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Entladungseinrichtung-für Stromunterbrecher und Uberspannungsschutzeinrichtungen
Die Erfindung macht Gebrauch von der Erscheinung, daß Lichtbogenüberschläge durch
die Nähe von Wandungen mit halbleitender Oberfläche erleichtert und beschleunigt
werden. Es wurde gefunden, daß längs Oberflächen aus Halbleitern, wie Siliziumkarbid,
Borkarbid und Zirkoniumverbindungen, von der Art, wie sie bei Widerstandskörpern
für relativ niedrige Spannungen angewendet werden, eine Entladung schon bei einem
relativ niedrigen Spannungsgradienten von etwa 320 V/cm einsetzt, in anderen
Fällen wiederum bei Verwendung von Kristallen mit anderen Abmessungen wurden 4000
V/cm für eine Entladung benötigt. Abmessungen und Struktur der Oberfläche sind von
erheblichem Einfluß. Es hat sich gezeigt, daß Siliziumkarbi,d ein für die Zwecke
der Erfindung besonders gut geeigneter Stoff ist.
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Eine Ausführungsform der Erfindung besteht in einem Schalter, bei
welchem nach Öffnung der Kontakte eine Entladung über eine Siliziumkarbidfläche
innerhalb einer Lichtbogenlöschkammer stattfindet, in der sich ein Paar im Nebenschluß
zu den Kontakten liegender fest angeordneter Elektroden befindet. Nach Öffnung des
Schalters bildet
sich an diesen Elektroden ein Lichtbogen. Der Lichtbogen
zwischen den Schaltkontakten reißt infolgedessen ab, und beim nächsten Stromnulldurchgang
wird auch der Lichtbogen in der Kammer zum Verlöschen gebracht. Es ist bekannt,
in Überspannungsableitern Siliziumkarbidblöcke als spannungsabhängige Widerstände
zu verwenden. Diese bilden jedoch ihrer ganzen Länge nach den Hauptstrompfad selbst.
Im Gegensatz hierzu liegt bei der neuenEntladungseinrichtung dieHalbleiteroberfläche
im Nebenschluß zu einem Teil-der durch den Entladungslichtbogen verkörperten Hauptstrombahn.
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Weitere Erfindungseinzelheiten seien im folgenden an Hand der Abbildungen
erläutert.
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Fig. i .zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Entladungseinrichtung
nach-derErfindungund zugleich eine besondere Anwendungsart einer solchen Einrichtung
in Verbindung mit einem Schalter.
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In Fig. i sind i1, 13 Hauptkontakte. 15, 17 und ig, 21 sind damit
zugleich betätigte Hilfskontakte. 23 ist eine Stromquelle und 25 die Belastung.
Hilfs-und Hauptkontakte sind miteinander in Reihe geschaltet.
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Die beweglichen Kontakte 13, 17, 21 werden von Isolierhebeln, 27,
29, 31 getragen, die auf einer gemeinsamen Betätigungswelle 33 sitzen. Die öffnung
des Schalters wird durch Lösen der Klinke 35 eingeleitet. Weiter ist ein Löschrohr
41 aus gasabgebendem Isolierstoff vorgesehen. In dem Löschrohr befindet sich ein
Kern 43, beispielsweise aus Porzellan, das an der Oberfläche mit einer Lagefest
anhaftender Siliziumkarbidkristalle bedeckt ist. Er kann in der Weise hergestellt
sein, daß ,zunächst diese Lage von Kristallen in Form einer Paste aufgetragen und
dann der Kern zusammen mit diesem Auftrag gebrannt wird. Die halbleitende Oberflächenschicht
kann aber auch beispielsweise durch Einbetten des Siliziumkarbids in die äußere
Zone beim Pressen oder vor dem Pressen des Kernes geschaffen sein.
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An beiden Enden des säulenförmigen Kerns 43 im Löschrohr sind Ringelektroden
45, 47 angeordnet. Diese sind zwischen die Stromquelle 23 und die Last 25 geschaltet,
parallel zu den Kontakten ii bis 2i. Der Säulenkörper 43 wird durch Tragringe 49,
51 in dem Löschrohr festgehalten, welche derart durchbrochen sind, daß sie den Austritt
des Löschgases gestatten. Der Säulenkörper 43 ist außerdem mit einem Paar metallener
Anschlüsse 53, 55 versehen, die sich in der Nachbarschaft der Elektroden 45, 47
befinden.
