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Einrichtung zum Löschen von. Wechselstronflichtbögen durch ein strömendes
Löschmittel Es ist bekamit, zur Lichtbogenlöschung den vom Lichtbogen selbst erzeugten
Druck zu verwenden. Man legte dabei Wert auf Erzielung einer genügenden statischen
Druckhöhe, ohne zu beachten; daß. bei W.echselstromlichtbögen Schwankungen von der
doppelten Frequenz des Wechselstromes auftreten, indem während des Strommaximums
ein starker und in der Nähe des Stromnull.-durchgangs ein schwacher Druck erzeugt
wird. Das hat aber zunächst die unangenehme Folge, daß. die von diesem Druck erzeugte
Strömung gerade im Strommaximum am stärksten ist, wo sie schwach sein sollte, und
im Stromnulldurchgang sehr schwach ist, wo sie stark sein sollte.
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Bei einem Wechselstromlichtbogen steigt bekanntlich die Spannung an
den Elektroden bei kleiner werdendem Strom an. Erreicht die Stromstärke einen kritischen
minimalen Wert, so fällt sie fast momentan auf Null ab, gleichzeitig steigt die
Spannung außerordentlich rasch an; es erscheinen im Oszillogramm die bekannten Spannungsspitzen.
Bei den seither gebräuchlichen Methoden der Lichtbogenünterbrechung, z. B. bei'
einem Preßgasschalter, wurden dem Lichtbogen während seiner Brenndauer durch das
Preßgas Wärme und ionisierte Gase entzogen. Das hat zur Folge, daß die Lichtbogenspannung
größer wird und damit auch der untere Grenzstrom, von dem aus die Stromstärke auf
Null abfällt. Das Produkt aus der unteren Grenzstromstärke und der Lichtbogenspannung
ist ein Maß für die Erwärmung und Ionisierung des Gases zwischen den Elektroden.
Je größer also dieser Wert, d. h. je stärker die Wirkung des Löschmittels, desto
günstiger sind die Voraussetzungen für das Wiederzünden durch die wiederkehrende
Spannung. Ein idealer Schalter sollte den Lichtbogen selbst gar nicht beeinflussen,
sondern nach dem natürlichen Nulldurchgang die Wiederzündung verhindern. Das setzt
voraus, daß das löschende Medium erst dann wirksam wird, wenn der Strom von seinem
unteren Minimum auf Null abgefallen ist. In der kurzen Zeit, bis die mit der Eigenfrequenz
des Netzes sich einschwingende wiederkehrende Spannung an den Kontakten erscheint,
muß die Durchschlagsfestigkeit der Gasstrecke größer geworden sein als diese Spannung,
wenn keine Wiederzündung erfolgen soll. Bei einem bekannten Wechselstromschalter
werden zu diesem Zweck die von einem Hilfslichtbogen in einer geschlossenen Kammer
mit beweglicher Wand erzeugten Druckwellen zur Löschung benutzt, indem man in dem
Nachbarraum, dem ein Löschmittel von außen zugeführt wird, mittels der beweglichen
Wand Druckschwankungen hervorruft, die infolge der Trägheit des bewegten mechanischen
Teiles gegenüber den vom Hilfslichtbogen erzeugten Druckwellen derart phasenverschoben
sind,
daß der aus dem Nachbarraum über die Unterbrechungsstrecke
ins Freie tretende pulsierende Löschmittelstrom jedesmal in der Nähe des Stromhöchstwertes
geringe; dagegen in der Nähe des Stromnulldurchgangs seine höchste Geschwindigkeit
hat. Durch die Hilfslichtbogenstrecke und das bewegliche mechanische System wird
jedoch der Aufbau dieses Schalters umständlich und seine zeitliche Aufeinanderfolge
der einzelnen Vorgänge ungenau.
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Mit der Erfindung werden die Nachteile der bekannten Schalter vermieden.
Die Erfindung bezieht sich auf eine Löscheinrichtung, bei welcher die vom Unterbrechungslichtbogen
selbst erzeugten Druckwellen die Löschung erleichternde Strömungspulsationen heriorrufen,
und besteht darin, daß diesen Druckwellen ein fremderzeugter Druck derart entgegenwirkt,
daß infolge des Unterschiedes beider Drücke an der von. Hohlkörpern umschlossenen
Unterbrechungsstelle eine pulsierende Löschinittelströmung entsteht, - die in der
Nähe des Stromnülldurchgangs ihre größte Geschwindigkeit hat.
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Wird in einem geschlossenen, gasgefüllten Gefäß ein Lichtbogen erzeugt,
dann wächst der Gasdruck entsprechend der zugeführten Wärme. Bei gleichen Wärmemengen
und gleichem ursprünglichem Druck des Gases in dem Gefäß ist die Drucksteigerung
abhängig von dem Volumen des, Gefäßes. Hat man zwei geschlossene Kammern mit .einer
gemeinsamen Wand und wird durch eine öfi-nung in dieser Wand ein Lichtbogen gezogen,
so wird das Gas in den Kammern erwärmt. Sind die zugeführten Wärmemengen verschieden,
etwa dadurch, daß die Trennwand sich nicht auf halber Länge des Bogens befindet,
oder sind die Volumina der Kammern verschieden, so werden Druckdifferenzen zwischen
den Kammern auftreten und eine Strömung des Gases durch die öffnung der Trennwand
zur Folge haben.- Das gleiche tritt ein, wenn man eine geschlossene Schaltkammer
hat, die an einer Stelle eingeschnürt ist, wobei die beiden Teilräume verschiedenes
Volumen haben oder wobei die Lichtbogenteile dies- und jenseits der Einschnürungsstelle
verschieden lang sind. Wegen der endlichen Ausbreitungsgeschwindigkeit der Wärme
in dem Gas werden die Maxima der Stromstärke und des Gasdruckes eine zeitliche Differenz,
eine Phasenverschiebung haben. Wird in dem größeren Gefäß dauernd ein Überdruck
erzeugt, etwa dadurch, daß ständig ius dem kleineren Gefäß Gas abgesaugt und durch
eine Pumpe in das größere gepreßt wird, so wird ein dauernder, zeitlich unverinderlicher
Gasstrom durch die öffnung fließen, solange noch kein Lichtbogen brennt. Ist die
öffnung z. B. durch einen Schaltstift nahezu geschlossen, dann kann die Leistung
der Pumpe sehr klein sein, um trotzdem -einen beträchtlichen Druckunterschied dauernd
aufrechtzuerhalten. Wird nun der Lichtbogen gezogen, so erwärmt er das Gasvolumen
in dem kleineren Gefäß stärker als in dem -großen. Man kann die Lichtbögenlänge
so aufteilen und die Volumina der GefäL-e so bemessen, daß die verschiedene Erwärmung
der durch die Pumpe erzeugten Druckdifferenz entgegenwirkt. Mit steigendem Strom
wird der Gasstrom durch die Trennwandöffnung lzleiiier und kleiner, auch nachdem
der Strom wieder abnimmt, weil ja die Drucksteigerung nachhinkt. Erst tvenn die
Stromstärke sich dem unteren Minimalwert nähert; fällt der Druck in dem kleinen
Gefäß ab, der Gasstrom wird stärker und erreicht sein Maximum, wenn die Wärmezufuhr
aufhört, also die Stromstärke Null geworden ist. Man kann also mit dieser Anordnung
den Gasstrom in Abhängigkeit von dem Lichtbogenström durch diesen selbst steuern.
Führt man den Gasströin so, daß er einen oder beide Fußpunkte des Lichtbogens kühlt
und daß er die ionisierte Gassäule zwischen den Elektroden abreißt und fortspült,
dami hat man einen Schalter, bei dem das löschende Medium den Lichtbogen während
seiner Brenndauer nicht wesentlich beeinflußt; das aber wirksam wird, wenn der Strom
sein natürliches Minimum erreicht hat.
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Es wird zweckmäßig sein, die Öffnung in der Trennwand so auszuführen,
daß der Gasstrom möglichst ohne Wirbelbildung die ionisierten Schaltgase sozusagen
vor sich her schiebt, so daß das frische Gas gewissermaßen einen Pfropfen in der
öffnung bildet. Man kann die Durchschlagsfestigkeit dieses Gaspfropfens bedeutend
erhöhen, wenn man das Gas in dem ganzen Gefäßsystem unter hohen Druck setzt. Zur
Erzeugung der Ströinung ist nur ein relativ geringer Druckunterschied erforderlich.
Wenn man die Pumpe, die die Druckdifferenz zwischen den Kammern erzeugt, ä. B. durch
die bewegte Schaltertraverse betätigt, ist für den Schalter kein besonderer Kompressor
notwendig, denn es findet ja nur ein Umlauf des Gases im geschlossenen Apparat statt.
Man kann dann leicht den Schalter z. B. mit Wasserstoffüllung betreiben, die wahrscheinlich
für die Wirkung günstiger sein dürfte als Luft. Man könnte dann sämtliche Schalter
einer Anläge durch eine dünne, billige Rohrleitung untereinander verbinden und durch
Anschluß an eine Preßgasstahlflasche eventuelle Druckverluste infolge Undichtigkeiten
auf lange Zeit ausgleichen. Gerade bei Einzelschaltern dürfte der Fortfall der Kompressoranlage
eine bedeutende Ersparnis bedeuten. Schließlich ist es durchaus möglich,
bei
Schaltern kleiner Leistung mit Luftfüllung von Atmosphärendruck auszukommen.
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Auf der beiliegenden Zeichnung ist in Fig. r als Anwendungsbeispiel
ein Preßgasschalter nach den oben entwickelten Prinzipien schematisch dargestellt.
Der Schaltraum wird gebildet von den beiden Kammern a und b, letztere
ist gleichzeitig als Stützisolator ausgebildet; die Kammer a, die aus Metall sein
kann, trägt den Kontakt c, in welchen der Kontaktstift d bei gehobener Traverse
e, d. h. geschlossenem Schalter, eingreift. Mit der Traverse e ist durch das Gestänge
f der Kolben g gekuppelt, der sich in dem Zylinder /t bewegen kann. Dieser steht
über die isolierenden Rohrei mit den Schaltkammern a in Verbindung. Der Bewegung
des Kolbens g kann durch verstellbare Mitnehmerh gegen die Traversenb.ewegung eine
Nacheilung gegeben werden. Die Traverse bewegt sich in einem gasdichten Gehäuse
1, das außerdem Kammer b und Zylinder h trägt.. Der zum Bewegen der Traverse
erforderliche Mechanismus sowie Ausschaltfedern, Schloß (Freilaufkupplung), Überstromauslöser,
Einschaltapparat usw. sind die allgemein üblichen und auf der Zeichnung nicht dargestellt.
-Die Wirkungsweise der Anordnung ist folgende: Das Gehäusel sowie die mit ihm kommunizierenden
Kammern a und b, die Rohrei und der Zylinder k sind mit einem
Gas von bestimmtem Druck gefüllt. Der Schalter sei' geschlossen, dann ist die Traverse
in ihrer oberen- Stellung; der Schaltstift cl hat Kontakt mit dem Gegenkontakt c;
der Kolben g befindet sich in seiner oberen Lage. Wird z. B. durch einen Überstrom
die Verklinkung des Schalters gelöst, so erfährt die Traverse e durch die Ausschaltfedern
eine Beschleunigung nach unten; der Kontaktstift d verläßt den Kontakt c und zieht
einen Lichtbogen. Gleichzeitig oder mit einem geringen zeitlichen Verzug bewegt
sich der Kolben g abwärts, saugt das Gas aus der Kammer a und erzeugt dort einen
Unterdruck. In dem Gehäuse L und der Kammer b wird gleichzeitig durch den
niedergehenden Kolben g eine Drucksteigerung hervorgerufen. Solange der Schaltstift
d noch die Öffnung - zwischen Kammer a und b .nahezu ausfüllt, findet durch diese
Öffnung keine merkliche Gasströmung statt. Der Lichtbogen bewirkt in der Kammer
a eine starke Erwärmung des Gasinhaltes, und zwar schwankt die zugeführte Wärme
mit der gleichen Frequenz wie der Strom im Lichtbogen, folglich auch der Druck,
den diese Erwärmung erzeugt. Der Gesamtdruck setzt sich also zusammen aus zwei Komponenten,
eine, die am Anfang des ganzen Vorgangs gleich dem Druck des Gases im Schalter ist
und die bei der Bewegung des Kolbens g sich aus der Volumenänderung des Hohlkörpersystems
a, h, i ergibt. Die zweite Komponente ist die periodisch mit der Frequenz
des Lichtbogenstromes schwankende Druckänderung, hervorgerufen durch die Erwärmung
des Gasinhaltes von a. Beide Druckkomponenten überlagern sich, und man kann durch
passende Wahl der Volumina der Hohlkörper, deren Änderung durch die Kolbenbewegung,
durch die Lage der Kontakte relativ zu der Öffnung zwischen den Kammern a und b
den Druckverlauf weitgehend beeinflussen und einem durch Versuche zu bestimmenden
Optimum anpassen.
