DE589434C

DE589434C - Lichtbogenloeschvorrichtung

Info

Publication number: DE589434C
Application number: DES86617D
Authority: DE
Original assignee: Siemens Schuckertwerke AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens Schuckertwerke AG; Siemens Corp
Priority date: 1927-07-27
Filing date: 1928-07-15
Publication date: 1933-12-07
Also published as: AT117369B

Description

Bibliotheek

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16 JAH, 1934

AUSGEGEBEN AM
7. DEZEMBER 1933

REICHSPATENTAMT

PATENTSCHRIFT

KLASSE 21 c GRUPPE 70 -'

Patentiert im Deutschen Reiche'vom 15. Juli 1928 ab

ist in Anspruch genommen. ·

Die Erfindung bezieht sich auf eine einfache Lichtbogenlöschvorrichtung, die auf dem Prinzip der Entionisierung der Lichtbogenbahn beruht und mit Vorteil für Schmelzsicherungen und Schalter hoher Stromstärken und hoher Spannungen verwendet wird.

Die bekannten Funkenkammern beruhen im wesentlichen auf dem Prinzip, den Spannungsverbrauch im Lichtbogen dadurch zu steigern, daß ihm eine große Länge gegeben wird. Zu diesem Zweck werden in die Löschkammern Isolierwände u. dgl. eingebaut, um die sich der Lichtbogen herumlegen

muß. ' -·- · · ■ ■

Es sind auch Funkenkammern bekanntgeworden, in welchen der Lichtbogen durch Einkapselung in einem engen Kanal erstickt werden soll. Man hat auch bei kleinen Sicherungen für geringe Spannungen und Stromstärken verhältnismäßig enge Spalten verwendet, in welchen dem Lichtbogen möglichst viel Wärme entzogen werden sollte. Für Hochleistungslichtbögen konnten jedoch derartige Einrichtungen infolge ihrer mangelhaften Betriebszuverlässigkeit bisher nicht angewendet werden, denn es war dann immer die Gefahr der Sprengung vorhanden.

Nach der Erfindung wird nun dieser Nachteil beseitigt und eine auf dem Prinzip einer lebhaften Entionisierung des Lichtbogenpfades wirkende Löschvorrichtung geschaffen. Die Erfindung besteht darin, daß bei einer Löschvorrichtung in geschlossener Ausfüh- ' rung, in welche der Lichtbogen in engen Spalten in flächenhaft ausgedehnte Formen von sehr kleiner Dicke gezwungen wird, in einem Isolierkörper vorgesehene Schlitze derart in ihrer Tiefe begrenzt bemessen werden, daß sie von dem voll entwickelt brennenden Lichtbogen der Höchststromstärke nicht voll ausgefüllt werden. Durch die flächenhafte Ausbreitung des Lichtbogens wird nämlich einerseits der Spannungsverbrauch des· Lichtbogens auf einem bestimmten Wert gehalten, < andererseits die .entionisierende Wirkung der Wandungen gesteigert, weil bei der flächenhaften Ausbreitung des Lichtbogens der größte Teil seines Ouerschnittumfangs in innige Berührung mit den Isolierwänden der j .Löschvorrichtung kommt. Die Leistungsaufnahme des Lichtbogens wird durch diese Vergrößerung seiner Oberfläche und die dadurch bewirkte gute Kühlwirkung der Wandungen nicht nur verhältnismäßig klein gehalten, sondern es erreicht auch die Leistungsaufnahme pro Quadratzentimeter der Schlitzwandung, also die spezifische Beanspruchung des Isoliermaterials keine unzulässigen Werte.

In verstärktem Maße tritt Entionisierung bei Wechselströmen auf, bei welcher Stromart die Vorrichtung besonders günstig wirkt. Geht nämlich der Strom durch seinen NuIl-Avert hindurch, dann hört die Bildung neuer Ionen im Lichtbogen auf. Die Wiedervereinigung der zurückgebliebenen freien Ionen zu neutralen Molekülen wird durch das Vorhandensein der Wandungen so beschleunigt, daß die an den Klemmen sich kurz nachdem Stromdurchgang durch Null bildende volle Spannung, welche ja den Wechselstromlichtbogen nach jeder Halbperiode neu zünden muß, eine schon stark entionisierte, also schlecht leitende Luftstrecke vorfindet. Daher kann man mit dieser Vorrichtung die Unterbrechung eines Wechselstromlichtbogens oft schon nach einer Halbperiode erzielen.

Die Schlitze müssen um so schmäler gemacht werden, je höher die zu unterbrechenden Spannungen sind.

Die Energieaufnahme eines Lichtbogens wächst rasch' an, wenn der Querschnitt des Lichtbogens bei zunehmender Stromstärke allseitig umgrenzt ist, so daß seine Stromdichte zunimmt. Um die durch eine solche Energiezunahme bewirkte starke Beanspruchung des Isoliermaterials herabzusetzen, wird erfindungsgemäß in einer abgeschlossenen Lichtbogenlöschvorrichtung die begrenzte Tiefe der Schlitze so bemessen, daß die Schlitze von dem voll entwickelt brennenden Lichtbogen der Höchststromstärke nicht voll ausgefüllt werden. Hierdurch ist der Leistungsaufnahme eine Grenze gesetzt. Die Tiefe der Schlitze ist dabei durch die Stromstärke bestimmt.

Um das Prinzip der Erfindung näher zu erläutern, seien im nachstehenden die Ergebnisse der Versuche angeführt, welche zu der Erfindung führten.

Ein freier Lichtbogen hat die Charakteristik gemäß Abb. 1. In dieser Abbildung ist auf der Abszissenachse die Stromstärke i, auf der Ordinatenachse die Spannung an den Lichtbogenenden e aufgetragen. Bei kleiner Stromstärke des Lichtbogens ist. die Spannung -hoch, nimmt dann mit zunehmender-Stromstärke zunächst rasch und dann langsam ab. Einen konstanten Wert erreicht sie nicht, vielmehr wird der Spannungsabfall um so kleiner, je größer der Lichtbogenstrom wird.

In der Abb. 2 sind dieser Charakteristik die Charakteristiken von Lichtbogen gegenübergestellt, die zwischen Isolierwandungen' so eingeschlossen sind, daß ihr Querschnitt begrenzt ist.

10 ist die Charakteristik eines Lichtbogens, dessen Querschnitt allseitig begrenzt ist. Bei kleiner Stromstärke (Punkt 11) ist seine Spannung hoch. Diese nimmt bei zunehmendem Strom zunächst wie bei einem freien Lichtbogen ab; jedoch ist der Verlauf der Charakteristik nur bis zum Punkte 12 gleich demjenigen eines freien Lichtbogens. In diesem Punkt hat die Stromstärke einen Wert erreicht, bei welchem der Lichtbogen den ganzen Raum zwischen den Isolierwandungen ausfüllt. Wenn der Strom weiterwächst, steigt die Spannung des Lichtbogens, dessen Stromdichte von diesem Punkt an zunimmt, stark an. Dieser Verlauf ist durch den Ast 12, 13 der Charakteristik dargestellt. Der Lichtbogen in diesem Bereich hat also eine starke Energieaufnahme und erhitzt wegen der hohen Stromdichte stark die Wände.

Begrenzt man den Querschnitt des Lichtbogens dagegen nicht · allseitig, sondern nur in einer Richtung, so daß er sich flächenförmig ausbreitet, dann gelangt man zu der Charakteristik, die mit 14 bezeichnet ist. Es ist vorausgesetzt, daß die eine Dimension der Begrenzung des Lichtbogenquerschnittes wie im Falle der Charakteristik 10 beibehalten g₅ wurde, die Begrenzung in der dazu senkrechten Richtung dagegen schlitzförmig erweitert ist, so daß sich der Lichtbogen in dieser Richtung beliebig ausbreiten kann. Es tritt dann folgendes ein:

Von der kleinsten Stromstärke in Punkt 11 angefangen bis zum Punkt 12 nimmt die Spannung wieder wie früher ab. In diesem Zustand Punkt 12 hat der Lichtbogen eine solche Dicke erreicht, daß er die Wandungen des Schlitzes berührt. \^ron nun an kann er sich nur mehr der Tiefe nach ausbreiten. Die Spannung bleibt bei allen höheren Strom-, stärken konstant. Die Stromzunahme hat also nur eine Querschnittsvergrößerung des Lichtbogens der Tiefe nach zur Folge. Diesem Verlauf entspricht der Ast 12, 15 der Charakteristik 14. In diesem Falle -steigt die Energieaufnahme des Lichtbogens im Ast 12, 15 also nur mehr proportional der Stromstärke an.

Wenn die Schlitztiefe begrenzt ist, dann nimmt, natürlich von der Stromstärke Punkt 15 angefangen, bei welcher der Lichtbogen den ganzen. Schlitzquer schnitt ausfüllt, die Spannung wieder zu, wie durch den Kurveriastis, 16 angedeutet.

Durch die Bemessung der Schlitzbreite hat man es in der Hand, die konstante Spannung vorzuschreiben. Wählt man nämlich die n₅ Schlitzbreite' kleiner, so füllt sie der Lichtbogen schon bei kleinerer Stromstärke aus, und es bleibt dann der entsprechend höhere Wert der Spannung erhalten. Dies ist durch die Charakteristik 17 der Abb. 2 dargestellt.

Die Versuche haben ergeben, daß man bei einer Schlitzbreite von 6,4 mm eine konstante

Lichtbogenspannung von etwa 20 Volt pro Zentimeter Bogenlänge und bei 1,59 mm Schlitzbreite eine solche von etwa 30 Volt pro Zentimeter Bogenlänge erhält.

S Die Nutzanwendungen dieser Ergebnisse steilen die Erfindung dar. Wenn man den Lichtbogen in derart flächenhaft ausgedehnte Formen zwingt, erreicht man nämlich eine rasche Entionisierung des Pfades des Lichtbogens, ohne dabei, wie es bei Vorrichtungen der Fall ist, die den Querschnitt allseitig umgrenzen, die Energieaufnahme des Lichtbogens unzulässig zu steigern, wodurch solche Vorrichtungen zerstört werden. Man gibt also den Schlitzen erfindungsgemäß eine solche Tiefe, daß der voll entwickelte Lichtbogen von der maximalen Stromstärke der Vorrichtung sie noch nicht voll ausfüllt, so\ daß der Lichtbogen bei seiner kleinsten Spannung unterbrochen und dadurch die Isolation der kleinsten Beanspruchung ausgesetzt ist.

Eine besonders zweckmäßige Anwendung der Erfindung ergibt sich für Sicherungen, die für hohe Stromstärke und Spannungen bestimmt sind. Erfindungsgemäß wird eine Schmelzsicherung mit der beschriebenen Lichtbogenlöschvorrichtung ausgerüstet und ein am Schmelzelement befestigter Leiter durch die Lichtbogenlöschvorrichtung mitten hindurchgeführt und von einer Feder unter Spannung gehalten, so daß beim Durchschmelzen des Elementes der Lichtbogen in die Löschvorrichtung hineingezogen wird.

Die Löschvorrichtung besteht dabei erftndungsgemäß aus zwei Halbzylindern aus Isoliermaterial mit in ihrer Längsrichtung verlaufenden schmalen, tiefen Schlitzen. Diese beiden Halbzylinder sind zu einem vollen Zylinder so zusammengesetzt, daß ein Ouerschlitz, durch den der Leiter hindurchgeführt ist, die beiden Hälften trennt.

In Abb. 3 ist diese Schmelzsicherung in einem Längsschnitt dargestellt, in Abb. 4 in einem Querschnitt längs der Schnittebene x-x. 20 ist das rohrförmige Gehäuse der Sicherung aus Isoliermaterial. 21 sind mit .Gewinde versehene leitende Befestigungsringe am oberen und unteren Ende des Gehäuses.

22 sind mit Muttergewinde versehene leitende Kappen, mit denen die Sicherung an den Stromkreis angeschlossen wird. 23 ist die Löschvorrichtung, die in den oberen Teil der Röhre 20 eingekittet ist. Sie besteht aus zwei Halbzylindern 24 und 25 mit den der Länge nach verlaufenden tiefen und schmalen Schlitzen 26. Erfindungsgemäß ist eine für viele praktische Fälle zweckmäßige Schlitzbreite 1,59 mm. 27 ist der mittlere Querschlitz, durch welchen der Leiter 31 hindurchgeführt ist. 28 ist das Schmelzelement der Sicherung, welches an dem Leiter 29 befestigt ist. 29 ist mit Hilfe der Unterlagscheibe 30 zwischen Gehäuse und Kappe festgeklemmt. 31 ist ein Leiter, welcher an dem Schmelz- 6j element 28 unten befestigt ist, durch die Löschvorrichtung 23 hindurchgeht und mit seinem untersten Ende mit Hilfe der Unter-· lagscheibe 32 zwischen dem Sicherungsgehäuse und der Kappe 22 festgeklemmt wird. Dieser Leiter wird durch -die Feder 33 gespannt.

Wenn das Element 28 unter dem Einfluß eines Überstromes schmilzt oder sich loslötet, wird der Leiter 31 unter der Wirkung der Feder 33 durch die Löschvorrichtung 23 hindurchgezogen, wobei sich der Lichtbogen in den Schlitzen der Vorrichtung ausbildet.

Für die Praxis brauchbare Lichtbogenlöschvorrichtungen erhält man erfindungsgemäß, wenn man sie auf Grund nachstehender empirischer Formeln bemißt:

Die Tiefe der Schlitze soll so bemessen sein, daß der in der Lichtbogenlöschvorrichtung voll ausgebreitete Lichtbogen von voller Stromstärke, für die die Vorrichtung gebaut ist, eine kleinere Stromdichte als 155 A/cm² hat. -· .

Das Verhältnis Schlitztiefe zu Schlitzbreite soll so gewählt sein, daß der in der Vorrichtung voll entwickelte Lichtbogen von der vollen Stromstärke, für die die Vorrichtung bemessen ist, eine Stromdichte hat, deren Maßzahl in A/cm² kleiner ist als die 98ofache Schlitzbreite, ausgedrückt in Zentimeter. - Der Ouerschnittsumfang des Lichtbogens · soll pro 1000 A Lichtbogenstrom größer als 5 cm sein.

Die mit einer Lichtbogenlöschyorrichtung gemäß der Erfindung ausgerüsteten Apparate bieten für die Praxis vielerlei Vorteile.

Bisher war man bei Sicherungen für hohe Stromstärken und hohe Spannungen gezwungen, öl, Kohlenstofftetrachlorid u. dgl. zur Kühlung des Lichtbogens zu benutzen. Solche Sicherungen haben den Nachteil, daß ihre' Konstruktion umständlich ist und ihre Anschaffung und Instandhaltung bedeutende Kosten verursachen. Demgegenüber sind Sicherungen gemäß der Erfindung sehr einfach in ihrem Aufbau und verursachen daher kleine Anschaffungs- und Instandhaltungskosten.

Ebenso erspart man bei Schaltern, wenn man sie mit der Löschvorrichtung gemäß der Erfindung ausrüstet, die sonst erforderlichen flüssigen Isolier- und Kühlmittel für das Löschen des Lichtbogens, die zugehörigen gasdichten und druckfesten Kessel und braucht auch keine magnetischen Blaseinrichtungen vorzusehen. Die Schalter werden daher einfach und billig.

Claims

»89434

Ρλ ϊ Ii N T Λ NS PRUCHE:

ι. Lichtbogenlöschvorrichlung in geschlossener Ausführung, bei welcher der . Lichtbogen in engen Spalten in Isolierstoff in flächenhaft ausgedehnte Formen von sehr kleiner Dicke gezwungen wird, dadurch'gekennzeichnet, daß in einem mit Schlitzen versehenen Isolierkörper die begrenzte Tiefe der Schlitze so bemessen ist, ίο daß sie von dem voll entwickelt brennenden Lichtbogen der Höchststromstärke nicht voll ausgefüllt werden.
2. Schmelzsicherung mit einer Lichtbogenlöschvorrichtung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß ein am Schmelzelement befestigter Leiter durch die Löschvorrichtung mitten hindurchgeführt und von einer Feder unter Spannung gehalten wird, so daß beim Durchschmelzen des Elementes der Lichtbogen in die Löschvorrichtung hineingezogen wird.
3. Schmelzsicherung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Löschvorrichtung aus zwei Halbzylindern aus Isolierstoff mit in ihrer Längsrichtung verlaufenden schmalen, tiefen Schlitzen

' besteht, die zu einem vollen Zylinder so zusammengesetzt sind, daß ein Ouerschlitz, durch den der Leiter geführt ist, die beiden Hälften trennt.
4. Schmelzsicherung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitze eine Breite von 1,59 mm haben.
5. Lichtbogenlöschvorrichtung nach An-Spruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefe der Schlitze so bemessen ist, daß der in der Löschvorrichtung voll ausgebreitete Lichtbogen von der vollen Stromstärke, für die die Vorrichtung bestimmt ist, eine kleinere Stromdichte als 155 A/cm² hat.
6. Lichtbogenlöschvorrichtung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitztiefe zur Schlitzbreite so bemessen ist, daß der in der A'orrichtung voll entwickelte Lichtbogen von der vollen Stromstärke, für welche die Vorrichtung bestimmt ist, eine Stromdichte hat, deren Maßzahl in A/cm² kleiner ist als die 9-Sofache Schlitzbreite, ausgedrückt in Zentimeter. „
7. Lichtbogenlöschvorrichtung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß dem Lichtbogen eine Form gegeben wird, bei welcher sein Querschnittsümfang pro 1000 A Lichtbogenstrom größer ist als S cm.

Hierzu ι Blatt Zeichnungen