über der Nebenschlußanordnung das Zellenelektrolysepotential überschreiten, woraufhin ein Teil· des Stromes zurück zur Zelle geführt wird. Mit jedem nachfolgend sich öffnenden Schalter ergibt sich eine weitere Reduzierung in der Anzahl der βtromfuhrenden Verzweigungswege, so daß ein ansteigender Teil des Stromes zurück zur Zelle gerichtet wird.

Die·schematische Darstellung der Fig. 1 zeigt nicht die Tatsache, daß ein Übergangsgegenstrom im Zusammenhang mit der Elektrolysezelle auftritt/ wenn der Systemstrom anfänglich zu der Schalteranordnung durch Schließen der Vakuumschalter geführt wird. Dieser Übergangsstrom würde wegfallen durch Verwendung einer Hochleistungsdiode in der Leitung. Es gibt keinen derartigen übergangsgegenstrom im Zusammenhang mit dem öffnen der Nebenschlußschalteranordnung, wenn der Strom zurück durch die Zelle geleitet wird.

Die Anzahl der Vakuumschalter, die in der Schalteranordnung verwendet wird, und die Widerstandswerte für die in Serie angeschlossenen Widerstände.können stark schwanken innerhalb der allgemeinen Forderung, daß der Strom für den letzten sich öffnenden' Schalter auf einen Strompegel reduziert werden sollte, der innerhalb der Fähigkeiten oder der Konstruktionswerte eines einzelnen Vakuumschalters liegt. Die Zeitperiode zwischen aufeinanderfolgenden Schalteröffnungen wurde mit etwa 30 ms angegeben. Dies wird leicht dadurch erreicht, daß Luftzylinder oder andere elektromechanische Betätigungsmechanismen verwendet werden. Im"allgemeinen ist es wünschenswert, in der Lage zu sein, die Rückführung des Stromes von der Nebenschlußanordnung zur Zelle in einer so kurzen Zeit wie möglich vorzunehmen, um den Wirkungsgrad der Zelle und elektrischen Energie zu optimieren. Es ist im allgemeinen unpraktisch und nicht wünschenswert, die Zeit zwischen den Schalteröffnungen auf weniger als etwa 10 ms zu verkürzen, welche Zeit die induktive Übergangszeit annähert, in der die im Schalter und in der Leitung gespeicherte Energie zurück zur Zelle übertragen werden würde. Im allgemeinen kann gesagt werden, daß je langer die Zeitperiode zwischen den Schalteröffnungsvorgängen ist, desto geringer ist der Wirkungsgrad der Verwendung der elektrischen Energie in der Anlage. Es ist natürlich nicht wesentlich, daß die Zeitperiode zwischen Schalteröffnungen von kurzer Dauer ist oder von gleicher Dauer, und diese Zeit kann tatsächlich leicht variiert werden, indem die Hauptsteuerung zur Betätigung der Luftzylinder geändert wird.

In dem obigen Beispiel sind einzelne Luftzylinder mit jedem einzelnen Vakuumschalter verbunden, um eine asynchrone Betä.ti-. gungder Schalter zu bewirken. Diese asynchrone Betätigung kann auf unterschiedliche Weise erreicht werden, einschließlich der Benutzung von exzentrischen Nockeneinrichtungen, die.mit einer gemeinsamen rotierenden Welle verbunden sind, wie allgemein in der US-Patentschrift 41 21 268 beschrieben, gemäß der die exzentrischen Nockeneinrichtungen benutzt wurden, um den letzten sich öffnenden Schalter einer Serie von parallel miteinander verbundenen Schaltern festzulegen. Es ist möglich, die Verwendung

von Luftzylindern und Nockeneinrichtungen/ die auf einer rotierenden Welle montiert sind, welche mit einer Schalterbetätigungsleitung verbunden sind, zu kombinieren, um die vorliegende Erfindung zu verwirklichen.

Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung, die in Fig. 2 dargestellt ist, ist die elektrische Nebenschlußschalteranord-^ nung 32 über Sammelschienenverbinder 3 4 und 36 mit entsprechenden Anoden- und Kathoderianschlüssen 38 und 40 der Elektrolysezelle 42 verbunden. Bei dieser Ausführungsform wurde die Anzahl der separaten parallelen Leitungswegverzweigungen der Nebenschlußanordnung reduziert auf die Parallelschaltung von zwei oder mehr Vakuumschalter mittels paralleler Verzweigungswege für die Verzweigungen, die nicht die erste Verzweigung darstellen, und durch Reduzieren des Widerstandswertes RN proportional zu der Anzahl der Kontakte oder Schalter pro Verzweigung. Auf diese Weise wird ein erster paralleler Weg.oder ein erster Zweig zwischen den Sammelschienenverbindern 34 und 36 geschaffen, der den Vakuumschalter S1a, den Widerstand R1a und den Luftzylinder AC1a umfaßt. In einem zweiten parallelen Weg über den Sammelschienenverbindern 34 und 36 ist der Widerstand R2a vorgesehen, der den halben Widerstandswert von Ria besitzt, sowie ein Paar von Vakuumschaltern S2a und S2b, die in diesem zweiten Verzweigungsweg parallelgeschaltet sind. Luftzylinder AC2a sind so angeordnet, daß sie die Vakuumschalter S2a und S2b simultan betätigen, jedoch diese asynchron bezüglich der anderen Vakuumschalter betreiben. Ein<-· Luftzylindersteuereinrichtung 44 ist mit jedem einzelnen Luftzylinder verbunden, um das aufeinanderfolgende getrennte Betätigen d.er Vakuumschalter zu ermöglichen. In einem dritten Parallelzweigleiterweg mit dem Widerstand R4a befinden sich vier elektrisch parallel liegende Vakuumschalter S4a, S4b, S4c, S4d. Der Luftzylinder AC4a ist mit jedem dieser Schalter über Verbindungseinrichtungen verknüpft, um diese vier Schalter im wesentlichen simultan zu betätigen. Der Luftzylinder AC4a ist in gleicher Weise mit der Hauptluftzylindersteuereinrichtung 44 verbunden, die die Vakuumschalter der verschiedenen parallelen Zweigwege in zeitlich asynchroner Weise betätigt. Zusätzliche

parallele Verzweigungsleiterwege umfassen Widerstand RNa und . vier elektrischparallel angeschlossene Vakuumschalter SNa, SNb, SNc, SNd. Ein Luftzylinder ACNa ist vorgesehen, der mit den Steuereinrichtungen 44 verbunden ist, um die Schalter SNa, SNb, SNc und SNd über bewegliche Koppeleinrichtungen 22a, 24a, 26a, 28a zu betätigen, um im wesentlichen simultan diese vier Schalter und bezüglich der anderen Vakuumschalter in den anderen parallelen Zweigwegen asynchron zu betätigen.

Mit der Schalteranordnung gemäß Fig. 2 ist es möglich, die gleichen funktionellaiStromumschaltungseigenschaften zu erreichen, wie es bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1 der Fall war. Erreicht wird dies durch die richtige Aufeinanderfolge, der Schalteröffnungen. Diese Aufeinanderfolge kann als ein binäres System ber trachtet werden, in dem der Schalter Sia als erster geöffnet wird. Danach wird Schalter Sia geschlossen und die Schalter S2a und S2b geöffnet. Dann wird Schalter S1a wieder geöffnet, während die Schalter S2a und S2b offen bleiben. Es ist zu erkerinen, daß dies das gleiche ist, als wenn ein Schalter zur Zeit gemäß ' der Ausführungsform von Fig. 1 geöffnet wird. Der nächste Schritt wäre der, die Schalter Sia, S2a und S2b zu schließen und die Schalter S4a und S4b, S4c und S4d zu öffnen. Die'Abfolge.würde dann weitergehen mit der SN-Serie von vier Schaltern SNa, .SNb, SNc, SNd, zusammen mit den Schaltern Sia, S2a und S2b.

