DE655180C - Einrichtung fuer die Unterbrechung von Wechselstromkreisen - Google Patents

Description

Es sind Versuche bekanntgeworden, allein durch Anwendung eines statischen Überdruckes einen Lichtbogen zum Verlöschen zu bringen und auf diese Weise die Unterbrechungsleistung von Schaltern zu vergrößern. Diese Versuche haben jedoch bei Schaltern zu keinem nennenswerten Erfolg geführt.

In neuerer Zeit sind andere Vorschläge bekanntgeworden, die Erhöhung des statischen Druckes bei Schaltern anzuwenden, die mit einem strömenden Löschmittel arbeiten. Hierbei hat sich eine gewisse Verbesserung gezeigt, derzufolge die Leistung des Schalters etwa um 15 bis 20 °/₀ gesteigert werden könnte. Diese Verbesserung erwies sich jedoch im Vergleich zu dem eingesetzten Aufwand als sehr gering, so daß die Weiterverfolgung dieses Gedankens nicht zweckmäßig erschien.

Die Erfindung bringt demgegenüber eine grundlegende neue Erkenntnis, die darin besteht, daß bei Schalteinrichtungen, deren Löschwirkung so hoch getrieben ist, daß das Verhältnis wiederkehrende Spannung in KV zur Lichtbogenlänge in Zentimeter nahezu den Wert der Durchschlagfestigkeit bei normaler Zimmertemperatur, z. B. für Luft von 20 KV pro Zentimeter, erreicht, durch die Anwendung eines statischen Überdrucks eine Verbesserung der Leistungsfähigkeit der Schalter möglich ist, die um ein Vielfaches über die auf Grund der bekannten Versuche zu erwartende geringfügige Verbesserung hinausgeht, indem eine Erhöhung der Leistungsfähigkeit des Schalters auf 200 und noch mehr Prozent eintritt.

Wenn man berücksichtigt, daß bei den Höchstleistungen auf dem Gebiete von Schalter mit Lichtbogenlöschung durch strömendes Druckgas, die vor Einreichung der vorliegenden Erfindung bekannt waren, sich bei einem Schalter für 30 KV eine Lichtbogenlänge von fast ι m gezeigt hat, also das Verhältnis einer fast hundertmal geringeren Durchschlagfestigkeit entspricht, so ergibt sich, wie weit entfernt die bekannten Vorschlage von dem Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind. Gerade bei Schaltern, bei denen im Gegensatz zu diesem bekannten Schalter die Durchschlagfestigkeit den hohen oben angegebenen Wert hat, tritt durch die Anwendung des statischen Überdrucks eine Verbesserung ein, die weit über das Maß hinausgeht, das auf Grund der bekannten Versuche erwartet werden.

Hierdurch wird eine besonders hohe Unterbrechungsleistung erreicht, weil durch die Anwendung eines Überdruckes im Unterbrechungsraum bei Löschvorrichtungen mit extrem kurzen Lichtbögen, also sehr hoher Löschwirkung, die Spannungsfestigkeit am Ende der stromlosen Pause ohne eine Änderung der Löschmethode an sich heraufgesetzt

*) Von drin Patentsucher ist als der Erfinder angegeben, worden:

Dr.-Ing. Floris Koppeiniann in Berlin-Siemensstadt.

wird. Das Heraufsetzen der Sparmungsfestigkeit durch Anwendung von Überdruck ist also nur für die Unterbrechungsleistung von Löschvorrichtungen, die mit besonders kurzen Lichtbogen arbeiten, ausschlaggebend. -;?> Diese Verhältnisse, die für die Unterbrechung eines Wechselstromlichtbogens maß.-; gebend sind, sind in Fig. ι der Zeichnung*' veranschaulicht, welche den Verlauf der Spannungs festigkeit in der Unterbrechungsstrecke eines mit einem Lichtbogen arbeitenden Wechselstromunterbjechers während der sog. stromlosen Pause und nach Ablauf der stromlosen Pause darstellt. Auf der Senkt5 rechten ist die Spannungsfestigkeit u der Unterbrechungsstrecke aufgetragen, welche diese aus dem hochionisierten Zustande, in den sie durch den Unterbrechungslichtbogen versetzt wurde, durch die Wirkung der Löscheinrichtung während der stromlosen Pause wiedererlangt; auf der Waagerechten ist die Zeit t aufgetragen.

Es ist bekannt, daß der Strom eines Wechselstromlichtbogens in der Umgebung des Stromnulldurchganges nicht der Sinuslinie folgt, sondern davon derart abweicht, daß eine praktisch stromlose Pause entsteht. Diese ist in der Zeichnung mit τ bezeichnet. Die Wiederherstellungszeit T ist jene Zeit, welche eine bestimmte Löschvorrichtung braucht, um nahezu die ursprüngliche Spannungsfestigkeit U₀ der Unterbrechungsstrecke, in der der Lichtbogen erloschen ist, wiederherzustellen. Die Wiederherstellungszeit hängt also lediglich von der Art der Löschvorrichtung, von der Löschmethode, ab.

Die Wiederherstellungszeit T ist bei Einrichtungen mit kleiner Löschwirkung sehr viel größer als die stromlose Pause r. Für 4.0 die Unterbrechungswirkung einer Wechselstromlöscheinrichtung steht aber nur die stromlose Pause zur Verfugung. Die Wiederherstellungszeit an sich ist dabei nicht für die Unterbrechung maßgebend, sondern nur die Anfangsgeschwindigkeit, mit welcher die Wiederherstellung der Spannungsfestigkeit erfolgt.

Die Kurven 1 in Fig. 1 zeigen, wie eine Löscheinrichtung mit verhältnismäßig kleiner Löschwirkung, daher langer Wiederherstellungszeit T₁, die Spannungsfestigkeit wiederherstellt, und zwar gibt die Kurve i_a die Wirkung der Löscheinrichtung wieder, wenn in ihrem L^Tnterbrechungsraum ein statischer Druck von 1 at herrscht Die Kurve i_h zeigt die Wirkungsweise der gleichen Löscheinrichtung bei einem statischen Druck von 2 at im Unterbrechungsraum. Tm Anfang, nämlich etwa über den Zeitabschnitt τ, stimmt der A^erlauf der Kurven i_a und I₆ ungefähr überein (die Wärmeleitfähigkeit ist unabhängig vom Druck), während im späteren Verlauf i_a sich der ursprünglichen Durchschlagsfestigkeit U₀' für χ at nähern muß, ..Ij -dagegen der Durchschlagsfestigkeit U₀" für |fe4t. Man sieht also, daß bei einer Einrich-

iÖÄ, mit kleiner Löschwirkung entsprechend ^:^deii: Kurven ι durch die Anwendung von ^löhem statischem Druck am Ende der stromlosen Pause τ keine wesentliche Erhöhung der dort vorhandenen Spannungsfestigkeit U₁ erreicht wird, denn die Druckerhöhung macht sich erst am Ende der Wiederherstellungszeit T₁ geltend, die weit außerhalb der stromlosen Pauset liegt.

Grundsätzlich anders verhält sich eine Löscheinrichtung mit sehr hoher Löschwirkung, daher kurzer Wiederherstellungszeit T₂, deren Verhalten durch die Kurven 2 veranschaulicht wird. 2_a zeigt den Verlauf der Spannungsfestigkeit, wenn die Löscheinrichtung unter 1 at arbeitet, die Kurve 2_b dagegen den Verlauf bei 2 at Druck im Unterbrechungsraum. In diesem Falle divergieren 2_a und 2_b schon innerhalb der stromlosen Pause τ, so daß am Ende der stromlosen Pause ein Gewinn an Spannungsfestigkeit im Betrage von Δ u erreicht ist.

Aus dem Vergleich der Kurven 1 und 2 ersieht man folgendes:

Eine Löschvorrichtung mit an sich kleiner Löschwirkung kann durch Erhöhung des statischen Druckes nicht verbessert werden, dagegen wohl durch Erhöhung der Löschwirkung, weil am Ende der stromlosen Pause noch ein Spielraum Uo-U₁ im Betrage a für die Verbesserung der Spannungsfestigkeit durch Heraufsetzen der Löschwirkung zur Verfugung steht. Bei einer Löscheinrichtung von intensiver Lösehwirkung (Kurve 2), welche am Ende der stromlosen Pause eine Durchschlagsfestigkeit U₂ wiederherstellt, steht nur ein Spielraum b zur Verfügung, innerhalb dessen sich bei gleichbleibendem Druck durch Erhöhen der Löschwirkung nur eine unwesentliche Verbesserung erzielen läßt. Dagegen können in diesem Falle wesentliche Verbesserungen erreicht werden durch Erhöhung des statischen Drukkes auf z. B. 2 at, weil für diese Verbesserung noch ein Spielraum c am Ende der stromlosen Pause zur \^erfügung steht. Eine so verbesserte Unterbrechungsvorrichtung kann also auch bei sehr geringer Lichtbogenlänge mit einer hohen wiederkehrenden Spannung beansprucht werden, besitzt also eine hohe Unterbrechungsleistung (kV auf den Zentimeter Lich'tbogenlänge).

Für die Auswahl der Löscheinrichtungen ist ihre Löschleistung, d. i. der Quotient aus Spannung an den Schalterkontakten, durch größte in der Vorrichtung gelöschte Licht-

bogenlänge maßgebend. Dieser Quotient soll den Betrag von etwa 2 kV auf den Zentimeter Lichtbogenlänge nicht unterschreiten. Mit Löscheinrichtungen, deren Löschleistung wesentlich kleiner ist, läßt sich eine wesentliche Steigerung der Unterbrechungsleistung durch Anwendung statischen Überdruckes im Unterbrechungsraum nicht erzielen.

Solche hohe Löschleistungen, wie sie für die Erfindung in Betracht kommen, lassen sich insbesondere mit Löschvorrichtungen erzielen, die mit Flüssigkeit betrieben werden, z. B. mit Einrichtungen, die nach dem Expansionsprinzip wirken, und mit solchen, bei denen der Lichtbogen, in einem Isolierkanal durch Zuführen von Flüssigkeit unter Druck und gleichzeitiger Expansion der durch den Lichtbogen gebildeten Flüssigkeitsdämpfe aus dem Löschkanal gelöscht wird.

Eine derartige Einrichtung ist in Fig. 2 der Zeichnung beispielsweise dargestellt. In einem dichten Gehäuse 10 sind das feststehende Schaltstück 11, der bewegliche Schaltstift 12 sowie die Lichtbogenlöscheinrichtung 13 angeordnet. Die letztere besteht aus einem Isolierkörper, der an dem Gefäß 10 befestigt ist und einen engen Kanal 14 für den Schaltstift 12 besitzt. In der Mitte des Kanals mündet ein Zuführungsrohr 15 für die Löschflüssigkeit. Dieses Rohr ist U-förmig gebogen, so daß es zum großen Teil unter dem Spiegel 16 der das Gefäß 10 füllenden Schaltflüssigkeit, welche z. B. gewöhnliches Wasser sein kann, liegt. Mit dieser Flüssigkeit steht das Rohr durch ein Rückschlagventil 17 in Verbindung. Der rechte Teil 18 des Zuführungsrohres für die Druckflüssigkeit zum Löschkanal 14 kann als Druckluftzylinder ausgebildet sein, in welchem sich ein Kolben 25 bewegt. Der Kolben 25 wird bei der Auslösung des Schalters mit einer Kraft P in den Zylinder 18 hineingedrückt.' Der Antriebsund Steuermechanismus ist in der Zeichnung nicht dargestellt. Der Raum des Kessels 10 über der Schaltflüssigkeit steht über ein Rohr 19, in welches ein Druckminderungsventil 20 eingebaut ist, mit einer Druckgasflasche 21 in Verbindung. 22 ist ein Druckmesser, welcher den !Druck im Kessel anzeigt. Durch das Druckminderungsventil 20 wird z. B. der Kesseldruck auf einem konstanten Wert von 5 at gehalten. Um 'die Gegenwirkung des im Kessel herrschenden statischen Druckes gegen die äußere Zuführungskraft P aufzuheben, kann eine Umführungsleitung 23 vorgesehen werden, welche den im. Kessel 10 herrschenden Druck in den Zylinder 18 hinter den Kolben 25 überträgt.

