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Schalter nach dem Expansionsprinzip Die Erfindung betrifft einen Schalter
nach dem Expansionsprinzip, bei dem der lichtbogenlöschende Dampf aus einer
in der Umgebung des Lichtbogens festgehaltenen Flüssigkeit durch plötzliche
sprunghafte Druckentlastung erzeugt wird. Der Vorgang bei der Expansion ist dabei
der, daß durch die plötzliche Druckentlastung der Flüssigkeit in der Umgebung des
Lichtbogens, welche vor dem Expansionsvorgang unter dem höheren Druck des durch
den Schaltlichtbogen in einer Schaltkammer erzeugten Dampfes gestanden hat, ein
lebhaftes Nachdampfen entsteht, welches über den Stromnulldurchgang- andauert und
den löschfähigen Dampf in den Lichtbogenraum liefert. Der Lichtbogen wird also durch
einen innerhalb der Schaltkammer sich bei der Druckentlastung abspielenden Dampfbildungsvorgang,
verbunden mit einer Zustandsänderung, gelöscht.
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Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß zwei Momente für die
Erzielung einer möglichst kräftigen Expansionslöschung von Bedeutung sind: nämlich
erstens eine möglichst geringe Störung der bei der Druckentlastung dampfliefernden
Flüssigkeitsoberfläche durch den dann einsetzenden heftigen Strömungsvorgang und
zweitens ein geringer mittlerer Abstand dieser Oberfläche vom Lichtbogenkörper,
damit einerseits eine starke Erhitzung und Verdampfung der Flüssigkeit durch den
Lichtbogen. stattfindet, andererseits während und nach der Expansion die Dämpfe
aus der Flüssigkeit kühl und unionisiert in großer Menge in den Lichtbogenraum eindringen
können.
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Diese Forderungen werden nach der Erfindung dadurch erfüllt, daß Stellen
der dem Lichtbogen zugekehrten Wandungsoberfläche, die von den Expansionsöffnungen
entfernt, aber nahe an den. Lichtbogen herangebracht sind, derart ausestaltet oder
eingerichtet sind, daß sie trotz der heftigen Expansion Flüssigkeit festhalten.
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Insbesondere ist es zweckmäßig, den nahe an den Lichtbogen herangebrachten
Wandungsteilen eine solche Einrichtung oder Ausgestaltung zu geben, daß eine große
dampfliefernde Flüssigkeitsoberfläche erzeugt wird. Die Vertiefungen können dabei
Rillenform haben. Es kann auch eine gewellte oder rauhe Oberfläche verwendet werden.
Die Vertiefungen können schließlich als einzelne Löcher über die ganze Oberfläche
verteilt sein. In den Vertiefungen wird Flüssigkeit zurückgehalten und der Einwirkung
der heftigen Strömung bei der Druckentlastung entzogen. Die Flüssigkeit wird daher
an diesen Stellen nicht von der Wand abgerissen und auch nicht dadurch gestört,
daß durch Wirbelbildung die
heiße, demLichtbogen zugekehrteOberflächenschicht
mit der darunter befindlichen kühleren Flüssigkeit vermischt wird, Andererseits
hat die Ausbildung von Vertiefungen den Vorteil, daß die Oberfläche der in der Umgebung
des Lichtbogens zurückgehaltenen Flüssigkeit Wellenform annimmt, wodurch die dampfliefernde
Oberfläche einen großen Flächeninhalt bei kleinstem mittlerem Abstand von der Lichtbogenachse
hat. Die Intensität der Dampfbildung- bei der Druckentlastung ist auf diese Weise
die denkbar größte.
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Der Lichtbogenraum, der von der flüssigkeitsbedeckten Wandung umschlossen
wird, kann entweder ständig oder vorübergehend mit der Schaltflüssigkeit gefüllt
sein. Es genügt eine Benetzung dieser Wandung in Form einer dünnen Flüssigkeitshaut,
welche beispielsweise in an sich bekannter Weise durch Einspritzen von Flüssigkeit
vor jeder Schaltung hergestellt werden kann. Als Flüssigkeit kommen Wasser oder
wässerige Lösungen, z. B. von Glykolen, wie auch nicht brennbare anorganische oder
organische Isolierflüssigkeiten, z. B. Triarylphosphat, Tetrachlorkohlenstoft o.
dgl., in Betracht.
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Wie der Expansionsverschluß der Schaltkammer ausgebildet ist, ist
für die Erfindung nicht von Belang. Es können z. B. in bekannter Weise die Isolierkörper,
welche den Lichtbogen umgeben, den Expansionsverschluß bilden; es ist aber auch
möglich, die Expansion an einer Stelle erfolgen zu lassen, welche von den nach der
Erfindung ausgebildeten Teilen der Wandung räumlich weiter entfernt ist.
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In der Zeichnung ist in Fig. i die Wirkung von Flüssigkeitstaschen
in der Wandung veranschaulicht. Fig.2 veranschaulicht die wellenförmige Gestaltung
der Flüssigkeitsobierflächie, und Fig. 3 zeigt lein Ausführungsbeispiel eines Schalters
nach der Erfindung.
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In Fig. i ist io die Lichtbogenachse. 53 ist der Lichtbogenkern. Zwischen
diesem und der Wand liegt die nicht mehr stromführende Randzone des Lichtbogens.
ii und 12 sind Isolierkörper, welche die Flüssigkeit in der Umgebung des Lichtbogens
festhalten. Der Teil i i ist vom Teil i2 abgehoben, so daß sich zwischen beiden
ein Spalt 13 gebildet hat, durch welchen der Flüssigkeitsdampf ausströmt. 14, 15
sind Vertiefungen in den Isolierkörpern, in welchen die Flüssigkeit 16, i7 zurückgehalten
wird. Die Körper 11, 1a bilden die Teile einer Expansionskammer, welche zunächst
vollkommen geschlossen gehalten wird. Unter der Einwirkung des Lichtbogens wird
zunächst, solange die Schaltkammer geschlossen ist, Dämpf von einer gewissen Spannung
in der geschlossenen Kammer erzeugt. Eine dünne Oberflächenschicht der Flüssigkeit,
die mit dem Dampf in unmittelbarer Berührung steht, besitzt dabei die dem hohen
Sättigungsdruck des Dampfes (beispielsweise 25 Atmosphären) entsprechende Temperatur.
Wenn nun nach Erreichung eines bestimmten Drucks die Körper ii und z2 voneinander,
wie in der Zeichnung dargestellt, abgehoben werden, so daß zwischen ihnen ein Ausströmungsschlitz
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für den Dampf in den umgebenden Luftraum entsteht, setzt eine plötzliche
Dampfausströmung und damit eine sprunghafte Druckentlagtung des Schaltkammerinnenraumes
ein. Die sehr heftige Dampfströmung, welche durch die Strömungslinien 18, i9 bezeichnet
ist, bläst die Flüssigkeitshaut an den Stellen 2o, 21 fort. Die Flüssigkeit, die
sich in den Taschen-16, 17 befindet, kann jedoch von dieser Strömung nicht
gestört werden, sa daß diese Teile der hocherhitzten Flüssigkeitsoberfläche bei
der Druckentlastung mit ihrer vollen Leistungsfähigkeit als Dampferzeuger in Wirksamkeit
treten.
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In Fig. 2 bedeutet 22 ein Isolierrohr, dessen Innenoberfläche 23 Wellenform
hat. 24 ist die Lichtbogenachse. Die wellenförmige Oberfläche besitzt einen mittleren
Abstand a von der Lichtbogenachse. Die Flüssigkeit, die in Form einer Flüssigkeitshaut
25 die innere Wellenfonnoberfläche überzieht, hat infolgedessen eine große verdampfende
Oberfläche und verhältnismäßig geringen mittleren Abstand mit den bereits oben hervorgehobenen
Vorteilen. Diese Wirkung entsteht bei jeder Art von Vertiefungen, mit welchen die
Oberfläche der bedeckten Wandung versehen wird.
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In der Fig. 3 ist eine vollständige Expansionskammer mit einer Einrichtung
zur Füllung der Kammer mit Flüssigkeit vor jeder Abschaltung dargestellt. Es bezeichnet
30 bis 36 den sogenannten Expansionsverschluß der Kammer. Dieser ist aufgebaut aus
Isolierringen, die aus aufeinandergeschichteten Isolierplatten bestehen. Aufeinanderfolgende
Platten haben verschieden großen Innendurchmesser, so daß kreisförmige Rillen 52
in der zylindrischen Innenwandung entstehen. Aufgereiht sind diese Ringe auf Bolzen
54, welche in dem Gehäuseteil 37 verankert sind. Sie können sich also nach
unten verschieben und dabei voneinander abheben, wobei zwischen den Ringen die Ausströmöffnungen
für den Dampf -entstehen.
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Dieser Expansionsverschluß sitzt auf einem tellerförmigen Teil
38, der in einem halsförmigen Teil 39 nach unten gleiten- kann. Der Teil
39 bildet den Abschluß eines Gefäßes 4o, welches die Schaltflüssigkeit und
das feststehende Schaltstück 41 sowie einen Kolben 42 enthält. 42 dient zum Hinaufdrücken
der
Flüssigkeit in den von den Ringen 30 bis 36 umschlossenen zylindrischen Löschraum.