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Zwecks Einleiters einer Entladung im Löschrohr nach Öffnung des Schalters
sind Hilfstransformatoren 57, 59 angeordnet, deren Primärwicklungen 61 die Hilfskontaktpaare
15, 17 und i9, 2ti überbrücken. Die Elektroden 45, 47 sind an die Primärwicklungen
der in Sparschaltung angeordneten Transformatoren 57, 59 und die Anschlüsse 53,
55 an die Sekundärwicklungen dieser Transformatoren angeschlossen. Beim Öffnen des
Schalters ergibt sich somit eine Spannungserhöhung zwischen den Elektroden 45 bis
47 und den Anschlüssen 53 bis 55, durch welche die Entladung im Löschrohr eingeleitet
wird. Sind die Kontakte ii, 2i außer Eingriff gekommen, so liegt die gesamte Spannung
zwischen den Elektroden 45, 47. Durch Spannungserhöhung und Ionisation der Entladungsstrecke
wird der Lichtbogen von den Kontakten i i, 21 in die Lichtbogenlöschkammer zwischen
die Elektroden 45 bis 47 übertragen. Um diesen Vorgang zu fördern, kann noch .eine
Bfasmagnetspule 65 in Reihe mit den Hauptkontakten i i, 13 vorgesehen sein, die
auf den Lichtbogen an den Hauptkontakten wirkt. In der Lichtbogenkammer wird dann
der Lichtbogen nach dem bekannten Löschrohrprinzip endgültig gelöscht.
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Es sind ohne weiteres auch Abweichungen von der in Fig. i dargestellten
Ausführungsmöglichkeit der -Entladungs- und Lichtbogenlöscheinrichtung möglich.
So genügt es beispielsweise in vielen Fällen, wenn die Siliziumkarbidfläche sich
nur auf einen Teil der Länge des Isolierkörpers 43 erstreckt, z. B. in der Mitte
oder an den beiden Enden. Ferner kann man kleine zylindrische Blöcke aus Siliziumkarbid
in Reihe mit der Porzellansäule anordnen.
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Die Fig. 2 bis 4 beziehen sich auf eine als Überspannungsableiter
zu verwendende Entladungsvorrichtung nach der Erfindung. Das Porzellangehäuse 67,
das von einer geerdeten Schelle 77 getragen wird, die mittels einer Schraube 81
in einer Einschnürung 79 des Gehäuses 67 gehalten wird und an welche eine Erdleitung
73 an der Stelle 75 angeschlossen ist, enthält zwei Elektroden i i i, 99, von denen
die letztere als Auspuffelektrode ausgebildet ist, indem sie mit einer Bohrung 107
versehen ist, die zwischen den Fußteilen ioi und 135 der Elektrode 99 seitwärts
gekrümmt ist. Auf einem Bund 103 der Elektrode 99 ruht das Gehäuse 67. Die Fuge
ist durch eine Unterlegscheibe io5 abgedichtet. 89 ist die zu dem zu schützenden
Apparat führende Anschlußleitung. Diese ist mittels einer Verbindungsklemme 9i an
einer Mutter 85 befestigt, von wo sich ein Bolzen 93 durch eine Gehäusebohrung 71
hindurch zur Elektrode i i i erstreckt. Die Mutter 85 ruht über eine Unterlegscheibe
87 auf einem Bundansatz 69 des Gehäuses 67. Die Anordnung kann auch gleichzeitig
als Träger einer zu schützenden Leitung dienen. Zwischen den Elektroden 99, 111
im Porzellangehäuse 67 befindet sich im Innern eines Isolierrohres 97 ein zylindrischer,
mit schmalen Kanälen versehener und von einem weiteren Isolierrohr io9 zusammengehaltener
Isolierblock 113, der aus den einzelnen Teilen 115, 117, 119, 121 und 123 zusammengesetzt
ist, zwischen denen sich die Kanäle 125, 127, 129 und 131 befinden, so daß die Entladung
durch einen oder mehrere dieser Kanäle hindurch erfolgt. Die einengende Wirkung
dieser Kanäle oder, gegebenenfalls in Verbindung hiermit, das von dem Isolierstoff
unter Lichtbogeneinwirkung abgegebene Löschgas unterbricht den nachfolgenden Betriebsstrom,
sobald die überspannungsenergie abgeleitet ist. Durch halbleitende- Streifen 133-
aus Siliziumkarbid od. dgl., die in die Wandungen der Entladungskanäle eingebettet
sind,-wird ein frühzeitiges
Einsetzen der Entladung bei relativ
niedriger Stoßspannung verursacht. Diese Ausbildung ist besonders deutlich an Hand
der Abb. 3 und 4. zu erkennen, die den zwischen den Elektroden 97, 99 befindlichen
Isolierkörper für sich zeigen. Durch diese Herabsetzung der Ansprechspannung bei
Stoßbeanspruchung werden besonders günstige Schutzeigenschaften des Ableiters gewährleistet.
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Es kann vorteilhaft sein, mit einer solchen Anordnung noch eine äußere
Luftfunkenstrecke 83, 139
in Reihe zu schalten, wobei der Elektrodenabstand
mittels isolierender Zwischenstücke 137 gewahrt werden kann.
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Fig. 5 zeigt eine etwas andere Ausführungsform für den zwischen den
Elektroden 97, 99 anzuordnenden Zylinder. Bei dieser abgewandelten Ausführungsform
ist ein Rohr 141 vorhanden, das mit losen Teilchen 143 aus gasabgebendem Stoff,
beispielsweise Fiber oder Borsäure, angefüllt ist. Diese Teilchen werden durch Drahtnetze
145, 147 zwischen den Elektroden 149, 151 festgehalten. Die obere Elektrode 151
ist in dem Rohr 141 verschiebbar angeordnet und steht unter Einwirkung von Federn
153, die sich gegen eine den Elektroden ähnliche Platte 155 abstützen. Zwischen
den Teilchen 143 befinden sich eine Anzahl Porzellanklötze 157 mit aufgesintertem
oder sonstwie auf ihre Oberfläche aufgebrachtem Siliziumkarbid. Die Wirkungsweise
einer solchen Anordnung ist ähnlich wie die der vorher beschriebenen. Durch die
Federn 153 ist dafür gesorgt, daß die Teilchen dicht und fest aufeinandergedrücktwerden.
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Fig. 6 zeigt eine etwas andere Ausführungsform mit einer Vorfunkenstrecke
165, 169 im Innern eines Porzellanisolators 161, der eine Packung Borsäureteilchen
159 enthält, in denen eine Anzahl poröser, Kondenswasser enthaltender Körper 167
verteilt ist. Die Packung kann durch ein Bindemittel, wie Wasserglas, zusammengehalten
werden und erhält zur Erhöhung der Leitfähigkeit Siliziumkarbid in Pulverform oder
Ruß zugesetzt. Die Entladung durch die Masse 159 hindurch zur Anschlußelektrode
163 ist eine lichtbogenähnliche, so daß das Wasser in Dampfform ausgeschieden wird.
Der Wasserdampf trägt zur Lichtbogenlöschung bei und kondensiert sich wieder an
bzw. in den Körpern 167. Bei der Ausführungsform nach Fig. 7 sind die Teilchen durch
einen mit Kanälen 171 versehenen Block aus Fiber ersetzt. In das Fiber ist zur Erhöhung
der Leitfähigkeit Siliziumkarbid eingebettet. An Stelle von Fiber kann man auch
einen Block aus Kunstharz od. dgl. verwenden, in dem Siliziumkarbidteilchen od.
d@gl. eingebettet sind. Diese können vor dem Pressen des Blockes in die plastische
Masse eingebracht werden. Besonders wirkungsvoll kann es sein, die Wände der Kanäle
171 mit einem Überzug von Siliziumkarbidteilchen zu versehen. Als eine der Elektroden
kann ein Drahtnetz 173 dienen, das den Schaltgasen den Abzug gestattet.
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An Stelle eines Fib.erblockes, wie ihn Fig. 7 zeigt, kann man auch
einen Stapel parallel stehender Stifte aus vorzugsweise gasabgebendem Stoff, wie
Fiber, verwenden (vgl. die Ausführungsform nach Fig.8 und 9). 175 sind die Stifte,
die von der Gehäusewandung 1,61 -zusammengehalten werden. Bei Verwendung von Fiber
mit eingebetteten Siliziumkarbidteilchen od. dgl. kann das Fiber auch, wie Fig.
To zeigt, in Form von Körnern oder Teilchen 177 angeordnet werden, die zwischen
den Elektroden 165 und 173 liegen.