Wenn nun der Stromkreis unterbrochen werden soll, wird der Schaltstift 12 durch einen nicht dargestellten Antriebsmechanismus aus dem Schaltstück 11 herausgezogen. Gleichzeitig oder knapp vorher wird der Kolben 25 mit der Kraft P in den Zylinder 18 hineingedrückt, wodurch die in dem Rohr stehen de Flüssigkeit in den Löschkanal 14 hineineingedrückt wird und diesen zu durchströmen beginnt. Der Stift bewegt sich einstweilen durch den Löschkanal 14 hindurch bis in die gestrichelt eingezeichnete Lage 26 und zieht dabei den Unterbrechungslichtbogen durch den Löschkanal 14 hindurch. Der Lichtbogen ist nun im Löschkanal vollkommen von strömender Flüssigkeit eingehüllt. Die vom Lichtbogen aus der Flüssigkeit gebildeten Flüssigkeitsdämpfe expandieren rasch nach beiden Seiten, so daß die unter Druck zugeführte Flüssigkeit den Lichtbogenkern eng umklammern kann. Die Anordnung ist dabei so getroffen, daß diese Flüssigkeitsklammer dem Lichtbogen, der in dem Maße, als er sich der stromlosen Pause nähert, zusammenschrumpft, verzögerungsfrei nachfolgt. Durch diese Wirkung wird der Lichtbogenpfad während der stromlosen Pause auf der Länge des Löschkanals so intensiv entionisiert, daß die im Löschkanal liegende Unterbrechungsstrecke am Ende der stromlosen Pause nahezu die Durchschlagsfestigkeit der in dem Kessel 10 enthaltenen Luft von 5 at erreicht. Es kann also von einer verhältnismäßig sehr kurzen Löschstrecke eine sehr hohe wiederkehrende Spannung getragen werden, so daß sich dieser Schalter für die Unterbrechung von Hoch-Spannungsstromkreisen sehr hoher Leistung eignet.

Man kann auch an dem Kessel 10 ein Auspuffrohr anbringen, welches durch ein auf den Kesseldruck eingestelltes Überdruckventil normalerweise verschlossen gehalten wird, um die bei der Lichtbogenlöschung entstehenden Flüssigkeitsdämpfe und Gase rasch nach außen abzuführen.

Claims (3)

1. Patentansprüche:

   i. Einrichtung für die Unterbrechung von Wechselstromkreisen mit Hilfe eines im Lichtbogenpfad stiömenden oder expandierenden Löschmittels in einer den no Lichtbogen und die Löschmittelströmung gemeinsam führenden Löscheinrichtung, welche die Löschlänge des Unterbrechungslichtbogens auf einen extrem kleinen Wert beschränkt, so daß der Quotient

   wiederkehrende Spannung in kV

   Lichtbogenlänge in Zentimeter

   nahezu die Durchschlagsfestigkeit bei normaler Zimmertemperatur, z. B. für Luft von 20 kV pro Zentimeter, erreicht, da-

   durch gekennzeichnet, daß die Löschvorrichtung im Gasraum eines Ausströmgefäßes angeordnet ist, der unter einem statischen Überdruck steht.
2. 2. Einrichtung nach Anspruch ι für eine mit Flüssigkeit betriebene Löschvorrichtung, deren Löschleistung 2 kV/cm Löschlänge nicht unterschreitet.
3. 3. Einrichtung nach Anspruch 1 für eine Löschvorrichtung, bei welcher der Lichtbogen in einem isolierenden Löschkanal gelöscht wird, in dessen. Mitte Flüssigkeit, insbesondere Wasser, unter Druck hineinströmt, während gleichzeitig die durch den Lichtbogen gebildeten Dämpfe nach beiden Seiten frei expandieren.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen