DE718670C - Elektrischer Stromunterbrecher - Google Patents

Description

DEUTSCHES REICH

AUSGEGEBEN AM
18. MÄRZ 1942

REiCHSPATENTAMT

PATENTSCHRIFT

JVi 718670 KLASSE 21c GRUPPE 35

L 9586p VIIIb/21 c

Chauncey G. Suits in Schenectady, Neuyork, V. St. A.,

ist als Erfinder genannt worden.

Allgemeine Elektricitäts-Gesellschaft in Berlin Elektrischer Stromunterbrecher

Patentiert im Deutschen Reich vom 15. Oktober 1938 an Patenterteilung bekanntgemacht am 26. Februar 1942

ist in Anspruch genommen.

Den Abschaltlichtbogen elektrischer Stromunterbrecher, insbesondere von Hochspannungsschaltern und Sicherungen, hat man bisher unter Öl oder durch ein strömendes Löschmittel, wie Druckluft, gelöscht. Solche Einrichtungen erfordern besondere Maßnahmen, um die Entzündung des Öls zu verhindern, und bedingen, falls es sich um ein strömendes Löschmittel, wie Druckgas, handelt, eine geeignete Anlage zur Vendichtung und Einführung des Löschmittels in die Lichtbogenstrecke. Zur A^ereinfachung des Schalters sucht man deshalb nach einem Löschmittel, das möglichst vom Schalter bzw. vom Lichtbogen selbst erzeugt wird und die Wartung des Schalters erleichtert.

Bei elektrischen Funken und Überschlägen hat man nun die Erzeugung von Schallwellen großer Stärke festgestellt. Diese Schallwellen rufen eine Druckwelle in der Umgebungsluft hervor, die sich mit hoher Geschwindigkeit fortpflanzt; z. B. bildet sich in der unmittelbaren Nähe eines explodierenden Drahtes ein Überdruck von 40 atü aus. Nach der Erfindung läßt man die durch Schall erzeugten Druckwellen unmittelbar auf den Lichtbogen auf treffen und beeinflußt so den Beharrungszustand der Lichtbogensäule. Durch diese Druckwellen wird der Lichtbogen ausgelenkt und schließlich unter gleichzeitiger Kühlung durch die hierbei auftretende Luftströmung gelöscht. Als besonders geeignet erwiesen sich Schallwellen mit steiler Wellenstirn.

Die durch Schall erzeugten Druckwellen verlassen den Sender mit hoher Geschwindigkeit und werden allmählich gedämpft. Die Frequenz dieser Wellen kann beliebig sein und wird im wesentlichen ebenso wie der Luftdruck durch die Eigenart des Senders be-

stimmt. Die Wellenstirn kann man als Überlagerung von zwei Druckwellen auffassen, wovon die Grundwelle mit einer Geschwindigkeit von etwa 331 m/Sek. (bei o° C) schwingt. während die zweite Welle durch den Druckstoß des erhitzten Luftkörpers in der Umgebung der Überschlagsstrecke entsteht, der sich zwar rasch, doch mit gedämpfter Amplitude ausbreitet.

Sobald man solche Druckwellen gegen einen Lichtbogen anlaufen läßt, beginnt der Bogen zu flackern. Im Lichtbild kann man dabei die einzelnen Wellenzonen in der Bogenumgebung einwandfrei nachweisen. Eingehende Versuche zeigten, daß solche Druckwellen die Löschung des Lichtbogens ganz wesentlich beschleunigen; dieses Ergebnis gilt allgemein sowohl für den Gleich- wie Wechselstromlichtbogen in Luft. Im Oszillogramm springt die Lichtbogenspannung steil an, worauf der Lichtbogen erlischt.

Z. B. erfolgte die Löschung bei einem Gleichstromlichtbogen von 40 Ampere und 600 Volt Betriebsspannung, der mit 1 cm Länge zwischen zwei Kohlenelektroden brannte, ohne Abweichungen jedesmal nach dem Auftreffen einer Schallwelle, die von einer Kugelfunkenstrecke mit 2 μ¥ Kapazität ausging. Die Kugelfunkenstrecke wurde mit 20 kV gespeist und arbeitet mit mindestens 100 kHz. Die Löschwirkung läßt sich noch steigern, wenn man die Druckwelle mittels eines geeigneten Rückstrahlers, z. B. mit einem Schallbecher, genau auf den Lichtbogen richtet. Statt des Rückstrahlers kann man die Richtung der Wellen auch durch die Reihenordnung von Sender und Schaltstrecke innerhalb eines Rohres herbeiführen.

Auch die Erzeugung dieser Druckwellen in der Lichtbogenstrecke selbst macht keine Schwierigkeiten. Hierzu wird eine Hilfselektrode mit wenigen Millimetern Abstand von einer der beiden Schaltkontakte vorgesehen und von einem Hochspannungskreis gespeist, so daß der Überschlag zwischen der Hilfselektrode und einem Schaltkontakt eintritt. Hierbei bildet sich eine kräftige Druckwelle, die sich nach allen Richtungen ausbreitet und die Lichtbogensäule durchdringt. Der größte Teil der Überschlagsleistung setzt sich in Schall um; bekanntlich sind ja kräftige Überschläge die verlustarmste Umformung \*on elektrischer Leistung in Schalleistung. Die Einrichtung arbeitet deshalb mit einem hohen Wirkungsgrad.

Die einzelnen Möglichkeiten der bekannten Anwendung der Schallwelle zur Lichtbogenlöschung sind auf der Zeichnung in den Abb. 1 bis 6 dargestellt.

öo In Abb. ι hat der eine der beiden Schaltkontakte 2 Düsenform 8. Der bewegliche Kontakt 3 wird in beliebiger Weise elektrisch oder pneumatisch geschaltet und kann z. B. bei 4 gelenkig gelagert sein. Innerhalb der Düse 8 des Schaltkontaktes 2 ruht isoliert die Hilfselektrode 6; ihr Anschluß 5 führt an die Oberspannungsseite des Umspanners 7, dessen zweite Sekundärklemme am Schaltkontakt 6 angeschlossen ist. Die Unterspannungsseite des Umspanners 7 wird mit der Last und dem Schalter in Reihe von einer Wechselstromquelle gespeist.

Beim Öffnen der beiden Schaltkontakte 2, 3 entsteht in der Oberspannungswicklung 7 ein hoher Spannungsstoß, der zum Überschlag zwischen der Hilfselektrode 6 und dem Schaltkontakt 2 führt. Die Funkengröße steht dabei in einem unmittelbaren Zusammenhang mit dem Abschaltstrom. Die durch den Schall entstehende Druckweile wird durch die Düse 8 auf den Lichtbogen gerichtet und löscht ihn im Nulldurchgang.

Die Richtung der Druckwelle kann man natürlich mit den verschiedensten Mitteln erzielen. So kann man am Kontakt 2 einen Rückstrahler vorsehen, der die Druckwellen durch die Düse 8 auf ganz bestimmte Stellen der Lichtbogensäule richtet. Man kann die Funkenstrecke vom Schaltkontakt 2 auch völlig trennen, um die Druckwellen quer zum Lichtbogen auftreffen zu lassen.

Die Druckwellenerzeugung läuft natürlich völlig synchron mit der Kontakttrennung und findet mit der Lichtbogenlöschung sofort ihr Ende. Bei der Erfindung ist diese Bedingung besonders einfach und wirkungsvoll gesichert, da bei der Lichtbogenlöschung kein entzündbares Löschmittel zur Anwendung kommt. Damit entfällt auch eine besondere Wartung wie z.B. bei Ölschaltern o. dgl.; bei der Erfindung muß man nur mit dem Knall des Überschlages rechnen.

In Abb. 2 speist der Gleichstromgenerator 9 über den Schalter 10, 11 und die Unterspannungswicklung am Umspanner 13 die Last. Parallel zum Generator 9 liegen die von der Funkenstrecke 14 überbrückte Oberspannungswicklung des Umspanners, die Knallfunkenstrecke 15 und der veränderliche Ladewiderstand 12' in Reihe. Zu beiden Funkenstrecken 14, 15 liegt schließlich noch die Kapazität 16 parallel. Die Funkenstrecke 15 liegt dabei unmittelbar der Schaltstrecke 17 gegenüber und hat einen Rückstrahler 18 zur Richtung der Schallwellen.

Mit der Öffnung der Schaltkontakte bringt der in der Oberspannungswicklung induzierte hohe Spannungsstoß die Funkenstrecke 14 zum Ansprechen, der die Knallfunkensirecke 15 sofort folgt. Die entsprechend dem Laststrom bemessene Kapazität 16 bedingt dabei die hohe Frequenz des Überschlages.

718 67Ö

Abb. 3 zeigt die Funkenstrecke im einzelnen. Die Elektrode 23 ist mittels eines Gewindes 24 verstellbar in der Leiste 19 gelagert, die durch die Stützen 20 gegen eine zweite Leiste isoliert ist. Die Gegenelektrode 22' ruht dabei in einer Isolierscheibe 21" und trägt eine weitere Elektrode 22, die von einer Haube 21 mit der Öffnung 21' überdeckt ist. Die Haube 21 und die Elektrode 22 bilden dabei die eigentliche Knallfunkenstrecke, deren Druckwellen durch die Mündung 21' auf den Lichtbogen gerichtet wenden.

In Abb. 4 sind Stromquelle, Schalter und Last wie in Abb. 2 geschaltet. Die Stromquelle wind dabei wieder über die Leitung 26 - von einem veränderlichen Ladewiderstand 26' in Reihe mit der Kapazität 27 überbrückt. Die Kapazität 2j entlädt sich über die Funkenstrecke 28 mit Rückstrahler 30, sobald der Kontakt 11 den Kontakt 29 schließt. Zur Spannungssteuerung an der Funkenstrecke kann dabei ein hochohmiger Widerstand 31 dienen. Der Kontakt 29 muß natürlich sehr rasch schließen.

Als Sender kann entsprechend Abb. 5 auch ein anderer Knallerzeuger benutzt werden. Der Schaltkontakt 11 schließt z.B. mit dem Schalter 34 den Zündkreis 33, wobei eine Knallkapsel 32 anspricht. Die Knallkapsel liegt im Rohr 35, das als Druckrichter arbeitet. Als Knallkapsel kann z. B. die bei Dynamitladungen übliche Zündladung oder eine ähnliche Ladung dienen. Versuche haben dabei gezeigt, daß der Lichtbogen hauptsächlich von der im Rohr 35 reflektierten Wellenstirn gelöscht wird, eine entsprechende Bemessung des Rohres vorausgesetzt, und nicht durch die Zündgase der Knallkapsel.

Man kann die Erfindung auch beim Löschrohrschalter anwenden, wie Abb. 6 zeigt. Der Lastkreis ist in 36 und 37 angeschlossen, wobei zwischen den Elektroden 37, 38 und 39 jeweils eine Funkenstrecke entsteht. Die Funkenstrecke 38, 39 ist vom Isolierrohr 40 umschlossen und kann ihre Druckwellen nur über die Mündung 38' in die Funkenstrecke 37, 38 ausstrahlen. Die Funkenstrecke 37, 38 ist als Schaltstrecke gedacht und wird durch die der Mündung 38' entweichenden Schallwellen unterbrochen.

Auch auf Sicherungen läßt sich die Erfindung anwenden (Abb. 7). In das Isoliergehäuse 41 sind die Anschlüsse 42, 43 eingeführt, die vom Schmelzdraht 47, der durch zwei Kammern 45, 46 läuft, überbrückt werden. Die Kammern entstehen durch die Zwischenwand 44. Eine Knallkapsel 48 in der Kammer 45 erzeugt die Druckwellen und löscht hierdurch den in der Kammer 46 durch eine entsprechende Drahtbemessung entständenen Lichtbogen. Die Knallkapsel 48 spricht mit dem Durchbrennen der Sicherung oder bei einer bestimmten Innenhitze an. Der Druck wird dabei durch die Öffnung 41', 44' gerichtet und vom Lichtbogen selbst refLektiert. Auch hier ist die Ursache der Löschung mehr im Schalldruck als in den Zündgasen zu suchen.

Claims (11)

Patentansprüche:

1. Elektrischer Stromunterbrecher, insbesondere Hochspannungsschalter und Sicherung, dadurch gekennzeichnet, daß zur Lichtbogenlöschung durch Schall erzeugte Druckwellen verwendet werden.

2. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schallwellen hohe Frequenz haben.

3. Schalter nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß Ultraschall verwendet wird.

4. Schalter nach Anspruch 1 bi,s 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schallwellen von einer Knallfunkenstrecke erzeugt werden.

5. Schalter nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Knallfunkenstrecke aus dem Lastkreis gespeist wird. '

6. Schalter nach Anspruch 1 bis S, dadurch gekennzeichnet, daß die Speisung über einen hochübersetzten Umspanner erfolgt.

7. Schalter nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Knallfunkenstrecke erst nach einer Hilfsfunkenstrecke anspricht, die die Oberspannungswicklung des Umspanners überbrückt.

8. Schalter nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu der Funkenstrecke ein Ladekondensator liegt.

9. Schalter nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung der Knallfunkenstrecke durch einen hochohmigen Widerstand erhöht wird.

10. Schalter nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckwellen von einer Knallkapsel mit explosiver Ladung erzeugt werden.

11. Schalter nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckwellen durch einen Rückstrahler, insbesondere einen Becher, ein Rohr, auf den Lichtbogen.bzw. auf eine bestimmte Lichtbogenstelle gerichtet werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen