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Elektrischer Schalter mit Lichtbogenlöschung durch Gase und Dämpfe
Bei Schaltern mit Lichtbogenlöschung durch strömende Gase und Dämpfe, .die durch
die Lichtbogenwärme aus den Wandungen des Lichtbogenraumes- erzeugt=werden, ist
die Wahl der :geeigneten Wandungsstoffe für die Löschung entscheidend. An diese
Stoffe werden dabei zahlreiche, zum Teil einander widersprechende Anforderungen
.gestellt, so daß bisher bei der Wahl bestimmter Stoffe stets zur Erreichung ,bestimmter
günstiger Eigenschaften auf andere günstige Eigenschaften verzichtet werden mußte.
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Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß für verschiedene Stellendes
Lichtbogenraumes verschiedene Eigenschaften erforderlich sind, je nachdem ob diese
Stellen vorzugsweise zur Löschung großer oder kleiner Ströme dienen. Bei Schaltern
mit Löschurig durch Lichtbogenenergie erfolgt dieLöschung großer Ströme in der Regel
schneller als die Löschung kleiner Ströme. Stellen des Lichtbogenraumes, an denen
der- Lichtbogen am Anfang der Schaltbewegung brennt, dienen also vorzugsweise der
Großstromlöschuhg. Stellen, an denen ,der Lichtbogenbrennt, nachdem er eine gewisse
Länge erreicht hat, bei der große Strörne gelöscht sein würden, dienen vorzugsweise..der
Kleinstromlöschung.
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Aufgabe der Erfindung ist es., diejenigen Wandungsteile, an denen
die Großstroinlöschung stattfindet, den Erfordernissen der Großstromlöschung in
ihrer Formgebung und ihrem Material anzupassen ebenso wie die Wandungsteile zur
Kleinstromlöschung den hierfür vorliegenden Erfordernissen. Die Erfordernisse für
die Großstromlöschung sind i. hohe mechanische Festigkeit, 2. hohe thermische Festigkeit
insbesondere mit Rücksicht auf große Temperaturdifferenzen in der Lichtbogennähe,
3. mäßige Abnutzung infolge Vergasung, 4.. mäßige Gasentwicklung, damit keine unnötig
hohen Drücke auftreten.
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Die Erfordernisse zur Kleinstromlöschung sind i. starke Gasbildung,
um auch bei kleinen Strömen --inen zur wirksamen Blasung ausreichenden Druck zu
schaffen, 2. hohe Oberflächenisolation, da die Kleinstromstelle in der Regel zur
Abriegelung der wiederkehrenden Spannung dient. Durch eine hohe Oberflächenisolation
wird die. Einleitung einer Rückzündung durch Kriechströme verhindert.
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Die Erfindung betrifft somit einen Schalter mit - Lichtbogenlöschung
durch Gase und Dämpfe, die durch die Lichtbogenwärme aus den Wandungen eines röhrenförmigen,
einseitig geschlossenen und das bewegte Schaltstück eng umschließenden Lichtbogenraumes
erzeugt werden. Erfindungsgemäß sind hierbei die Wandungen des Lichtbogenraumes
in Achsrichtung desselben Lichtbogens derart verschieden ausgebildet, daß die Gasabgabefähigkeit
an denjenigen Stellen, wo die stärkste thermische Beanspruchung durch den Lichtbogen
auftritt, nämlich in der Nähe der Kontaktstelle, geringer ist als an den anderen
Stellen der Lichtbogenbahn.
Dadurch erhält man eine Anordnung, die
den für die Gaserzeugung und Lichtbogenlöschung maßgebenden Gesichtspunkten Rechnung
trägt und eine wirksame Lichtbogenlöscheng sowohl bei großen als .auch insbesondere
bei kleinen Strömen mit einer weitgehenden Schonung der gasabgebenden Teile verbindet.
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Wenn die Schaltröhre aus Kunstharz, insbesondere Carb.amidharz, mit
Füllstoffen besteht, so läßt sich die Herabsetzung der Vergasungsfähigkeit an stark
beanspruchten Stellen der Lichtbogenbahn durch entsprechende Abstufung des Füllstoffgehaltes
der betreffenden Kunstharzteile erzielen. Man kann zu diesem Zweck als Füllstoffe
solche verwenden, die an sich nicht vergasen, z. B. Asbest, Glimmer oder Metalloxyde.
Es können sogar die zur Großstromlöschung vorzugsweise dienenden Wandungen ganz
oder teilweise aus nicht gasabgebenden Stoffen bestehen. Dann wird besonderer Wert
auf hohe mechanische Festigkeit gelegt, z. B. können Sinterkorund, keramische Stoffe
usw. verwendet - werden.
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Eine weitere Maßnahme zur Verringerung der Gasbildung an den Großstromlöschstellen
besteht bei Schaltern mit Verengung der Lichtbogenbahn durch bewegte Isolierteile
darin, daß an den Großstromstellen die Verengung nicht so weit getrieben wird wie
an den Kleinstromstellen.
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Für die Kleinstromlöschung wird erfindungsgemäß Kunstharz mit verhältnismäßig
wenig Füllstoff verwandt. Es werden insbesondere Füllstoffe, wie tierische Fasern,
vorteilhaft angewendet, die mit dem Harz zusammen möglichst restlos vergasen. Durch
sie wird auch die mechanische Festigkeit in ausreichendem Maße erhöht.
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Zwischen dem Großstrom- und dem Kleinstromgebiet kann ein Zwischengebiet
angeordnet werden, das etwa mittlere Eigenschaften beider Gebiete besitzt, so daß
es einen gewissen Übergang darstellt. Die Eigenschaften können sich längs des Übergangsgebietes
auch allmählich ändern, z. B. das Maß der Lichtbogenverengung.
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Die Wirkungsweise der Schaltstelle läßt sich durch Verwendung geeigneter
Flüssigkeiten, die die Oberflächen der Wandungen benetzen, weitgehend ändern.
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Bei der Großstromstelle ergibt die Verwendung einer Flüssigkeitsschicht
an der Wandung des Lichtbogenraumes einen gute Schutz der Wandung vor der Lichtbogenwärme.
Der Abbrand wird hierdurch auf ein Minimum herabgesetzt. Es werden mit Vorteil Flüssigkeiten
verwendet, die in der Lichtbogenwärme restlos in Gase -und Dämpfe zerfallen. Da
durch die Verdampfung und Vergasung der Flüssigkeit eine zusätzliche Drucksteigerung
auftritt, kann die Breite des Lichtbogenraumes an der Großstromstelle vergrößert
werden. Hierdurch wird der Druck auf den gewünschten, nicht übermäßig hohen Wert
gebracht.
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An der Kleinstromlöschstelle ist die zusätzliche Druckerhöhung erwünscht.
Die Lichtbogendauer wird herabgesetzt. Die Abnützung wird auch bei vielen aufeinanderfolgenden
Schaltungen unwesentlich.
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Die Vorteile der Benetzung sind also einerseits weitgehende Anpassung
an die abzuschaltende Stromstärke und anderseits geringe Abnützung der Anordnung,
die eine hohe Lebensdauer der Schaltstelle ergibt.
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Die Benetzung kann auf verschiedene Arten erfolgen. Die Wandungen
können porös sein und mit Flüssigkeitsbehältern in Verbindung stehen, so daß sie
dauernd getränkt, sind. Bewegte Isolierteile können im Einschaltzustand in Flüssigkeit
eintauchen, so daß sie beim Ausschalten benetzt sind. Es kann auch beim Ausschaltvorgang
Flüssigkeit gegen die zu benetzenden Wandungen gespritzt werden.
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Die Anforderungen an die Flüssigkeit entsprechen sinngemäß den an
die. Isolierstoffe gestellten. Die Flüssigkeitshaut darf die Oberflächenisolation
nicht wesentlich herabsetzen, insbesondere nachdem sie durch den Lichtbogen bzw.,
wenn die Flüssigkeit leitend ist, durch die Str omwäruie verdampft worden ist. Insbesondere
dürfen bei der Zersetzung der Flüssigkeit keine" Rückstände, vor allem kein Ruß
zurückbleiben. Besonders geeignet sind neben Wasser organische stickstoffhaltige
Flüssigkeiten, z. B. Formamid. Die Gasbildung kann bei Formamid dadurch erhöht werden,
daß in ihm Harnstoff gelöst wird.
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In den Abbildungen sind einige Ausführungsformen der Erfindung dargestellt.
Die Erfindung läßt sich auch auf alle Arten von Schaltern mit Lichtbogenlöschung
durch die vom Lichtbogen aus den Wandungen erzeugten Gase und Dämpfe anwenden. Es
sind in den Abbildungen Anordnungen dargestellt, bei denen der Lichtbogen in eine
Schaltröhre hineingezogen wird und der Schaltröhrenquerschnitt durch ein dem Schaltstück
nachfolgendes bzw. sich in der Röhre befindendes Isolierstück (Füllstück) verengt
wird.
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Abb. i stellt die Schaltstelle eines Ringraumfüllschalters dar. Der
tulpenförmige Kontakt i befindet sich in einem durch die Schaltröhre 3 abgeschlossenen
Gasraume 5. Der bewegte Kontakt :2 ist rohrförmig ausgebildet. Die Schaltröhre ist
durch ein feststehendes Füllstück q. verengt. Nach der Kontakttrennung entsteht
der Lichtbogen zwischen dem Rohrkontakt 2 und dem Abbrennring 6. Bei großen Strömen
erfolgt die
Löschung infolge hoher Energieabgabe verhältnismäßig
rasch, etwa bevor der Rohrkontakt die Stelle 7 überschritten hat. Sowohl die Röhre
als auch der Stift sind deshalb im unteren Teil zwischen 6 und 7 auf Großstromlöschungen
eingerichtet. Zur Verminderung der Gasbildung und des Abbrandes sind das Schaltrohr
erweitert .und der Stift verjüngt. Natürlich können Maßnahmen auch an der Röhre
oder am Stift allein ausreichen. Kleine Ströme werden an der Großstrornstelle nicht
gelöscht. Ihre Löschung erfolgt erst bei der Weiterbewegung des Rohrkontaktes an
der Kleinstromstelle 8 bzw. g. Hier wird eine intensive Löschwirkung angestrebt,
indem der Schlitz zwischen den Teilen 8 und 9 möglichst eng gemacht wird. Eine weitere
Vervollkommnung der Löschwirkung läßt sich dadurch erreichen, daß für die Wandungsteile
8 und io bzw. g und i i verschiedene Stoffe verwendet werden. Besonders günstig
vom Betriebsstandpunkt ist es, die Wandungsteile g und i i der Schaltröhre aus nicht
gasabgebenden Stoffen herzustellen, die auch nicht abbrennen, während die Füllstiftteile
8 und io aus gasabgebenden, also sich aufbrauchenden Stoffen hergestellt werden.
Dabei ist für den Teil 8 ein stark gasabgebender Stoff zu wählen, während für den
Teil io ein mechanisch widerstandsfähiger Stoff mit verhältnismäßig geringer Gasabgabe
vorgesehen wird.
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An Hand der Abb. 2 und 3 ist grundsätzlich die Wirkungsweise eines
Füllschalters gemäß der Erfindung dargestellt. Der Füllstift 8, io ist mit dem Schaltstift
a verbunden. Abb. 2 zeigt eine #Augenblicksstellung, die etwa dein Moment der Großstromlöschung
entspricht. Der Lichtbogen brennt in dem Ringraum zwischen den Teilen io und i i,
der verhältnismäßig weit ist. Die Wandung i i ist wenig oder überhaupt nicht gasabgebend.
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Die Abb. 3 zeigt die Stellung des Füllstückes bei der Kleinstromlöschung.
Die Hauptlöschung erfolgt in dem Ringraum zwischen den Teilen 8 und 9.. Der Wandungsteil
9 wird stark gasabgebend gewählt. Er ist möglichst auswechselbar anzuordnen. Die
Löschung wird ferner durch den Stiftteil 8 wirksam unterstützt, da dieser gleichfalls
stark gasabgebend und der Schlitz zwischen den Teilen 8 und i i ausreichend eng
ist.
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Die Abb. 4. und 5 zeigen einen besonders günstigen Aufbau der Schaltröhre
gemäß der Erfindung. Der Großstromteil i i ist gewölbeartig aus einzelnen Ringsegmenten
12 aufgebaut. Infolge der Kleinheit der einzelnen Segmente können in ihnen keine
großen Wärmespannungen und praktisch überhaupt keine Zugkräfte auftreten. Auch bei
Verwendung eines in sich durch die Erwärmung schrumpfenden Materials ist ein Auftreten
von Rissen auf ein Minimum beschränkt. Da beim Schrumpfen in der 'Regel nur Längsrisse
auftreten, genügt bei nicht zu hohen Beanspruchungen eine Aufteilung der Großstromstelle
in an sich bekannter Weise in Ringscheiben. Einzelne Scheiben können dabei Axialrisse
erhalten, ohne die Betriebsfähigkeit der Schaltstelle zu mindern. Insbesondere setzt
sich ein in einer Ringscheibe entstandener Riß nicht auf die Nachbarscheiben fort.
Es ist ferner möglich, die Segmente über die ganze Länge der Großstromstelle oder
der Röhre zu erstrecken. Eine derartig aufgebaute Röhre hätte neben hoher Rißsicherheit
noch den Vorzug einfacherer Montage. Als druckfester Körper scheidet eine derartig
aufgebaute Röhre natürlich aus. Sie muß deshalb in einen druckfesten Isolierkörper
13 eingesetzt werden. Die Kleinstromstelle g, die keinen hohen Beanspruchungen ausgesetzt
ist, kann als ein einfaches Rohr ausgebildet werden. Die gasabgebenden Teile werden
in dem Tragrohr durch ein Druckstück 14. zusammengehalten, das aus gasabgebenden
Stoffen oder Metall usw. bestehen a kann.
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Die mechanische Festigkeit kann durch Einkitten. erhöht werden. Dabei
ist es günstig, wenn die Segmente 12 nur an ihrem äußeren Umfang 15 mit dem Tragrohr
verlcittet sind, ohne miteinander verkittet zu sein, damit sich die Risse in ihnen
nicht in :die Nachbarteile fortpflanzen können. Abb. 5 stellt,den Schnitt 16-17
durch die Großstromstelle dar.
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In Abb. 6 ist eine zweckmäßige Ausgestaltung,des vom Schaltstück mitgenommenen
Füllstiftes gemäß der Erfindung dargestellt. Das Füllstück besitzt einen Stab 18
aus mechanisch widerstandsfähigem Isolierstoff als Tragkörper. Es können hierfür
insbesondere feste organische Stoffe, wie Hartpapier, Hartgewebe usw., verwendet
werden. Die Festigkeit ist besonders hoch, wenn der Tragstab gewickelt ausgeführt
ist. Über diesen Stab sind zwei Rohrstücke io und 8 aus gasabgebenden Stoffen geschoben.
Es können verschiedene Stoffe verwandt werden oder auch der gleiche Stoff, wobei
dann an der Großstromstelle io eine überflüssige Gasbildung durch Verringerung :des
Schaltstiftdurchmessers gegenüber der Kleinstromstelle 8 vermieden wird. Die Röhren
B und io können auch mehrfach quer unterteilt sein, wodurch sich Risse in der Achsrichtung
nicht fortpflanzen können (ähnlich Abb. q.). Es können auch Bandagen aus Metall
oder festen, vor allem nicht gasabgebenden Stoffen in die Oberfläche ,der Röhren
8 und io eingelassen werden, die bei evtl. auftretenden Sprüngen
den
Zusammenhang der Teile sichern. Die Röhren 8 und io sind: :in Abb. 6 an .dem Isolierstab
i8 :durch eine Kittstelle i9 befestigt. Dies ist durch Schrägstriche angedeutet.
Das Rohr 8 kann .durch einen gleichfalls eingekitteten- Pfropfen 2o abgeschlossen
werden.
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Es ist auch möglich, den Abbrand an den stark beanspruchten Wandungsteilen
dadurch herabzusetzen, daß die Oberflächen: dieser Wandungsteile mitFlüssi.gkeit
benetztwenden.
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Eine Ausführungsform dieser Art zeigt die Abb. 7. Hierbei erfolgt
die Zufuhr der Flüssigkeit an die Wandungen des Lichtbogenraumes durch Kapillarwirkung.
Zu :diesem Zweck sind ,die Wandungen porös ausgebildet und stehen- mit Flüssigkeitskanälen
in Verbindung. Die Flüssigkeit befindet sich in einem Behälter 22. Der poröse Füllstift
q, besitzt eine Bohrung 27, durch die er von innen heraus benetzt wird. An der Schaltröhre
erfolgt .im wesentlichen eine Benetzung der Großstfomstelle i i, indem die Flüssigkeit
aus dem Hauptbehälter durch die Öffnungen 28 an den porösen Isolierkörper 29 gelangt.
Der Vorteil :dieser Anordnung liegt darin, da3 die -verdampfenden Flüssigkeitsteilchen-die
Schal tröh:renwan.dung an der Stelle größter thermischer Beanspruchung gewissermaßen
äbschir-# men: und dadurch ihre Abnutzung gering halten. Dabei wird- keine .Flüssigkeit
herumgespritzt, da bei kleinen Strömen, wenn keine oder nur wenig Flüssigkeit verdampft
wird, die übrigbleibende herausgetretene Flüssigkeit ,an der Oberfläche haftenbleibt.
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Der Körper 29 wird teilweise vom Metallbehälter 30, teilweise vom
Tragisolator 13 von uiechanischen Beanspruchungen entlastet. Poröse Körper können
aus ähnlichen gasabgebenden Stoffen bestehen wie die .dichten Isolierkörper. Es
ist jedoch stets mehr Wert auf ihre Festigkeit und chemische Widerstandsfähigkeit
gegenüber :der tränkungsflüssigkeit als auf Gasabgabe zu legen.