DE589710C

DE589710C - Electrical switch based on the expansion principle

Info

Publication number: DE589710C
Application number: DE1930589710D
Authority: DE
Inventors: Werner Kaufmann; Dr-Ing Fritz Kesselring
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1930-01-25
Filing date: 1930-01-25
Publication date: 1933-12-13
Also published as: FR709284A; GB364345A

Description

DEUTSCHES REICHGERMAN EMPIRE

AUSGEGEBEN AM 13. DEZEMBER 1933ISSUED ON DECEMBER 13, 1933

REICHSPATENTAMTREICH PATENT OFFICE

PATENTSCHRIFTPATENT LETTERING

KLASSE 21 c GRUPPE 36 osCLASS 21 c GROUP 36 os

2IC S HO. JO2IC S HO. JO

Patentiert im Deutschen Reiche vom 26. Januar 1930 abPatented in the German Empire on January 26, 1930

Die Erfindung betrifft Flüssigkeitsschalter, insbesondere solche mit elektrolytischer Schaltflüssigkeit, bei denen der Unterbrechungslichtbogen in einer Löschkammer durch¹ .plötzliche Expansion des aus der Schaltflüssigkeit gebildeten Dampfes gelöscht wird. Die Lichtbogenlöschung erfolgt infolge der entionisierenden Wirkung des expandierenden Dampfes, und das Maß dieser Expansion darf einen gewissen Mindestwert nicht unterschreiten, um die Löschung herbeizuführen. Da die Expansionskammern für die starken Kurzschlußströme bemessen sein müssen, so reichen die von Lichtbögen mit kleinerer Abschaltstromstärke entwickelten Dampfmengen nicht mehr aus, um den für die Löschung erforderlichen Expansionsdruck in der Löschkammer zu erzeugen.The invention relates to liquid-level switch, in particular those with electrolytic liquid circuit in which the interruption arc is extinguished in a quenching chamber by ¹ .plötzliche expansion of the vapor formed from the liquid circuit. The arc extinction takes place as a result of the deionizing effect of the expanding steam, and the extent of this expansion must not fall below a certain minimum value in order to bring about the extinction. Since the expansion chambers have to be dimensioned for the strong short-circuit currents, the amounts of steam developed by arcs with a smaller cut-off current are no longer sufficient to generate the expansion pressure in the arcing chamber required for extinguishing.

Nach der Erfindung wird diese Schwierigkeit dadurch überwunden, daß mit den Schaltstücken zusätzliche großflächige Elektroden verbunden werden, welche ebenfalls unter der Schaltflüssigkeit liegen oder in diese eintauchen. Hierdurch ist erreicht, daß infolge der Beteiligung der großflächigen Zusatzelektroden an der Stromleitung nach dem öffnen des Kontaktes die Stromdichte an den Lichtbogenschaltstücken so weit verkleinert wird, daß der Schalter bis zu großen Stromstärken als lichtbogenfreier Widerstandsschalter wirkt ■und erst darüber hinaus als Expansionsschalter. Die Zusatzelektroden werden so bemessen, daß bis zu demjenigen Minimalstrom, der zur sicheren Lichtbogenlöschung erforderlich* ist, noch kein Lichtbogen an den Schaltstücken entsteht. Mithin können mit dem so ausgebildeten Schalter alle Stromstärken unterbrochen werden.According to the invention, this difficulty is overcome in that with the contact pieces additional large-area electrodes are connected, which are also under the Or immerse in the switching fluid. This achieves that as a result the participation of the large additional electrodes in the power line after opening of the contact, the current density at the arcing contacts is reduced so much, that the switch acts as an arc-free resistance switch up to large currents ■ and only beyond that as an expansion switch. The additional electrodes are dimensioned so that up to the minimum current required for safe arc extinguishing * is, there is still no arc on the contact pieces. So can with that trained switch all currents are interrupted.

Man ,kann zwecks Schaffung einer feststehenden Zusatzelektrode die Dampfkammer des Expansionsschalters· mit einem leitenden Mantel ausrüsten und diesen leitend mit dem feststehenden Schaltstück verbinden. ' Man kann ferner eine bewegliche Zusatzelektrode schaffen, indem man mit dem beweglichen Schaltstift eine glockenförmige, in die Schaltflüssigkeit eintauchende Zusatzelektrode verbindet. You can use the steam chamber to create a fixed additional electrode of the expansion switch · Equip with a conductive jacket and this conductive with the connect fixed contact piece. 'You can also use a movable additional electrode create by inserting a bell-shaped switch pin into the switching fluid with the movable switch pin immersing additional electrode connects.

In der Abb. 1 sind die bei einem nach dem Expansionsprinzip wirkenden Flüssigkeitsschalter auftretenden Verhältnisse dargestellt, wenn der Schalter mit einer halbleitenden Schaltflüssigkeit arbeitet, und zwar einmal für einen Schalter ohne Zusatzelektroden (Kennlinien A₁ B) und das andere Mal für einen Schalter, der mit Zusatzelektroden gemäß der Erfindung ausgerüstet ist (Kennlinie C). In der Abbildung ist auf der Abszissenachse die zu unterbrechende Stromstärke/ in Ampere, auf der OrdinatenachseFig. 1 shows the conditions that occur with a liquid switch operating according to the expansion principle when the switch works with a semiconducting switching liquid, once for a switch without additional electrodes (characteristic curves A ₁ B) and the other time for a switch that is equipped with additional electrodes according to the invention (characteristic curve C). In the figure, the current to be interrupted is on the abscissa axis / in amperes, on the ordinate axis

*) Von dem Patentsticher sind als die Erfinder angegeben worden:*) The inventors have been named by the patent engraver:

Dr.-Ing. Frits Kesselring in Berlin-Hermsdorf und Werner Kaufmann in Berlin-Siemensstadt.Dr.-Ing. Frits Kesselring in Berlin-Hermsdorf and Werner Kaufmann in Berlin-Siemensstadt.

die Unterbrechungszeit t_a, also die Kontaktdauer bei Widerstandsschaltung, die Lichtbogendauer bei der Lichtbogenschaltung aufgetragen.the interruption time t _a , i.e. the contact duration in the case of a resistance circuit, and the arc duration in the case of an arc circuit are plotted.

Die Kennlinie B stellt die Lichtbogendauer bei verschiedenen Stromstärken dar. Diese wird mit abnehmender Stromstärke / infolge des abnehmbaren.. Expansionseffektes immer größer, und unterhalb des Wertes b tritt überhaupt keine Lichtbogenlöschung mehr ein, weil die Spannung des bis zum Eintritt der Expansion entwickelten Dampfes zu gering wird. Wenn der Strom noch kleiner wird und den Wert α unterschreitet, tritt dann wieder eine ^Unterbrechung des Stromes ohne vorherige Lichtbogenbildung ein. Die sich in der halbleitenden Schaltflüssigkeit bewegende Lichtbogenelektrode wirkt in diesem Fall als Widerstandselektrode, die Schaltflüssigkeit als Elektrolytwiderstand. Die Kennlinie dieser Widerstandsschaltung ist in der Abbildung mit A bezeichnet. In dem durch Schraffur gekennzeichneten Gebiet zwischen den Werten α und b tritt somit bei der Anwendung von Lichtbogenelektroden allein eine Abschaltung nicht ein. Werden dagegen nach der Erfindung besondere parallel zu den Lichtbogenelektroden liegende Widerstandselektroden angewendet, die den Schaltbereich der lichtbogenfreien Widerstandsschaltung bis auf Ströme von der Größe c erweitern, dann wird das Verhalten des Schalters durch die stark ausgezogene Kennlinie C gekennzeichnet. Bei Strömen unter dem Wert c bildet sich kein Lichtbogen an den Lichtbogenelektroden. Der ganze Strom fließt durch die Widerstandselektroden und durch den Elektrolyten und wird lichtbogenfrei unterbrochen. Bei Strömen, die größer sind als c, wird dagegen der Lichtbogen gezündet und, da der Expansionsdruck bei diesen Stromstärken genügend hoch ist, durch die Expansion des Dampfes gelöscht.The characteristic curve B represents the arc duration at different amperages. This increases with decreasing amperage / as a result of the removable expansion effect, and below the value b there is no arc extinction at all, because the voltage of the vapor developed up to the onset of expansion increases becomes low. If the current becomes even smaller and falls below the value α , the current is interrupted again without prior arcing. The arc electrode moving in the semiconducting switching fluid acts in this case as a resistance electrode, the switching fluid as an electrolyte resistor. The characteristic of this resistor circuit is labeled A in the figure. In the area marked by hatching between the values α and b , when only arc electrodes are used, shutdown does not occur. If, on the other hand, according to the invention, special resistance electrodes are used that are parallel to the arc electrodes and that extend the switching range of the arc-free resistance circuit to currents of size c , then the behavior of the switch is characterized by the strongly drawn-out characteristic curve C. With currents below the value c , no arc is formed on the arc electrodes. The entire current flows through the resistance electrodes and the electrolyte and is interrupted without an arc. With currents that are greater than c, on the other hand, the arc is ignited and, since the expansion pressure is high enough for these currents, it is extinguished by the expansion of the vapor.

In der Abb. 2 ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.In Fig. 2, an embodiment of the invention is shown.

10 ist die als Expansionskammer ausgebildete Lichtbogenschaltstelle des Schalters. 11 ist der leitende Mantel der Expansionskammer, 12 ihr Isolierdeckel, 13 ein Zwischendeckel, der einen Dampfraum von dem Flüssigkeitsraum der Kammer abtrennt. Der Mantel 14 des Dampfraumes ist aus Isoliermaterial. 15 ist ein Metallboden, 16 ein Isolator, auf welchen die Expansionskammer aufgestellt ist. 17 ist das feste Schaltstück, das mit dem Boden 15 leitend verbunden ist. ist der bewegliche Schaltstift. Mit dem Schaltstift ist die Elektrode 19 verbunden, die einen Zylindermantel hat. Der untere Rand des Zylinders ist verdickt, um die Stromdichte zu begrenzen. Wie aus der Abbildung ersichtlich, ist der Schaltstift 18 um ein Stück länger als die Zylinderelektrode 19. 20 ist ein leitender Außenmantel, der ebenso wie der Mantel 11 durch den Boden 15 mit dem festen Schaltstück 17 leitend verbunden ist. Er bildet mit diesen Teilen zusammen den feststehenden Schalterpol. Der Innenmantel 11 und der Außenmantel 20 schließen einen rihgzylinderförmigen Raum 21 ein, der mit Widerstandsflüssigkeit gefüllt ist und zusammen mit der Zylinderelektrode 19 die Widerstandsschaltstelle bildet. Der obere Rand 22 des Außenmantels 20 ist &tark nach außen gebogen. 23 ist ein Isolierzylinder. Der unterhalb des Zwischendeckels 13 liegende Teil der Expansionskammer 10 ist mit Schaltflüssigkeit gefüllt. Der Strom wird etwa durch eine am Boden 15 befestigte Klemme dem feststehenden Schalterpol zugeführt und vom beweglichen Schaltstift 18 etwa mit Hilfe eines Gleitkontaktes abgenommen.10 is the arc switching point of the switch, designed as an expansion chamber. 11 is the conductive jacket of the expansion chamber, 12 its insulating cover, 13 an intermediate cover, which separates a vapor space from the liquid space of the chamber. The jacket 14 of the vapor space is made of insulating material. 15 is a metal floor, 16 an insulator on which the expansion chamber is set up. 17 is the fixed contact piece which is conductively connected to the bottom 15. is the moving switch pin. The electrode 19 is connected to the switch pin, which has a cylinder jacket. The lower edge of the cylinder is thickened to the Limit current density. As can be seen from the figure, the switch pin is 18 around a bit longer than the cylinder electrode 19. 20 is a conductive outer jacket, the same like the jacket 11 through the bottom 15 with the fixed contact piece 17 is conductively connected is. Together with these parts, it forms the fixed switch pole. The inner jacket 11 and the outer jacket 20 enclose a space 21 in the form of a rihg-cylinder, which with Resistance fluid is filled and together with the cylinder electrode 19, the resistance switching point forms. The upper edge 22 of the outer jacket 20 is strongly bent outwards. 23 is an insulating cylinder. The part lying below the intermediate cover 13 the expansion chamber 10 is with switching fluid filled. The current is about through a clamp attached to the bottom 15 Fixed switch pole supplied and from the movable switch pin 18 about with the help a sliding contact removed.

Die Wirkungsweise dieses Schalters ist folgende:This switch works as follows:

Der zu unterbrechende Strom liege unter dem Wert c nach dem Diagramm der Abb. 1. In dem Augenblick, wo der sich nach oben bewegende Schaltstift 18 das feste Schaltstück 17 verläßt, besteht zwischen den beiden Schaltstücken eine sehr geringe Spannungsdifferenz. Der Spannungsabfall in dem parallel zur Unterbrechungsstelle liegenden Flüssigkeitswiderstand ist nämlich, weil die in die Flüssigkeit eintauchenden Elektrodenflächen groß sind, bei der kleinen Stromstärke ,klein. Er genügt nicht, um einen Lichtbogen aufrechtzuerhalten. Da Z.U Anfang kein Lichtbogen entsteht, wird ein solcher auch bei zunehmender Entfernung der Schaltstücke, trotzdem sich infolge des gleichzeitigen Herausziehens der Elektrode 19 aus der Widerstandsflüssigkeit der Widerstand \^ergrößert, nicht gezündet werden. Der sich zwischen die Schalterpole einschaltende Flüssigkeitswiderstand wachst mit abnehmender Eintauchtiefe der Elektrode 19 ganz allmählich an, und damit nimmt der Strom, ohne einen Lichtbogen zu bilden, bis auf Null ab. Der Schaltvorgang ist beendet, wenn der Schaltstift 18, der mit dem Mänteln, dem Boden 15 und no dem Schaltstück 17 zusammen ebenfalls als Widerstandsschalter wirkt, die Widerstandsflüssigkeit 21 verläßt.The current to be interrupted is below the value c according to the diagram in Fig. 1. At the moment when the upwardly moving switch pin 18 leaves the fixed contact 17, there is a very small voltage difference between the two contacts. The voltage drop in the liquid resistance lying parallel to the interruption point is namely small because the electrode surfaces immersed in the liquid are large, with the small current strength. It is not enough to maintain an arc. Since at the beginning there is no arc, it will not be ignited even with increasing distance of the contact pieces, despite the fact that the resistance increases as a result of the simultaneous pulling out of the electrode 19 from the resistance fluid. The liquid resistance that is switched on between the switch poles increases very gradually as the immersion depth of the electrode 19 decreases, and thus the current decreases to zero without forming an arc. The switching process is ended when the switching pin 18, which together with the jackets, the base 15 and the switching piece 17 also acts as a resistance switch, leaves the resistance fluid 21.

Der andere Fall ist der, daß der zu unterbrechende Strom größere Werte annimmt als c, bei denen eine Lichtbogenschaltung erfolgt. In diesem Fall liegt an den Schaltstücken 17, 18 sofort nach ihrer Trennung ine Spannung, die zur Zündung und Aufrechterhaltung eines Lichtbogens führt. Der Fall tritt dann ein, wenn bei dem gegebenen Anfangswiderstand der Widerstandsschalt-The other case is that the current to be interrupted assumes larger values than c, in which an arc circuit takes place. In this case, immediately after their separation, a voltage is applied to the contact pieces 17, 18, which leads to the ignition and maintenance of an arc. The case occurs when, with the given initial resistance, the resistance switching

stelle der zu unterbrechende Strom eine Größe erreicht, welche einen entsprechenden Spannungsabfall in dem Widerstand hervorbringt. Der Lichtbogen wird beim Fortschreiten des Ausschaltvorganges nicht mehr erlöschen, da der Flüssigkeitswiderstand mit austauchender Elektrode immer mehr anwächst. Der Lichtbogenwiderstand ist gegenüber diesem Parallelwiderstand klein. Es wird sich alsoAssume that the current to be interrupted has reached a level that corresponds to a voltage drop in which creates resistance. The arc will no longer go out as the switch-off process progresses, because the fluid resistance increases more and more as the electrode emerges. The arc resistance is opposite to this Parallel resistance small. So it will be

ίο an der Zylinderelektrode 19 ein Lichtbogen nicht bilden. Um die Lichtbogenbildung auch am Ende des Abschaltvorganges zu vermeiden, muß der Schaltstift ein genügendes Stück langer sein als die Elektrode 19. In dem Augenblick, wo der bewegliche Schalterpol die" in der Zeichnung punktiert eingetragene Lage erreicht, der Schaltstift also aus der öffnung im Zwischendeckel 13 heraustritt, erfolgt die Expansion des vom Lichtbogen aus der Schaltflüssigkeit im unteren Teil der Kammer entwickelten Dampfes durch die öffnung im Zwischendeckel. Infolge der bei der Expansion erfolgenden Kondensation des Dampfes im Lichtbogenpfad erfolgt beim Stromnulldurchgang die Löschung des Lichtbogens. Wie ersichtlich, ist in diesem Augenblick der untere Rand der Widerstandselektrode 19 bereits <,ein so großes Stück über den Spiegel der Flüssigkeit 21 herausgetreten und vom Rand 22 des Gefäßes entfernt, daß eine Rückzündung nicht mehr stattfinden kann.ίο an arc on the cylinder electrode 19 not make up. In order to avoid arcing even at the end of the shutdown process, the switch pin must be a sufficient length longer than the electrode 19. In the moment when the movable switch pole entered the "dotted" in the drawing Position reached, so the switching pin protrudes from the opening in the intermediate cover 13, the expansion of the arc from the switching fluid takes place in the lower Part of the chamber developed steam through the opening in the intermediate lid. As a result the condensation of the vapor occurring in the expansion occurs in the arc path when the current passes through zero, the arc is extinguished. As can be seen in this Moment the lower edge of the resistance electrode 19 already <, such a big one Piece emerged above the level of the liquid 21 and from the edge 22 of the vessel removed that a backfire can no longer take place.

Claims

Patent claims:

1. Electrical switch based on the expansion principle, the contacts of which are in a vapor chamber under a semiconducting switching fluid, thereby characterized in that additional large-area electrodes are connected to the contact pieces that are also located under the switching fluid or are immersed in it.

2. Electrical switch according to claim 1, characterized in that the steam chamber is equipped with a conductive jacket, which is in conductive connection with the stationary contact piece stands.

3. Electrical switch according to claim 1 and 2, characterized in that the movable switching pin with a bell-shaped, is connected to the additional electrode immersed in the switching fluid.

4. Electrical switch according to claim 1, characterized in that the additional large-area electrodes are dimensioned so that up to that minimum current that is necessary to extinguish the arc to ensure through the expansion effect that no arcing is formed at the contacts.

1 sheet of drawings