Verschiedene andere Anordnungen von parallelen Leitungsverzweigungswegen können benutzt werden, um die Erfindung durchzuführen, wobei die Anzahl der parallelen Verzweigungsleiterwege veränderbar ist, um die Strombereichsanforderungen der Zelle zu erfüllen, an die die Schalteranordnung angeschlossen werden soll. Die Anzahl der Vakuumschalter, die zur Bildung der ünterverzweigungen innerhalb des Verzweigungsweges parallelgeschaltet werden sollen, kann auch verändert werden. Es ist möglich, jeden der parallelgeschalteten Schalter in einer Unterverzweigung in individueller asynchroner Weise zu betätigen, anstelle sie simultan zu betätigen, wie es bezüglich der Aus führung sf orni von Fig. 2 beschrieben wurde.

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Die Verbindungseinrichtungen 22, 24, 26, 28, die in Fig* 1 zwischen den entsprechenden Luftzylindern und den Vakuumschaltern angedeutet sind, können einfache hin- und herbewegbare Kupplungen sein,- die die Schalterkontakte um die kurze axiale Entfernung von weniger als etwa 6,4 mm von der geschlossenen in die offene Stellung bewegen. Die in den Fig. 3 und 4 dargestellten Kupplungseinrichtung en sind komplizierter und urifassen eine drehbare Welle, die von dem entsprechenden Luftzylinder mit nicht dargestellten Einrichtungen betätigt werden, um die Kolbenbewegung des Luftzylinders in die Kreisbewegung der Welle umzusetzen. Die Welle 64 wird benutzt, um mehr als einen Vakuumschalter zu betätigen, beispielsweise für die Schalter 52A, 52B mit Hilfe der hin- und herbeweglichen Kupplung 7O.

Die Vakuumschalter und die Betätigungsmechanismen der Nebenschlußanordnung können vielleicht am besten anhand der Fig. 3 und 4 erkannt und verstanden werden. In Fig. 3 und Fig. 4 sind zwei Vakuumschalter und BetätigungsmechanismusmoduIn 46 in perspektivischer Ansicht dargestellt, wobei diese Moduln den Schaltern S21 und S22 der Fig. 2 entsprechen würden. Der hier dargestellte Vakuumschalter und Betätigungsmechanismus ist Teil der am 13. Juni .1978 eingereichten US-Patentanmeldung 915 324. Der Niederspannungsvakuumschalter S21 umfaßt einen isolierenden keramischen Körperring 48, der ein Ende oder einen Kontakt des Schalters von dem anderen elektrisch isoliert. Die sich gegenüberliegenden Endflächen des isolierenden Körperringes 48 werden durch ein herkömmliches Verfahren metallisiert und ein Paar von dünnen, flexiblen Ringgliedern 5OA und 5OB an die metallisierte Endfläche dicht angebracht.'Diese ringförmigen Glieder 50A und 50B sind Glieder der Metalldiaphragmabauart und besitzen eine Vielzahl von ringförmigen Wellungen, um ein Verschieben der Schalterkontakte zu ermöglichen. Der äußere Umfangsteil der ringförmigen flexiblen Glieder 5OA und 50B ist an der metallisierten Beschichtung auf dem isolierenden Körperring aufgelötet. Die inneren .Umfangsteile der ringförmigen flexiblen Glieder 50A und 5OB sind mit den entsprechenden zylindrischen leitenden Stützstäben 52A und 52B verlötet. Die zylindrischen leitenden Stützstäbe

52A und 52B laufen abgedichtet durch die flexiblen ringförmigen Glieder 5OA und 5OB. Der zentral angeordnete isolierende Körperring 48, die flexiblen. Ringglieder 50A_f 5OB und die zylindrischen leitenden Stützstäbe 52A, 52B bilden einen hermetisch abgeschlossenen Kolben für den Vakuumschalter. Die Kontaktoberfläche 54A und 54B--der nach innen sich erstreckenden Enden der entsprechenden Stützstäbe 52A, 52B werden durch nicht verschweißbares Kontaktmaterial gebildet. Planare Montageplatten 56A, 56B besitzen die Stützstäbe aufnehmende öffnungen und sind mit den sich erstreckenden Enden der Stützstäbe außerhalb des Vakuumkolbens verlötet. Die Stützstäbe ragen um ein kurzes Stück über die planaren Montageplatten hinaus, um Kontakt mit entsprechenden Sammelschienenverbindungsleitungen herzustellen. Die planaren Montageplatten werden benutzt, um das Befestigen und elektrische Kontaktieren der Stützstäbe mit den leitenden Sammelschienenleitern zu erleichtern. Beispielsweise ist das Bodenteil des Vakuumschalters unä der Kontakt 54B sowie der zugehörige Stützstab 52B fest an der Stützsammelschiene 59 angebracht, und zwar mit einer Mehrzahl von Schraubbolzen 58, die sich durch eine Stützplatte 61, dia.Stützsammelschiene 59 erstrecken und die in mit. Gewinde versehene öffnungen eingeschraubt sind, die in der unteren planaren Montageplatte 56B angebracht sind. In gleicher Weise ist eine flexible Sammelschienenleitung 60 mit dem oberen Ende des Stützstabes 52A über eine Mehrzahl von Schraubbolzen 58 elektrisch verbunden, die in öffnungen eingeschraubt sind, die in der oberen planaren Montageplatte 56A vorgesehen sind. Der flexible Sammelschienenleiter 60 ermöglicht eine axiale Bewegung des Stützstabs 52A, um so ein öffnen und Schließen der Kontaktflächen 54A und 54B innerhalb des Vaküumschalters zu ermöglichen. . -·."■■■

Der Betätigungsmechanismus 62 zum öffnen und Schließen der Vakuumschalterkontakte ist so ausgeführt, daß die benötigte axiale Kraft zur Bewegung des Stützstabs und zur Herstellung des Schließkontaktes für den Schalter geliefert wird, und auch die Kraft zur Bewegung der Kontakte weg voneinander^, um den Schalter zu öffnen. Eine drehbare Welle.64 wird von im Abstand angeordneten

Rahmengliedern 66A, 66B gehalten, wobei die Welle 64 ein exzentrisches Nockenglied 68 trägt, das innerhalb geeigneter Öffnungen montiert 1st, die in den isolierenden Verbindungsgliedern 70 vorgesehen sind. Die Verbindungsglieder 70 erstrecken sich zwischen der drehbaren Welle und dem oberen Ende der flexiblen Sammeis chienenleiter. Das Nockenglied 68 ist mit der Welle 64 rotierbar, um eine hin- und hergehende Bewegung des.verbundenen Kupplungsgliedes 70 entlang der Achse des Vakuumschalters zu erzeugen. Die verbindenden Kupplungen 70 besitzen gebogene Bodenenden 72, die auf einem vergrößerten Beilagglied 74 in einer Mehrzahl von tellerartigen Beilaggliedern 76 aufsitzen, die als Überschußbewegungsfedern dienen. Ein Hilfsmontageplattenglied 78 ist mit dem flexiblen Sammelschienenleiter 60 verbunden, wobei der flexible Sammelschienenverbinder 60 sandwichartig zwischen der HiIfsmontageplatte 78 und der oberen planaren Montageplatte 56A mit Hilfe von Schraubbolzen angeordnet ist. Ein Augenschraub-'bolzen 80 erstreckt sich von der Hilfsmontageplatte 78 nach oben, wobei Beilägen 74 und 76 um den Schaft des Augenbolzens 80 herum angeordnet sind, wobei sich ein Verbindungsstift 82 durch das Kupplungsglied 70 und die Öffnung des Augenbolzens 80 erstreckt. Wenn der Vakuumkurzschlußschalter geschlossen werden •soll, wird die Welle 64 gedreht, und der exzentrische Nocken wird das verbindende Kupplungsglied 70 veranlassen, sich axial zu verschieben, wobei die gekrümmten Bodenenden auf die Beilagen 74 einwirken, um die axiale Kraft über den Augenbolzen, die HiIfsmontageplatte 78 und die flexible Leitung oder Sammelschiene 60 zu übertragen. Der Vakkumschalter wird geöffnet, indem die Wellendrehung umgekehrt wird und dadurch das Kupplungsglied 70 in entgegengesetzte Richtung axial verschoben wird.

Die erfindungsgemäße elektrische Nebenschlußschalteranordnung wird vorzugsweise transportabel gestaltet, indem sie auf eine mit Rädern versehenen Transportkoffereinrichtung oder fahrbare Montagebockeinrichtung montiert wird,, oder sie ist mit Hilfe einer Deckenkrananlage beweglich. Die Sammelschienenleiterzufüh- · rungen 18 und 20 der Ausführungsform gemäß Fig. 1 sind mit' Hilfe von Schraubbolzeneinrichtungen, die nicht dargestellt sind,

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mit den Anschlüssen der Elektrolysezelle verbindbar. Auf. diese Weise kann die Schalteranordnung von Zelle zu Zelle bei einem mehrzelligen System bewegt werden, um eine periodische Wartung vornehmen zu können/ und die Anordnung kann an Ort und Stelle leicht mit einer bestimmten Elektrolysezelle verbunden werden, um diese nebenzuschließen. . · ; · -

Die vorliegende Erfindung liefert somit eine wirkungsvolle und zuverlässige elektrische Vakuumschalteranordnung für den Neben*- schluß von Elektrolysezellen. Die asynchrone oder aufeinanderfolgende Betätigung der Vakuumschalter bewirkt eine langsame Umleitung des Stromes von der Zellennebenschlußschalteranordnung zurück durch die Zelle und verringert dadurch in hohem Maße den Strom und den Lichtbogen beim letzten sich öffnenden Schalter. Der letzte sich öffnende Schalter muß daher nur einen Strom unterbrechen, der zuverlässig getrennt werden kann, ohne daß schwerwiegende Kontakterosionen oder andere· thermische Belastungen des Schalters auftreten. .

Die erfindungsgemäßen Vakuumschalter sind für eine Nenndauerstrombelastung von etwa 6.000 A bei Gleichspannungen von bis zu 10 V geeignet, bei herkömmlichen Kupfer oder Kupferwismuthkontakten. Diese Vakkumschalter können Ströme bis zu etwa 25.000 A zuverlässig unterbrechen. Die SchaIternennwerte können erhöht werden, indem für die Kontakte hitzefestes Metall verwendet wird.

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Claims

oR.-iNc. Ernst Stratmann·

PATENTANWALT
D-4000 DÜSSELDORF 1 · SCHADOWPLATZ 9

VNR: 109126

48,955
8111

.Düsseldorf, 25. Mai 1981

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

Patentansprüche ;

Elektrische Nebenschlußschalteranordnung zum elektrischen Anschluß parallel zu einer Elektrolysezelle, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung (16)

a) eine Vielzahl von elektrisch parallelen Zweigleitungswegen umfaßt, die jeweils einen Vakuumschalter (S) und einen Serienwiderstand (R) von vorbestimmtem Wert in jedem parallelen, einen Schalter enthaltenden Zweig, so daß der Strom in jedem entsprechenden parallelen Zweig"begrenzt ist auf einen vorbestimmten Nennwert, und .

b) Einrichtungen (30) aufweist, um die Vakuumschalter

(S) asynchron zu betätigen, um einen ansteigenden - · Teil des Stromes-von der Schalteranordnung (16) zurück zur Zelle (10) zu leiten, wenn die Spannung über der Schalteranordnung (16) das Zellenelektrolysepotential. überschreitet, wobei der Lichtbogenstrom, den ein einzelner Vakuumschalter (S) bei Schalteröffnung beseitigen muß, begrenzt ist auf den vorbestimmten Nennwert.

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2. ' Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

der Widerstandswert in jedem parallelen Zweig im wesentlichen gleich ist.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeit zwischen aufeinanderfolgenden asynchronen

■ Betätigungen der Schalter (S) größer als ungefähr 10 ms . ist.
4. Anordnung nach Anspruch 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen (30) zum asynchronen Betätigen der •Vakuumschalter (S) hin- und herbewegliche Kupplungseinrichtungen (22 bis 28) umfassen, die mit jedem Schalter (S) verbunden sind, einen Luftzylinder (AC) zur Ein- und Herbewegung" der Kupplungseinrichtungen (22 bis 28), und eine Luftzylinders.teuerung (30) zur Betätigung der einzelnen Luftzylinder (AC) zu vorbestimmten Zeitintervallen.
5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß einer oder mehrere parallele, Schalter enthaltende Zweige eine Unterverzweigung (Fig. 2) mit einer

• Vielzahl von elektrisch parallelen Vakuumschaltern (z. B. S2a> S2b) im Unterzweig umfassen.
6'. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstandswert in jedem parallelen Zweig - der eine Vielzahl von elektrisch parallelen Vakuumschaltern (S2) in Unterverzweigungen aufweist, festgelegt wird entsprechend der Anzahl von parallelen Vakuumschaltern (S2) in den Unterverzweigungen, so daß der von jedem Parallelzweig geführte Strom ungefähr gleich ist, wenn die Schalter (S2) geschlossen sind und die Schalteranordnung (16, 32) für die Elektrolysezelle (10, 42) einen Nebenschluß bildet.'
7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Vielzahl von elektrisch parallelen Vakuumschaltern (S) jeweils unabhängig betätigbar sind und daß

die Anordnung (16, 32) einen ersten Zweigweg mit einem einzelnen Vakuumschalter (S1) .und einem Serienwiderstandswert ■-(Rl) umfaßt, einen zweiten Verzweigungsweg mit einem Serien-. widerstandswert (R2) und einem Paar von elektrisch parallelen Vakuumschaltern (S2) in ünterverzweigungen, und zumindest einen weiteren Verzweigungsweg mit einem Serienwiderstandswert (R4) und vier elektrisch parallelen Vakuumschaltern (S4) in Unterverzweigungen.
8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalteranordnung (16, 3 2) einen oder mehrere zusätzliche elektrisch parallele Verzweigungswege umfaßt, die vier elektrisch parallele Vakuumschalter (SN) in Unterverzweigungen umfassen.
9. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Strom von der Schalteranordnung (16, 32) durch Öffnen des einzelnen Vakuumschalters (S1) im ersten Verzweigungsweg umgeleitet wird, daß dann der einzelne Vakuumschalter (S1) im ersten Verzweigungsweg geschlossen und das Paar von Vakuumschaltern (S2) in dem zweiten Verzweigungsweg geöffnet wird, daß dann der einzelne Vakuumschalter (SI), im ersten Verzweigungsweg geöffnet wird, daß dann der einzelne Vakuumschalter (S1) im ersten Verzweigungsweg geschlossen und ein Paar von zweiten Zweitvakuumschaltern (S2) geschlossen und die vier Vakuumschalter (S4) in dem zumindest einen weiteren Verζweigungsweg geöffnet werden.
10. Verfahren zur Umleitung des Gleichstroms von einer elektrischen Nebenschlußschalteranordnung, die in paralleler Nebenschlußbeziehung an einer Elektrolysezelle elektrisch· ange-' schlossen ist, die ein charakteristisches Elektrolysepotential zeigt, wobei Zelle und Schalteranordnung mit einer Gleichstromleistungsversorgung für die' Elektrolysezelle ■ elektrisch verbunden sind, wobei die.elektrische Nebenschlußschalteranordnung eine Vielzahl von elektrisch parallelen Verzweigungsleitungswegen aufweist, von denen jeder zumindest

einen Vakuumschalter umfaßt, und einen Serienwiderstand von vorbestimmtem Wert in jedem' parallelen, einen Schalter enthaltenden Zweig aufweist, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte: asynchrones Öffnen einzelner Vakuumschalter (S) in einer vorbestimmten Zeitabfolge, um den Potentialabfall über der Nebenschlußschalteranordnung· (16)· zu erhöhen, so daß dann, wenn der Potentialabfall das Zellenelektrolysepotential überschreitet, ein Teil des Stromes durch die Elektrolysezelle (10) umgeleitet wirdt öffnen aufeinanderfolgender Vakuumschalter in einer •vorbestimmten Zeitabfolge, um einen ansteigenden Teil des Stromes durch die Elektrolysezelle (10) umzuleiten, mit einer entsprechenden Reduzierung des Stromes, der durch die Nebenschlußschalteranordnung (16) fließt, und öffnen des letzten zu öffnenden Vakuumschalters (S), um den reduzierten Strom zu unterbrechen, der sich auf einem vorbestimmten Nennwert befindet.

Beschreibung;