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Die Diagramme (Fig. 2 und 3) sollen die Wirkungsweise des Preß.gasschalters
veranschaulichen. Sie zeigen den Verlauf der Drucksteigerung in Abhängigkeit von
der Zeit, wobei in Fig. a zum Vergleich der zu unterbrechende Wechselstrom J :eingezeichnet
ist. Verläßt der Schaltstift d die Öffnung zwischen den Kammern a und
b, so ist die Strömung des Gases durch diese Öffnung von der Differenz der
Drücke in den Räumen a und b
abhängig. Es werde angenommen, daß die
Stromstärke J gerade im Ansteigen begriffen ist (vgl. Fig. a), dann wird auch der
Druck W in der Kammer a zunehmen. Entgegen dieser Drucksteigerung wirkt die Bewegung
des Kolbens d. Es werde angenommen, da.ß die Drucksteigerung durch die Erwärmung
etwas gröber sei als die Druckminderung durch den Kolben. Durch dessen Bewegung
findet gleichzeitig eine kleine Drucksteigerung im Gehäuse l und der Kammer
b statt. Es sei angenommen, daß in dem betrachteten Zeitpunkt die resultierenden
Drücke in a und b gleich seien. Erreicht jetzt die Stromstärke ihr Maximum und beginnt
sie abzufallen, so wird auch der Druck in a abzufallen beginnen. In dem Moment,
wo der Druck in b überwiegt, beginnt eine zunächst noch schwache Gasströmung durch
die Öffnung in b. Wird jetzt der Lichtbogen durch den nach unten bewegten Schaltstift
d auch in die Kammer b hineingezogen, so führt die Erwärmung in b zu einer weiteren
zusätzlichen Drucksteigerung; der Gasstrom durch die Öffnung wird stärker. In dem
- Augenblick, in dem der Strom von seinem unteren Minimum auf Null abfällt, nähert
sich auch der Druck in a rasch seinem Minimum, da sich der Gasinhalt von a abkühlt,
erstens durch die Expansion in dem Zylinder k durch die Rohre i, zweitens durch
Wärmeabgabe an die Kammerwand. Das Gas in der Kammer b strömt mit großer Geschwindigkeit
durch die Öffnung in der Kammer b; es spült die in der Öffnung vorhandenen ionisierten
Gase in die Kammer a und bildet in der Öffnung einen Gaspfropfen von
hoher
Durchschlagsfestigkeit. Gleichzeitig kühlt der Gasstrom die Fußpunkte des Licht
Bogens an den Kontakten c, d. Die nach dein Nullwerden des Stromes rasch ansteigende
Spannung, die zwischen den Kontakten c, e1 sich mit der Eigenfrequenz des Netzes
einschwingt, beansprucht die Gasstrecke zwischen den Kontakten auf Durchschlag.
Ist die Durchschlagsfestigkeit der Gasstrecke größer als die wiederkehrende Spannung,
dann ist der Schaltvorgang beendet. Im anderen Falle findet eine Neuzündung statt.
Die Grenze ist damit gegeben, däß bei der untersten Lage des Schaltstiftes der Schaltvorgang
beendet sein muß.
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Fig. 3 zeigt den wellenförmigen Verlauf des vom Lichtbogen erzeugten
überdruckesW: Vorausgesetzt, daß die Ausströmungsöffnung groß genug ist, sinkt der
Überdruck bis zum Stromnulldurchgang jedesmal auf den Wert Null. Die Höchstwerte
dieser Druckwellen nehmen mit wachsender Länge des Lichtbogens etwa nach einer Exponentiallsurve
zu; die in Fig. 3 strichpunktiert eingezeichnet ist. Der gesamte von der Kolbenbewegung
erzeugte DruckunterschiedD; bezogen auf die Unterbrechungsstrecke, ist ebenfalls
in Fig.3 dargestellt. Er hat einen gleichmäßigen Verlauf, ist jedoch nicht konstant,
sondern nimmt bei. Beginn der Schaltbewegung, von Null ausgehend, entsprechend der
veränderlichen Kolbengeschwindigkeit zu, bis er einen Höchstwert erreicht hat, von
dem aus er bis zum Ende der Kolbenbewegung wieder auf Null absinkt; Dadurch paßt
er sich dem oben beschriebenen Anstieg der Höchstwerte der von dem Lichtbogen erzeugten
Druckwellen W tvährend des ersten Teiles der Schaltbewegung, währenddessen der Lichtbogen
gelöscht wird, gut an. Nach Fig.3 ist der Druckunterschied D, annähernd ebenso hoch
wie die Höchstwerte der Druckwellen W. In -dem Augenblick; in welchem der Schaltstiftd
die öftnung zwischen den Kammern a und b gerade freigibt (dieser ist der
Anfangspunkt der Diagramme nach Fig.2 und 3), bildet sich aus .den gegeneinander
wirkenden Drükken W und D der resultierende Druckunterschied R. Dieser entspricht
der in Fig. 3 schraffierten Fläche und ist in Fig.2 nochmals eingezeichnet. Man
sieht, daß. der resultierende Druckunterschied zwischen den K ammern a und b und
damit auch die Ströinung an der Unterbrechungsstelle zur Zeit der Stromhöchstwerte
nahezu Null wird und während des Stromnulldurchgangs jedesmal einen Höchstwert erreicht.
