-
Funkenstreckenanordnung für Lichtbogenstromrichter, Schalter od. dgl.
Zur Umformung sehr hoher Spannungen sind bereits Anordnungen angegeben worden, in
denen der zur Umformung nötige periodische Stromdurchlaß durch künstlich gezündete
Lichtbogen zwischen Metallelektroden ermöglicht wird. Hierbei entstehen die Lichtbogen
zwischen zwei Punkten der Elektrodenflächen und wandern durch eine Luftströmung
zu den in der Mitte der Elektroden befindlichen Luftausströmöffnungen. Die Luftströmung
treibt dann die Fußpunkte der Lichtbögen durch die Luftausströmöffnungen in ein
Gebiet ohne elektrische Beanspruchung.
-
Die wichtigsten Gesichtspunkte für eine Einrichtung zur Hochspannungsumformung
sind die mit dieser Einrichtung erzielbare Sperrfähigkeit und die bei der Umformung
auftretenden Verluste. Bei den obenerwähnten Einrichtungen zur Umformung hoher Spannungen
(Lichtbogenstromrichter) läßt sich die Sperrfähigkeit dadurch sehr hoch halten,
daß die zwischen den Elektroden und vor allem in dem Gebiet, in dem ein Rückschlag
zu erwarten ist, durch den Lichtbogen erzeugten Erscheinungen, nämlich Erwärmung
und Ionisation, durch eine Gasströmung entfernt werden. Verbleiben erwärmte oder
ionisierte Gasteilchen nach dem Verlöschen in dem Gebiet zwischen den Elektroden,
dann wird durch diese die Sperrfähigkeit herabgesetzt. Es muß also die Gasströmung
dafür sorgen, daß eine möglichst restlose und sofortige Reinigung des Überschlaggebietes
ohne Erhöhung des gesamten Spannungsabfalles und damit der Verluste erfolgt.
-
Es ist nun bereits bei Schaltern bekannt, zum Zwecke des Löschens
des Lichtbogens und der raschen Entionisierung des Lichtbogenraumes
zwischen
den Kontakten Platten vorzusehen, durch die eine Flüssigkeit oder ein Gas radial
dem Lichtbogenraum zugeführt und dann axial auf die Kontakte zu aus dem Lichtbogenraum
abgeführt wird. Die bekannte Anordnung hat aber den Nachteil, daß die Löschung des
Lichtbogens nur von dem Gesichtspunkt der Entionisierung des Lichtbogenraumes und
nicht von dem Gesichtspunkt der möglichst raschen Entfernung der Lichtbogenreste
aus dem Lichtbogenraum betrachtet wird. Dementsprechend fehlen bei der bekannten
Anordnung auch Maßnahmen, die in der Lage wären, innerhalb des Lichtbogenraumes
und insbesondere in der Nähe der Lichtbogenfußpunkte eine hohe Strömungsgeschwindigkeit
des Löschmittels zu erzeugen.
-
Die Erfindung vermeidet diese Nachteile der bekannten Lichtbogenstromrichter,
Schalter od. dgl., insbesondere bei Funkenstreckenanordnungen, bei denen der annähernd
mittelachsig brennende Lichtbogen durch eine oder mehrere Gasströmungen, die am
Lichtbogen entlang strömen und ihn umhüllen, gelöscht wird. Die Erfindung besteht
darin, daß an beiden Elektroden oder Elektrodenträgern Hauben aus leitendem oder
nichtleitendem Stoff angebracht sind, die mit je einer Öffnung versehen sind, durch
welche der Lichtbogen und die Gasströmung etwa in der Lichtbogenachsrichtung von
einer Seite der Haube zur anderen hindurchtreten und die, gegebenenfalls unter Verwendung
zusätzlicher Führungsteile oder Absauge- bzw. Einblasevorrichtungen, mit den den
Lichtbogen in der Hauptsache führenden Elektroden so zusammenwirken, daß der konzentrierte
Gasstrahl nach Durchlaufen des engsten Abströmquerschnittes bei möglichst rascher
Verminderung der Gasgeschwindigkeit zerstört wird und die leitenden Gasteilchen
nicht durch den Gasstrahl fortgeschleudert, sondern in die Nähe der Metallteile
gedrückt werden und dabei eine gute Reinigung des Rückzündgebietes von Lichtbogenresten
erzielt wird.
-
Die Erfindung ist in der Zeichnung in mehreren Ausführungsbeispielen
veranschaulicht, wobei der Einfachheit halber nur die zur Erklärung der Erfindung
nötigen Teile einer Lichtbogenlöscheinrichtung dargestellt sind.
-
In der Fig. i ist die Gasströmung durch Pfeile angedeutet. Der Lichtbogen
entsteht periodisch zwischen den nächstliegenden Teilen der Elektroden T, die bei
dem dargestellten Ausführungsbeispiel als Elektrodenhauben ausgebildet sind. Der
Lichtbogen wird durch die Gasströmung mitgenommen, und seine Fußpunkte werden durch
die beiden AusströmöfFnungen der Elektrodenhauben hinausgeblasen. Hierbei ist zu
beachten, daß die Gasströmung sich nicht von der Elektrodenoberfläche ablöst, wie
dies bei den bereits bekannten Hohlelektroden für Stromrichter, bei denen die Mittelelektroden
D nicht vorhanden waren, der Fall war. Löst sich die Gasströmung nämlich in dem
Gebiet, in dem sich die Abströmöffnungen wieder erweitern, ab, dann schießt die
Gasströmung als konzentrierter Strahl mit großer Geschwindigkeit durch den engsten
Querschnitt der düsenförmigen Elektroden hindurch. Der Querschnitt dieses in rascher
Bewegung befindlichen Gasstrahles erweitert sich nur ganz allmählich, und es können
sich infolgedessen zwischen diesem Gasstrahl und den Elektroden Gebiete mit Wirbeln
bilden. Die beiden Enden des Lichtbogens, die durch die düsenförmigen Öffnungen
an den Elektrodenhauben I hinausgeblasen werden, sind zunächst dem in sehr rascher
Bewegung befindlichen Gasstrom ausgesetzt. Ein Lichtbogen wird bekanntlich außerordentlich
leicht durch Gasströmungen mitgenommen. Andererseits hat er das Bestreben, einen
möglichst kurzen Weg zwischen den Elektroden einzuschlagen. Werden hier keine besonderen
Mittel angewandt, um die große Geschwindigkeit des durch die Ausströmöffnungen der
Elektroden hindurchströmenden Gases rasch herabzusetzen, dann tritt eine starke
Längung und eine durch größere Wärmeabfuhr bedingte Erhöhung der mittleren Feldstärke
des Lichtbogens hinter dem engsten Querschnitt der Ausströmöffnungen ein. Beides
bewirkt eine starke Erhöhung des gesamten Spannungsabfalles und damit der Verluste.
Erfindungsgemäß wird dieser Nachteil dadurch beseitigt, daß man den konzentrierten
Gasstrahl nach dem Durchlaufen des engsten Ausströmquerschnittes zerstört und zugleich
die Gasgeschwindigkeit möglichst rasch vermindert. Das kann beispielsweise dadurch
geschehen, daß dem Gasstrom ein fester Körper (Gegenkörper) entgegengestellt wird
(s. die Körper D in Fig. i). Durch das Aufprallen des Luftstromes auf den Gegenkörper
werden die Geschwindigkeit der Luft und ihre Richtung so geändert, daß die Erhöhung
des Spannungsabfalles nicht mehr oder nur noch in geringem Maße eintreten kann.
Dies wird noch besonders dadurch unterstützt, daß die leitenden Gasteile nicht durch
den Luftstrahl fortgeschleudert werden, sondern in die Nähe der Metallteile, aber
außerhalb des eigentlichen Lichtbogenraumes, gedrückt werden. Die Form des Gegenkörpers
D ist den jeweiligen Betriebsbedingungen anzupassen.
-
Der Gegenkörper D oder ein der Ausströmöffnung gegenüber befindlicher
Teil des Gegenkörpers D kann erfindungsgemäß aus Metall bestehen, das mit der Elektrodenhaube
T leitend verbunden ist. In diesem Fall wird dann der Lichtbogen, der mit den leitenden
Gasteilen gegen die Gegenkörper D geschleudert wird, auf dem Gegenkörper D Fuß fassen
und ohne wesentliche Verlängerung von der Mittelachse aus nach außen wandern. Eine
derartige Anordnung hat im übrigen den besonderen Vorteil, daß dem Lichtbogen zu
beiden Seiten seines Kanals Gelegenheit gegeben ist, sich an Metall anzuschmiegen.
Der Gegenkörper D wird damit zu einem Teil der Elektrode J.
-
Der Gegenkörper D kann, sofern er ganz oder teilweise aus Metall besteht,
erfindungsgemäß als Hauptelektrode verwendet werden. Es sind dann die bekannten
Mittel zur Verminderung des Abbrandes
auf den Gegenkörper D anzuwenden.
Zum Beispiel kann auf dem Gegenkörper D die eigentliche Lichtbogenlauffläche aus
einem ringförmig gebogenen Rohr bestehen, das von einem Eisenstab getragen wird.
Dieser Eisenstab kann zugleich zur Führung eines magnetischen Ablenkflusses benutzt
werden. Der bisherige Elektrodenteil J dient dann nur zur Zündung und zur Schirmung
der heißen Hauptelektrode (Gegenpolelektrode D), die damit dem Feld der zu sperrenden
Spannung entrückt ist. Der Elektrodenteil J wird dann nur sehr kurzzeitig durch
den Lichtbogen beansprucht und braucht unter Umständen nicht durch besondere Mittel
vor Abbrand geschützt zu werden. Man kann die Schirmelektrode J nunmehr auch aus
Isolierstoff herstellen. Sofern die Schirmelektrode J gleichzeitig zur Zündung des
Lichtbogens verwendet werden soll, muß allerdings wenigstens ein Teil der Schirmelektrode
J aus Metall bestehen.
-
Wie Fig. i zeigt, stehen die Mittelelektroden D in einem Abstand von
den Hauben J, der etwa ebenso groß ist wie der Durchmesser der Ausströmöffnungen
in den Hauben J. Wenn dieser Abstand zu groß ist, kann die oben beschriebene Wirkung
der Zerteilung und Ablenkung des Gasstromes nicht eintreten. Ferner wird bei einem
zu großen Abstand die Gasgeschwindigkeit in der Nähe der Lichtbogenfußpunkte, auf
die es besonders ankommt, nicht genügend hoch. Wie Fig. i sowie die noch zu beschreibenden
Fig. 2 und 3 zeigen, liegt der kleinste für die Gasströmung zur Verfügung stehende
Querschnitt in den Durchströmöffnungen der Elektrodenhauben vor. An diesen Stellen
besteht dementsprechend auch die höchste Gasgeschwindigkeit, so daß das Gas in der
Nähe der Lichtbogenfußpunkte besonders rasch strömt. Schließlich würde ein zu großer
Abstand zwischen den Mittelelektroden während der Lichtbogenlöschung auch eine unnötig
hohe Lichtbogenspannung zur Folge haben, da ja die Lichtbogenspannung annähernd
proportional der Lichtbogenlänge ist. Wie bereits ausgeführt wurde, ist es besonders
wichtig, die Lichtbogenspannung während der Löschung klein zu halten, um die Löschfähigkeit
der Anordnung zu erhöhen und die Verluste klein zu halten.
-
Ein weiteres Mittel, um die Strömungsgeschwindigkeit des Gases zu
vermindern und dadurch unnötige Spannungsabfälle und Verluste zu vermeiden, besteht
erfindungsgemäß darin, daß dort, wo der Strömungsquerschnitt sich stark erweitert
und wo sich Wirbel bilden, eine Grenzschichtabsaugung oder ein Wegblasen dieser
Grenzschicht vorgenommen wird. Zu diesem Zweck werden erfindungsgemäß Absauge- oder
Einblasevorrichtungen an den gefährdeten Stellen vorgesehen.
-
Um die notwendige Regelmäßigkeit bei der Wanderung des Lichtbogens
zu erzielen, ist es zweckmäßig, daß das zuströmende Druckgas von allen Seiten gleichmäßig
zum eigentlichen Lichtbogenraum wandert. Eine solche gleichmäßige Strömung läßt
sich erfindungsgemäß durch den Führungsteil A sowie durch Siebe
B erzielen. Diese Teile müssen natürlich so aufgestellt werden, daß durch
sie die Durchschlagspannung zwischen den Elektroden nicht oder nur in sehr geringem
Maße herabgesetzt wird. Bringt man diese Teile A und B nicht an, so kann es gegebenenfalls
vorkommen, daß durch unregelmäßige Gaszuführung zu den Elektroden der Lichtbogen
von der Mittelachse der Anordnung fortgetrieben wird und daß dadurch Rückzündungen
erleichtert werden.
-
Es hat sich ferner als besonders wichtig herausgestellt, daß in der
Gasströmung Wirbel vermieden werden, weil solche Wirbel Gebiete geringeren Druckes
darstellen, in denen unter Umständen Lichtbogenreste zurückbleiben. Hierdurch werden
Rückzündungen oder auch Zündungen an ungewollten Stellen erleichtert.
-
Schließlich ist es sehr wichtig, daß sich bei der Gasströmung auch
innerhalb des Lichtbogenraumes keine Ablösung des Gasstromes von den Elektrodenoberflächen
einstellt. Eine solche Ablösung kann bekanntlich eintreten, wenn die Gasströmung
an gekrümmten Flächen entlang geführt wird und wenn die Wandungen in der Strömungsrichtung
zu stark gekrümmt sind. Löst sich bei den Lichtbogenelektroden der Gasstrom von
der Elektrodenoberfläche ab, dann bleibt der Lichtbogenfußpunkt auf der Elektrode
stehen, während der Gaskanal des Lichtbogens weiter mitgenommen wird. Es wird daher
sowohl eine Herabsetzung der Sperrspannung wie eine Vergrößerung der Lichtbogenverluste
hervorgerufen, weil diese Verluste der Lichtbogenlänge proportional sind. Solche
Unregelmäßigkeiten, Wirbel oder Gasablösungen lassen sich also erfindungsgemäß,
beispielsweise durch den Einbau von Führungskörpern oder Sieben, vermeiden. Die
gleichmäßige Gestaltung des Gasstromes und die Verhinderung von Wirbeln und Gasablösungen
lassen sich ferner dadurch erzielen, daß die Gasströmung spiralförmig gestaltet
wird. Es läßt sich das beispielsweise durch Führungsstücke erreichen, die den Leitschaufeln
bei Turbinen ähneln.
-
Es ist klar, daß die Strömungsgeschwindigkeit in dem mittleren Gebiet
zwischen den Elektroden besonders klein ist. Die Teile des Lichtbogens, die sich
dort bei seinem Verlöschen befinden, werden also nicht beseitigt und die Sperrspannung
herabsetzen. Man kann diese Erscheinung erfindungsgemäß durch einen Rotationskörper
vermeiden, der sich in der Mitte zwischen den Elektroden befindet (C in Fig. i).
-
Andererseits kann der Luftstrom aber auch erfindungsgemäß so geleitet
werden, daß er auch dieses mittlere Gebiet reinigt. Hierzu können beispielsweise
Ringe aus Isoliermaterial, z. B. die Teile L in Fig. 2, verwendet werden. Der Luftstrom
bewegt sich dann im wesentlichen von der Mittelebene aus nach beiden Elektrodenöffnungen
hin und reinigt damit den ganzen Raum sicher. (Die Gegenkörper D sind der Einfachheit
halber in Fig.2 nicht eingezeichnet.) Um hierbei auch den Raum unmittelbar über
den Elektroden, besonders in der Nähe der Auflage der Ringe L, mit
Sicherheit
zu reinigen, können dort Aussparungen <1I vorgesehen werden, die die hierfür
erforderliche Luftströmung ermöglichen. Die Form dieser Führungskörper I_ muß jeweils
der Betriebsstromstärke, der zu erzielenden Sperrspannung, der Elektrodenform, dem
Druck usw. angepaßt werden. Der Zweck der Führungsstücke L ist also einerseits,
die Luftströmung so zu gestalten, daß eine möglichst lückenlose Reinigung des Elektrodenzwischenraumes
von Lichtbogenresten erfolgt, andererseits aber nach Möglichkeit keine Erniedrigung
der Sperrspannung eintritt. Die Teile L müssen also so gebaut sein, daß sie die
Sperrspannung nur wenig erniedrigen (zur Erzielung einer hohen Sperrspannung wird
meist eine kegelförmige Gestalt günstiger sein als die in Fig. oben dargestellte
zylindrische Gestalt). Die Teile L müssen ferner so gebaut sein und aus einem solchen
Material bestehen, daß sie nicht verbrennen. Weiterhin muß bei der Formgebung der
Teile L darauf geachtet werden, daß die Lichtbogenverluste durch die Teile L nicht
zu stark erhöht werden. Um solche verschiedenen Ausbildungsmöglichkeiten anzudeuten,
ist der Teil L in Fig. 2 unten mit einem ebenen Ring versehen. Auf diese Weise kann
man erreichen, daß durch den Teil L gegebenenfalls die Sperrspannung nicht nur nicht
verringert, sondern sogar erhöht wird, weil der Teil I_, der ja, wie oben erwähnt,
aus Isolierstoff bestehen kann, die Elektronen daran hindert, zu den Elektrodenteilen
K und D zu gelangen, und ferner dazu dienen kann, eine günstige elektrische Feldverteilung
hervorzurufen.
-
Fig. 3 stellt wiederum eine Anordnung dar, bei der zwei Gegenkörper
F so geformt sind, daß der Lichtbogen zwischen diesen Gegenkörpern, sofern sie ganz
oder teilweise aus Metall bestehen; möglichst ungefähr in der Mittelachse der Anordnung
stehenbleibt, auch wenn ständig eine Gasströmung durch die ringförmigen Öffnungen
der Elektrodenteile H stattfindet. Dieses Verbleiben des Lichtbogens in der Mittelachse
erreicht man besonders leicht, wenn der Lichtbogen durch eine schraubenförmige Gasströmung
umgeben ist. Die Elektrodenteile H, zwischen denen der Lichtbogen gezündet wird,
führen bei dieser Elektrodenform den Lichtbogen nur sehr kurze Zeit, da dieser nach
seinem Entstehen rasch auf die Teile F überspringt. Für die Lichtbogenlöschung sind
jedoch die Teile H äußerst wichtig, weil durch sie das elektrische Feld an den Lichtbogenfußpunkten
nach dem Verlöschen des Lichtbogens sofort herabgesetzt wird. Die Elektrodenteile
H können, sofern sie ganz oder teilweise aus Metall bestehen, mit dem zugehörigen
Teil F leitend verbunden werden. Sie stellen dann für die Lichtbogenlöschung leitende
Schirme dar, die den starken Einfluß der Lichtbogenfußpunkte auf die Rückschlagspannung
vermeiden.
-
Aber auch selbst dann, wenn die Elektrodenteile H aus Isolierstoff
bestehen, können sie eine günstige elektrische Feldverteilung hervorrufen.
-
An Stelle der Ausführung einer leitenden Verbindung zwischen den Teilen
H und F kann auch zwischen diesen Teilen eine bestimmte gleichbleibende oder periodisch
veränderliche Spannung angelegt werden, um zusätzliche günstige elektrische Wirkungen
zu erzielen.
-
Die Strömungsrichtung in Fig. 3 kann entweder nach den in Fig. i und
z eingetragenen Pfeilen gewählt werden, oder sie kann über die Mittelelektroden
hinweg, dann durch die Durchströmöffnungen in den Hauben nach der Symmetrieebene
der Elektrodenanordnung hin verlaufen. In beiden Fällen wird das durch die Erfindung
erreichte Ziel erfüllt, nämlich hohe Gasgeschwindigkeit auf dem Lichtbogenweg, besonders
in der Nähe der Lichtbogenfußpunkte, Zerteilung und Ablenkung der Gasströmung nach
Durchströmen der Öffnungen in den Hauben, Kurzhalten des Lichtbogens und dadurch
Kleinhalten der I.icbtbogenspannung.
-
Es ist nicht notwendig, daß die beiden Elektroden sowie die besonderen
Mittel zur Steuerung der Gasströmung an beiden Elektroden gleichartig gestaltet
sind. Die Erscheinungen an den Lichtbogenfußpunkten der Anode und Kathode sind voneinander
verschieden. Man kann diesen bestehenden Unterschieden durch verschiedene Formgebung
der Elektroden und der Hilfsteile Rechnung tragen, so daß bei gegebener Stromrichtung
sowohl bezüglich der Sperrspannung wie bezüglich der Lichtbogenverluste ein Optimum
erreicht wird.
-
Die Erfindung ist natürlich nicht nur auf die dargestellten und beschriebenen
Elektrodenformen beschränkt, sondern kann in jedem Fall zweckmäßige Verwendung finden,
wo Lichtbogenlöschungen vorgenommen werden und hohe Sperrspannungen erzielt werden
sollen. In jedem Fall ist bei der Lichtbogenlöschung die Erzeugung großer Wärmemengen
von Nachteil. Die Erfindung kommt daher ebenso in Frage bei Verwendung von bewegten
Elektroden zur einmaligen oder periodischen Lichtbogenlöschung. Sie ist ferner verwendbar
im Zusammenhang mit periodischen Änderungen der Gasdrücke, der Strömungsquerschnitte
usw., wie sie zur weiteren @'erlaeinerung der Verluste, zur Verhinderung des Abbrandes
und zur Gasersparnis denkbar sind.