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Einrichtung zum Betrieb von Funkenstrecken zur Umformung von Spannungen
Es ist bereits bekannt, Spannungen durch Funkenstrecken umzuformen. Eine solche
Umformung konnte aber bisher noch nicht mit größeren Stromstärken im praktischen
Betrieb durchgeführt werden, weil die bekannten Anordnungen den hohen Temperaturen
des Lichtbogens nicht gewachsen waren und weil eine regelmäßige Löschung des Lichtbogens
nicht möglich war.
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Man hat nun zwar bereits Funkenstreckenanordnungen verwendet, bei
denen die Elektroden, zwischen denen der Lichtbogen brennt, durch Luft gekühlt werden.
Ferner hat man zur Erleichterung der periodischen Löschung des Lichtbogens den Lichtbogenraum
in einer Druckgaskammer angeordnet, dessen Gas während des Löschvorganges auf einen
hohen Druck und während des Zündvörganges auf einen niedrigen Druck gebracht wurde.
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Alle diese Maßnahmen reichen aber, wie die Praxis gezeigt hat, :bei
weitem nicht aus. einen sicheren Betrieb ödes Lichtbogenstromrichters zu erhalten,
da trotz der Kühlung der Elektroden bei diesen Anordnungen der periodisch entstehende
Lichtbogen auf den Elektroden so heiße Fußpunkte erzeugt, daß die Rückschlagspannung
der Einrichtung sehr niedrig bleibt. Dies gilt auch für eine weitere -bekannte Anordnung,
bei der sowohl an der einen Elektrode als auch an der anderen Elektrode Gasdurchtrittsöffnungen
vorgesehen sind, dabei dieser bekannten Anordnung nur die eine Elektrode mit einer
sich zuerst verengenden und dann wieder erweiternden Gasaustrittsöffnung versehen
ist. Die andere Elektrode besitzt zwar, wie bereits erwähnt, ebenfalls Gasdurchtrittsöffnungen.
Die Gasdurchtrittsöffnungen sind aber derart in der Elektrode angeordnet, daß beim
Durchtritt des Gases durch diese Öffnungen lediglich eine Kühlung der Lichtbogenfußpunkte,
nicht aber eine Einhüllung des Lichtbogens durch die Gasströmung an beiden Elektroden
und eine Entfernung der Lichtbogenfußpunkte aus dem Gebiet, in dem beim Auftreten
der Sperrspannung eine besonders hohe Feldstärke herrscht, erzielt wird.
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Die Erfindung vermeidet alle den bekannten Anordnungen anhaftenden
Nachteile bei einer Einrichtung zum Betrieb von Funkenstrecken zur Umformung von
Spannungen, bei der sich der Lichtbogen in einer Druckkammer befindet, in der Gas
unter Überdruck ein- und ausströmt. - Die Erfindung besteht darin, daß ,der Ein-
oder Austritt des Gases . durch sich zuerst verengende, dann wieder erweiternde
düsenförmige Öffnungen an jeder Elektrode erfolgt, wobei der Lichtbogen von dem
durch die Düsen an den beiden Elektroden strömenden Gas eingehüllt wird, und daß
diese düsenförmigen Gasein- und -austrittsöffnungen so ausgebildet und angeordnet
sind, daß durch die Gasströmung die Lichtbogenfußpunkte an beiden Elektroden aus
dem Gebiet
entfernt werden, in dem beim Auftreten der Sperrspannung
eine besonders hohe Feldstärke herrscht.
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Die Erfindung ist in der Zeichnung in zwei Ausführungsbeispielen veranschaulicht.
In derAbb. i ist die aus Isolierstoff bestehende Druckgaskammer mit J bezeichnet.
In der Druckgaskammer J sind die Elektroden A und B befestigt. Dadurch, daß der
Lichtbogen in einem solchen Hohlkörper unter Überdruck brennt, läßt sich erreichen,
daß die beiden Elektroden in geeigneter Weise von einen Druckgäs umspült werden
und daß der Elektrodenabstand auch bei einer sehr hohen Spannung nicht zu groß wird.
Hierbei muß man auf die Luftströmung an den Fußpunkten des Lichtbogens ganz besonders
achten. Durch eine geeignete Anordnung der Luftströmung kann man. nämlich erreichen,
daß der Lichtbogenfußpunkt beim Löschen aus dem Gebiet entfernt wird, in dem beim
Auftreten der Sperrspannung eine hohe Feldstärke herrscht.
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Bei der in Abb. i dargestellten Ausführungsform der Erfindung wird
die Druckluft bei D zugeführt und strömt durch die zwischen der Isolierplatte C
und der zylindrischen Elektrode :I bestehende düsenförmige Öffnung in den Hohlraum
E. Im Hohlraum E -
wird dadurch ein Überdruck erzeugt. Iiifolg@ dieses Überdruckes
strömt das Gas durch die zentrale Öffnung der Plattenelektrode B ins Freie. L stellt
den Leitungsanschluß an der Platte B dar.
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Wird zwischen der Elektrode A und der Elektrode B durch eine hohe
Spannung ein Überschlag eingeleitet, so erfolgt dieser nach den normalen Gesetzen
der elektrischen Festigkeit zwischen dem Punkt F der Elektrode A und der Plattenelektrode
B. Durch die Luftströmung, die am Punkt F der Elektrode _=i besonders stark ist,
wird der Lichtbogenfußpunkt nach dem ebenen Teil der Elektrode A, also nach dem
Punkt G hingetrieben, das heilt also, der auf der Elektrode.4 befindliche Lichtbogenfußpunkt
wird durch die Gasströmung aus .dem Gebiet entfernt, in dem beim Auftreten der Sperrspannung
eine hohe Feldstärke herrscht. An der Elektrode B treibt die Luft den Lichtbogen
nach der Öffnung dieser Elektrode hin. Der Lichtbogenfußpunkt der Elektrode B wandert
also zwangsläufig in die Öffnung der Platte B hinein und wird durch die düsenförmige
Gestalt dieser Öffnung sehr rasch von H hin nach IL getrieben. Geht der Lichtbogenstrom
nun durch Null, so reißt der Lichtbogen ab, denn die für eine erneute Zündung in
Frage kommenden Elektrodengebiete F und H, d. h. also die Gebiete besonders hoher
Feldstärke, sind inzwischen durch den Luftstrom ab-,2-kühlt worden, und in ihrer
Nähe befinden sich keine freien Elektrizitätsteilchen mehr.
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Bei dem in der Abb. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel brennt der
Lichtbogen ini Innern eines Hohlkörpers (Druckgaskammer) lI. In der Kammer JI sind
die Elektroden P und O befestigt. Bei dem in der Abb. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel
wird die Druckluft bei N zugeführt und strömt in die Kammer 1I und erzeugt hier
einen Vberdruck. Infolge dieses Überdruckes strömt die Druckluft bzw. das Druckgas
durch zentrale Öffnungen der Elektroden P und Q ins Freie. Wird zwischen
P und Q durch eine hohe Spannung ein überschlag eingeleitet, so erfolgt dieser zwischen
Punkten der beiden Elektroden P und Q, welche den geringsten Abstand voneinander
haben. Von diesen Punkten wandert der Lichtbogen infolge der an diesen Stellen besonders
starken Luftströmung nach den weiten Düsenausgängen, also beispielsweise bei der
Elektrode Q von dein Punkt R nach dem Punkt S. Durch das doppelseitige Abblasen
wird der Lichtbogen so weit verlängert, daß er mit aSicherheit beim Nulldurchgang
des Stromes abreißt. Eine erneute Zündung des Lichtbogens tritt nicht ein, weil
die für eine solche Zündung in Frage kommenden Elektrodengebiete (Gebiete mit hoher
Feldstärke), d. 1i. die Punkte der Elektroden P und O, an denen die Zündung des
Lichtbogens erfolgte, den Lichtbogen nur sehr kurze Zeit geführt haben, inzwischen
durch den Luft- (Gas-) Strom abgekühlt worden sind und in ihrer Nähe sich keine
freien Elektrizitätsteilchen mehr befinden, da die Lichtbogenfußpunkte, wie oben
beschrieben wurde, sich nicht mehr in diesem Gebiet mit hoher Feldstärke aufhalten.
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Bei dem in der Abb.2 veranschaulichten Ausführungsbeispiel werden
die Elektroden P und Q durch Metallplatten Z' getragen. Die Metallplatten T sind
in dem Isolierstoffmantel der Kammer dl befestigt. Die Elektroden P und Q können
in den Platten T verstellt werden. Im Bedarfsfalle ist auch eine periodische
Bewegung der Elektroden möglich. Der Mantel der Druckkammer 11I muß bei hohen Spannungen
derart ausgebildet werden, daß der Überschlag über ihn hinweg erst bei sehr hoher
Spannung eintritt. An den Punkten lY kann der Anschluß der elektrischen Zuleitungen
erfolgen.
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Die Gestalt und die Luftführung an den Düsen ist so zu bestimmen,
daß die Erwärmung an allen denjenigen Punkten, die der Lichtbogen berührt, möglichst
gleich groß ist und daß der Lichtbogen alle Punkte des Umfanges gleichmäßig berührt.
Diese gleichmäßige Berührung des Umfanges kann durch eine schraubenförmige Luftbewegung
erreicht
werden. Der Lichtbogenwi.derstand hängt von seiner Länge
ab. Man wird daher die Luftbewegung nur so stark machen, als es zur Kühlung und
Lichtbogenlöschung nötig ist, da sonst der Wirkungsgrad der Anordnung unnötig verkleinert
wird. Durch eine starke Erwärmung der Elektroden in der Gegend, in der .die Zündung
erfolgt, wird andererseits die Zündspannung herabgesetzt, so daß eine zu starke
Schwächung der Luftströmung eine Herabsetzung des Sicherheitsgrades bedeutet. Es
kann von Vorteil sein, den Luftdruck während des Betriebes je nach der Belastung
einzustellen, um den Wirkungsgrad bei jeder Belastung möglichst hoch zu machen und
um an Preßluft zu spanen. Für den Fall, daß starke Überströme oder Kurzschlüsse
auftreten, kann der Druck der zugeführten Luft so rasch wie möglich auf einen sehr
hohen Betrag gebracht werden, um auch einen Kurzschlußstrom mit Sicherheit zu löschen.
Unterbricht man gleichzeitig .die bei den Umformungsschaltungen gewöhnlich vorhandene
elektrische Hilfszündung, so wird der Kurzschlußstrom nicht erneut entstehen können.
Um den Druck plötzlich erhöhen zu können, kann man einen Druckluftkessel mit hohem
Druck in der Nähe .der Düse aufstellen, dessen Zuleitung zur Düse bei hohem Überstrom
selbsttätig geöffnet wird. Auch die Abschaltung der Hilfszündung kann durch ein
Relais betätigt werden, das vom Überstrom beeinflußt wird.
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Um die Wirkung der Düse zu regeln, können erfindungsgemäß in die Luftzufuhr-
oder in die -austrittsöffnungen Drosselorgane eingebaut werden, die die Druckluft
steuern. Die Steuerung wird am günstigsten derart erfolgen, daß während der Zündung
des Lichtbogens in an sich bekannter Weise ein geringer Druck herrscht, um die 7,ündspannung
zu erniedrigen, -daß während des Brennens des Lichtbogens eine mittlere Luftgeschwindigkeit
herrscht, die den Lichtbogen mit der erwünschten Geschwindigkeit durch die Düsen
hinausbläst, um einen Elektrodenabbrand zu verhindern, daß im Augenblick des Löschens
-die .größte Geschwindigkeit der Luft erreicht wird und daß während der höchsten
Spannungsbeanspruchung der Anordnung der Druck in der Düse am höchstes: ist. ' Zur
Erniedrigung der Zündspannung und Erhöhung der Rückschlagspannung kann den Elektroden
eine stark ungleiche Form gegeben werden. Die Formgebung ist so zu wählen, daß die
während der Zündung positive Elektrode stark gekrümmt ist und daß die während der
Rückzündung positive Elektrode große Krümmungsradien besitzt. An sich ist es bereits
bekannt, zur Erzielunz eines Polaritätsunterschiedes verschieden geformte Elektroden
(Spitze, Platte) zu verwenden.
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Besonders wichtig ist für einen Dauerbetrieb mit hoher Stromstärke
die Verhinderung der Zerstörung der Elektroden durch den Lichtbogen. Um eine solche
Zerstörung zu verhindern, ist es zweckmäßig, die Elektroden durch eine umlaufende
Flüssigkeit zu kühlen. In der Abb. 2 ist eine solche Kühlung schematisch angegeben.
Durch die Rohre U kann eine Kühlflüssigkeit zugeleitet und durch die Rohre h wieder
abgeleitet werden. Die Anordnung muß hierbei aber so getroffen werden, daß durch
die Zuleitungen der Kühlflüssigkeit nur geringe elektrische Ströme zur Erde fließen.
Größte Kühlung und geringer Elektrodenabbrand können ferner durch die Beschaffenheit
des Druckgases erreicht werden. Wenn als Druckgas ein wertvolles Gas benutzt werden
soll, so empfiehlt es sich, das Gas nach seiner Verwendung rückzukühlen und dann
der Druckkammer wieder zuzuführen. Die Elektroden müssen ferner insbesondere an
denjenigen Stellen, die dem Lichtbogen ausgesetzt sind, aus einem Metall mit größter
Wärmeleitfähigkeit und hoher Temperaturbeständigkeit ausgeführt werden. Eine intensive
Kühlung kann auch dadurch erreicht werden, daß das Druckgas in der Druckkammer stark
expandiert und dadurch unterkühlt wird. Man kann auch einen gesättigten Dampf in
der Drucklcammer expandieren lassen, um dadurch zugleich die bekannte, lichtbogenlöschende
Wirkung eines expandierenden, gesättigten Dampfes auszunutzen. Im übrigen kann auch,
dies sei nur nebenbei erwähnt, im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Anordnung
die chemische Reaktionsfähigkeit des elektrischen Lichtbogens, beispielsweise zur
Erzeugung von Stickstoff, benutzt werden.