Infolgedessen wird der Lichtbogen nach wenigen Halbwellen im Stromnulldurchgang
gelöscht, beispielsweise im Augenblick A beim zweiten Stroninulldurchgang nach Freigabe
der öffnung zwischen. den Kammern a und b. Nachdem der Lichtbogen
erloschen ist, wirkt nur noch die von dem Kolben .erzeugte Druckdifferenz D,. Sie
erzeugt eine Nachströmung noch unverbrauchten Löschmittels, durch welches die Unterbrechungsstrecke
von Ionen gesäubert und auf diese Weise rückzündsicher gemacht wird.
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Beim Wiedereinschalten hebt die Traverse den Kolben g in seine obere
Lage. Dabei kann .dem Kolben durch eine Feder m eine Voreilung gegeben werden, damit
der Kolben seine obere Endlage .erreicht; bevor sich die Kontakte c, d berühren,
daß beim Schalten auf bestehenden Kurzschluß der Hub des Kolbens unabhängig von
der erreichten Stellung der Traverse ist. Die Gasbewegung beim Einschalten bewirkt
keine wesentlichen Druckunterschiede in den Kammern, da die Öffnung während des
größten Teiles der Kolbenbewegung nicht durch den Schaltstift ausgefüllt ist. Es
kann aber auch .ein. Ventil z. B: in dem Kolben eingebaut werden, das sich beim
Hochgehen des Kolbens öffnet.
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Die Vorteile der beschriebenen Erfindung sind folgende: i. Es findet
kein dauernder starker Gasverbrauch statt, sondern nur ein Umlauf stets der gleichen
Gasmenge.
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2. Es ist möglich, die Schalteinrichtung mit wirksameren Gasen als
Luft zu betreiben ohne wesentliche Verteuerung.
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3. Es ist kein besonderer Kompressor notwendig; der für das Arbeiten
erforderliche Druckunterschied wird in der Schalteinrichtung selbst erzeugt a) durch
den Lichtbogen; b) durch die kinetische Energie der fallenden Traverse, c) durch
die dynamische Wirkung der Stromschleife.
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Die Löschung erfolgt zwangsläufig im natürlichen Minimum des Stromes,
daher wir d die Lichtbogenspannung nicht höher als bei dem frei brennenden Bogen.
Dadurch wird die Ionisierung der Schaltgase und -die Erwärmung der Kontakte klein,
also die Verhältnisse für die Wiederzündung des Bogens besonders ungünstig.
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Die Schalteinrichtung entwickelt keine Abgase, die Geräusche sind
wegen der relativ geringen Druckdifferenzen klein.
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6. Der gesamte Aufbau ist verhältnismäßig einfach.
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i. Weil man die ganze Schalteinrichtung dauernd unter Druck halten
kann, läßt sich eine hohe elektrische Festigkeit bei geringen Abmessungen erreichen,
B. Die Schalteinrichtung arbeitet unab-Iiängig von äußeren Einflüssen, z. B. Temperaturunterschieden-
in der Atmosphäre; sie läßt sich besonders leicht als Freiluftapparat ausführen,
da ihre wirkwichtigen Teile von Niederschlägen nicht hecinflußt werden.
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Das Prinzip der Schalteinrichtung läßt sich gleich gut auf beliebige Spannungen
und Stromstärken anwenden. Für sehr hohe Span nungen ist Mehrfachunterbrechung möglich.
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i o. Falls nur kleine Ausschaltleistung erforderlich, kann die Schalteinrichtung
ohne dauernden inneren überdruck betrieben werden; sie erfordert dann weniger Wartung
als ein ()lschalter und käme in dieser Form besonders als Ausläuferschalter in Frage.