Durch starke Federn 43 werden die Ringe 30 bis 36 zusammengepreßt. 44 und
45 sind nach oben aufschlagende Ventile, 46 sind Federn, welche den Kolben 42 nach
oben gegen den Schaltstift 47 drücken. Die ganze Kammer wird von einem Gehäuse umgeben,
dessen unterer aus Metall bestehender Teil mit 48 und dessen oberer aus Isolierstoff
bestehender Teil mit 37 bezeichnet ist. Der Schaltstift 47 ist in der Öffnung des
Teils 37 durch eine Dichtung 49 gedichtet. Bei 50 steht der Spiegel der Schaltflüssigkeit.
Die ganze Schaltkammer ist auf einen Isolator 51 aufgebaut.
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Die Schaltkammer wirkt in folgender Weise: Wird aus der gezeichneten
Stellung der Schaltstift 47 nach oben bewegt, dann drückt zunächst der durch die
Federn 46 ebenfalls nach oben bewegte Kolben 42 die Schaltflüssigkeit aus dem Gefäß
40 in den zylindrischen Lichtbogenraum zwischen den Ringen 3o bis 36 hinauf, so
daß sich dieser Raum vollkommen mit Schaltflüssigkeit füllt. Insbesondere füllt
die Schaltflüssigkeit die rillenförmigen Vertiefungen, in denen sie nun, unbeeinflußt
von den. Strömungsvorgängen, in der unmittelbaren Nähe des Lichtbogens festgehalten
wird. Sobald sich bei der weiteren Aufwärtsbewegung der Schaltstift vom feststehenden
Schaltstück 41 trennt, wird der Lichtbogen gezogen und in den zylindrischen Raum
nach oben verlängert. Dabei entwickelt nun der Lichtbogen sofort eine große Menge
Dampf aus der Flüssigkeit, welche die Wandung der Ringe 3o bis 36 bedeckt, und es
bildet sich daher eine hohe Dampfspannung. Der Dampf dringt in die Fugen zwischen
den Ringen ein, überwindet bei Erreichung eines bestimmten Drucks die Kraft der
Federn 43 und drückt je zwei der Ringe auseinander, die zwischen sich einen Ringspalt
für die Dampfausströmung öffnen. Nun setzt schlagartig die Dampfausströmung ein,
so daß sich unter der Wirkung der plötzlichen Druckentlastung des Innenraumes und
damit auch der hocherhitzten Flüssigkeitsoberfläche, welche die Innenwandung der
Ringe 3o bis 36 benetzt, das sogenannte Nachdampfen einstellt, welches entsprechend
dem großen Unterschied zwischen der Temperatur der Flüssigkeitsoberfläche und der
dem stark gesunkenen Innendruck entsprechenden Sättigungstemperatur des Dampfes
äußerst lebhaft ist. Große Mengen frischen kühlen Dampfes werden daher aus der Flüssigkeitsoberfläche
in den hocherhitzten Lichtbogenraum geschleudert. Sie durchwirbeln diesen und strömen
dann durch den zwischen je zwei Ringen gebildeten Ringschlitz aus. Die Ausströmung
geht dabei der Innenwand der Ringe entlang, ist jedoch nicht imstande, die dampfliefernde
Flüssigkeitsoberfläche in den durch die Rillen gebildeten Flüssigkeitstaschen zu
stören oder diese Flüssigkeit gar wegzublasen. Infolgedessen und infolge der durch
die Rillen stark vergrößerten dampferzeugenden Oberfläche ist die Expansionslöschung
des Lichtbogens bedeutend verbessert.
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Für hohe Spannungen ist es zweckmäßig, der den Lichtbogen umgebenden
Flüssigkeitshaut eine große Länge in Richtung der Schaltstiftbewegung zu geben,
um Rückzündungen, welche durch Gleitentladungen längs der Flüssigkeitsoberfläche
eingeleitet werden, zu erschweren.
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Zur Erzeugung der für die Lichtbogenlöschung benutzten Druckentlastung
ist man nicht auf die Anwendung von Schaltkammern beschränkt, die während des Druckbildungsvorganges
abgeschlossen sind. Man kann statt solcher Schaltkammern auch nicht gegen die Atmosphäre
abgeschlossene Schaltkammern anwenden, wenn man in dem Ausströmraum, der für die
Lichtbogenlöschung mit dem den Lichtbogen umgebenden Dampfraum verbunden wird, einen
entsprechenden Unterdruck erzeugt. In der Schaltkammer brauchen dann keine oder
wenigstens keine nennenswerten Überdrucke hergestellt zu werden, da in dem Augenblick,
wo durch Herstellung der Verbindung des Dampfraumes, der sich zwischen der vom Lichtbogen
erhitzten Flüssigkeit befindet, mit dem unter Vakuum stehenden Ausströmraum eine
starke Verdampfung der Flüssigkeit einstellt, auch ohne daß diese zuvor über die
dem Normaldruck entsprechende Siedetemperatur erhitzt wurde.