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Schalteinrichtung, insbesondere zum Schutz elektrischer Stromkreise
gegen Uberströme Um elektrische Stromkreise gegen Überströme zu schützen, bedient
man sich im allgemeinen soggenannter Schalter im weitesten Sinne des Wortes, wobei
diese Schalter entweder magnetisch betätigte Schaltbrücken besitzen, oder es werden
Teile des Stromkreises durch thermische Bseei,nflussung verändert, wie es z. B.
bei Sicherungen der Fall ist. Die Schalter bedürfen im allgemeinen noch sogenannter
Relais oder Auslöser, um ihre Funktion in Abhängigkeit einer elektrischen Betriebsgröße
ausführen zu können, während bei den Sicherungen diese Funktion vom Strom selbst
bzw. seiner Wärmewirkung übernommen wird, so daß zusätzliche Einrichtungen nicht
mehr erforderlich sind. Die Schmelzsicherung in ihrer heutigen Form hat aber den
Nachteil, daß sie nach Auslösung entweder unbrauchbar wird, zum mindesten aber nicht
ohne weiteres wieder in Funktion treten kann. Anderseits sind die Selbstschalter
mit mechanisch betätigten Schaltkontakten relativ teuer und kompliziert.
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Es ist deshalb seit langer Zeit versucht worden, den festen Schmelzleiter
der Schmelzsicherungen durch einen flüssigen Leiter; insbesondere aus Quecksilber,
zu ersetzen, der sich nach einer Abschaltung einfacher regenerieren lassen sollte
als der Schmelzleiter. Dies hat zu Schalteinrichtungen geführt, bei denen ein vom
zu schaltenden Strom
durchflossener flüssiger Leiter vorhanden ist,
der beim Überschreiten eines durch dessen Art und. Anordnung gegebenen Ansprechstromes-verdampft,
wodurch eine Unterbrechung des durch diesen Leiter fließenden Stromes herbeigeführt
wird. Derartige Schalteinrichtungen..enthalten einen mit .dem flüssigen Leiter angefüllten
Schaltkanal, .in welchem `bei einer Abschaltung ein Lichtbogen entsteht. Man kann
zeigen, daß praktisch die ganze Lichtbogenwärme schon während des Abschaltvorgänges
-von der Oberfläche des den flüssigen Leiter umgebenden Isolierköffpers aufgenommen
werden muß. Trotz vieler Vorschläge haben sich solche Schutzvorrichtungen mit Quersilberleitern
bis heute nicht eingeführt. Offenbar sind, Schwierigkeiten aufgetreten, die vor
allem :mit der geforderten Kurzschlußsicherheit _ zusammenhängen. Außerdem ist -
das Problem einer genügend spannungsfesten Datiertrennstelle, welche den Stromkreis
nach einer Abschaltung mit Sicherheit getrennt `hält, noch nicht befriedigend -gelöst
worden. Zudem bereitet 'die Regenerierung der Sicherung noch Schwierigkeiten, die
bisher nur . mit relativ komplizierten. Einrichtungen teilweise behoben werden konnten.
Es ist beispielsweise vorgeschlagen -worden, beim Abschaltvorgangdie Kanal= wand
durch die anfallende Schaltarbeit zu einem geringen Teil verdampfen zulassen und.
mit der entstehenden Gasblase die beiden Quecksilbersäulen im Kanal voneinander
getrennt zu halten;, Dieses Vorgehen ist erstens unzuverlässig, da sieh erfahrungsgemäß
- der Quecksilberleiter trotz der Gasblase wiederum schließen kann, und zweitens
im Hinblick auf die- Konstanz der Kennwerte und insbesßgdere auf hinreichende Kurzschlußfestgkeit
-unzulässig. Ferner ist eine Anordnung vorgeschlagen worden, bei der am einen-Kanalende
ein Ventil vorgesehen ist; das sich beim Verdampfen des Quecksilbers änläßlich einer
Abschaltung öffnet, wodurch ein Teil des Quecksilbers in ein Expansionsgefäß entweichen
kann. Unmittelbar nach dem .Abschaltyor= gang schließt das Ventil.-wieder, so däß
das ausgetretene Quecksilber nicht mehr - in dien Kanal zurückfließen kann. Zur
Regenerierung kann das Ventil von Hand öder elektromagnetisch geöffnet .werden,
wobei, das Quecksilber aus -dem Expansionsgefäß infolge des herrschenden Unterdruckes
wiederum in den Kanal ':hineingezogen wird. Die Schwierigkeiten bei der Ausführung
einer derartigen Einrichtung liegen darin, ein wirklich dichtes Ventil herzustellen,
die willkürlichen Betätigungsmittel vom Einfluß der Quecksilberdämpfe fernzuhalten
.und die genannte Sicherung gegen das Ausströmen von Quecksilberdampf. zu sichern.
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Die bisher bekanntgewordenen Schutzvorrichtungen dieser Art weisen
den weiteren Nachteil auf, daß ihr Schaltzustand von außen nicht. ohneweiteres erkennbar
ist.
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Die Erfindung bezweckt die Schaffung einer Schalteinrichtung, insbesondere
zum Schutze elektrischer Stromkreise gegen überströme" welche die Unzttlängliehkeiten
der bisher bekanntgewordenen Schalteinrichtungen mit flüssigen Leitern, insbesondere-die
ungenügende Kurzschlußfestigkeit, die unsichere Dauertrennstelle; die komplizierte
Regenerierung und,die fehlende Anzeige vermeidet und anderseits einfacher und billiger
hergestellt werden kann als die bisher üblichen Selbstschalter.
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Die Schalteinrichtung nach der Erfindung ermöglicht nun eine wesentliche
Verbesserung im obengenannten Sinne. Sie .verwendet zwar ebenfalls wenigstens einen
von dem zu schaltenden Strom durchflossenen flüssigen Leiter, der beim Überschreiten
eines durch' dessen Art und Anordnung gegebenen Ansprechstromes - verdampft, wodurch
eine Unterbrechung des durch diesen Leiber fließenden - Stromes eingeleitet wird,
ist aber ferner gekennzeichnet durch eine dem flüssigen Leiter in Reihe geschaltete
Kontaktvorrichtung; die derart ausgebildet und in bezug auf den flüssigen Leiter
derart angeordnet ist,-daß sie durch die beim Ansprechen des flüssigen Leiters entstehenden'
Druckspitzen reit einer hinreichend kleinen mechanischen Verzögerung betätigt wird,
damit die anfallende Schaltarbeit sich - auf die _ beiden in Reihe liegenden Schaltstellen
verteilt.
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Durch die Anordnung : zweier Trennstellen in Serie; die bei einer
Abschaltung praktisch gleichzeitig öffnen, erreicht man bekanntlich; daß sich: die
anfallende Schaltarbeit auf die beiden Schaltstellen verteilt, so daß- jede einzelne
weniger be= ansprucht wird. Die erfindungsgemäße Schalteinrichtung weist dazu noch
den weiteren Vorteil auf; daß das eine Schaltorgan zugleich die Funktion eines Auslösers
und, die eines Antriebsorgans für ,das andere Schaltorgan übernimmt; es sind somit
keine besonderen Auslösungs- und Antriebsmittel erforderlich. . Das Vorhandensein
eines Schalters mit -massiven Schaltkontakten und definierten Schaltstellungen gewährleistet
zudem eine sichere Dauertrennstelle. und ermöglicht auf einfache Weise eine Anzeige
-. des Betriebszustandes der Schalteinrichtung.
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Es ist bereits eine Schalteinrichtung bekanntgeworden, welche sowohl
eine Schaltstelle mit festen Kontakten, als auch einen flüssigen Leiter ' als Schaltorgan
enthält. Bei -dieser Einrichtung sind jedoch die beiden Schaltorgane im normalen
Betriebszustand parallel geschaltet. Der zu schaltende- Strom fließt zunächst nur
über die festen. Kontakte, währenddem dos Schaltorgan mit dem flüssigen Leiter vorerst
nur mit --dem einen der festen Kontakte verbunden ist. Der beim öffnen der festen
Kontakte entstehende Abschaltlichtbogen wird gegen die zweite Elektrode des Schaltorgans
mit dem flüssigen Leiter geblasen, so daß erst für-den Rest des Abschaltvorganges
der @Abaehaltlichtbogen und d'as Schaltorgan mit dem flüssigen Leiter im Reihe liegen.
Die Auslösung und Betätigung zier festen- Kontakte erfolgt durch separate .Organe.
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Bei' einer- anderen bekannten Schalteinrichtung wird ein: .Quecksilberschalter
der vorbeschriebenen Art als Auslöseorgan für einen zweiten in. dem zu steuernden
Stromkreis liegenden Schalter verwendet.
Beim Ansprechen des Quecksilberauslösers
infolge Erhöhung des -darin fließenden Steuerstromes entsteht im Auslöser ein Überdruck,
welcher in einem Nebenkanal zur Verschiebung eines beweglichen Kolbens benutzt wird.
Die Bewegung des Kolbens wird auf ein Hebelsystem übertragen, welches die Betätigung
des Schalters steuert.
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Durch die beiden vorgenannten Schalteinrichtungen ist die Erfindung
nicht vorweggenommen. Blei der erstgenannten Schalteinrichtung ist die Schaltung
im normalen Betriebszustand und die Art der Auslösung ganz anders. Die Verwendung
einer solchen Schalteinrichtung beschränkt sich offenbar auf das Gebiet hoher Leistungen
und wäre für die Anwendung in Selbstschaltern ungeeignet und zu kompliziert. Bei
der letztgenannten Einrichtung wird die Schaltarbeit durch den im gesteuerten Stromkreis
liegenden Schalter allein übernommen, während der Quecksilberschalter nur die Funktion
eines thermischen Auslöseorgans übernimmt.
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Die folgende Lösung der Erfindung erweist sich hinsichtlich der Verteilung
der anfallenden Schaltarbeit auf die beiden in Reihe liegenden Schaltstellen als
besonders günstig. Sie besteht darin, daß die Schalteinrichtung zwei voneinander
elektrisch isolierte Kammern aufweist, die das leitende Medium enthalten, und die
durch einen geradlinigen Kanal miteinander verbunden sind, wobei mindestens die
eine der Kammern durch einen in der Fortpflanzungsrichtung der im Kanal beim Verdampfen
des flüssigen Leiters entstehenden Druckspitzen nachgiebigen Teil abgeschlossen
ist, der unmittelbar auf die Kontaktvorrichtung einwirkt.
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An Hand der Zeichnung werden zwei derartige beispielsweise Ausführungsformen
des Erfindungsgegenstandes näher erläutert, wobei die Fig. i und 2 das Schnittbild
je einer Schalteinrichtung darstellen.
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Die Schalteinrichtung gemäß Fig. i hat äußerlich etwa die Form einer
gewöhnlichen Schmelzsicherungspatrone und enthält in einem keramischen Isolierkörper
i zwei zum Teil mit Quecksilber gefüllte Kammern 2 und 3. Die Kammer 3 wird teilweise
gebildet durch. die Eisenelektrode q., von der durch eine isolierende Abschlußwand
5 der Kontaktstift 6 herausgeführt ist. Die beiden Kammern 2 und 3 sind durch einen
geradlinigen Kanal 7 miteinander verbunden. Dieser Kanal ist bezüglich seines Durchmessers
lang und weist einen gleichmäßigen Querschnitt auf. Derselbe wird gebildet durch
eine Bohrung in einem die beiden Kammern 2 und! 3 trennenden Isolierkörper. Dieser
Isolierkörper ist zwecks rascher Ableitung der aus einem im Kanal 7 auftretenden
Lichtbogen anfallenden Wärme als Verbundkörper aus einem Isoliermaterial und einem
Material mit gegenüber dem Isoliermaterial höherer Wärmeleitfähigkeit ausgebildet.
Er besteht aus in Richtung der Spannungsbeanspruchung aufeinandergeschichteten,
durch Isolierplatten 8 gegeneinander elektrisch isolierten Platten q aus dem Material
mit der höheren Wärmeleitfähigkeit. Auf diese Weise wird mindestens ein Teil der
im Kanal entstehenden Lichtbogenwärme radial weggeführt. Als Isoliermaterial können
Platten aus Glimmer, Quarz, Spezialgläsern, Keramik oder Oxydkeramik verwendet werden.
Geeignete Materialien für die Platten 9 sind z. B. Eisen, Nickel, Molybdän, Platin
und Wolfram. Der Isolierkörper wird beidseitig begrenzt durch z. B. aus Hartgewebe
bestehenden Isolierscheiben 21. Den Abschluß der Kammer z bildet eine in sich starre,
an einem in der Fortpflanzungsrichtung der genannten Druckspitzen federnden, zylindrischen
Balg io befestigte Wand i i, die z. $. aus Eisen bestehen kann. Die Kontaktvorrichtung
ist ein Kippschalter, bestehend aus einer Kippfeder 12 mit stabilen Endlagen., an
der der eine Kontakt 13 befestigt ist. Der mit dem Kontakt 13 zusammenarbeitende
Kontakt 14 sitzt auf einem mit der Wand i i verbundenen leitenden Bolzen 15. Die
Kippfeder 12 ist durch einen Isolierring 17 von den mit der Kammer 2 leitend verbundenen
Teilen io und i i elektrisch getrennt. Den diesseitigen Abschluß der Schalteinrichtung
bildet ein zylindrisches Isolierstück 18, das mit dem Isolierkörper i beispielsweise
durch Kitten verbunden ist. Die Kippfeder i2 ist .durch den Leiter 16 mit einem
auf dem Isolierstück 18 befestigten Kontaktring 22 verbunden. Ferner ist ein Druckknopf
i9 vorhanden, der in einer Bohrung im Zentrum des Isolierstückes i8 geführt ist
und mittels einer relativ schwachen Feder 20 gegen die Kippfeder 12 gehalten wird.
Der vom Quecksilber nicht ausgefüllte Raum der Kammern 2 und 3 enthält ein Gas,
welches mit Quecksilber keine Verbindungen eingeht, z. B@ Wasserstoff: Für eine
Schalteinrichtung mit einem Nennstrom von zo Amp. und einer Nennspannung von 5oo
Volt wird man einen Kanal mit einer Länge von etwa 30 mm und einem Durchmesser
von etwa 0,3 mm verwenden. Die wärmeleitenden Platten 9 haben eine Dicke
von etwa 0,3 mm und einen Abstand von etwa 0,i mm.
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Die Wirkungsweise der Schalteinrichtung nach Fig. i ist kurz folgende:
Der mit Quecksilber gefüllte Kanal 7 kann Ströme bis zum Ansprechwert praktisch
unbeeinflußt führen. Die beweglichen Teile der Schalteinrichtung befinden sich in
der dargestellten Lage, und der Strom fließt von der Elektrode 6 durch den Schaltkanal
7, die Wand i i, den Bolzen 15, die Kontakte 1q. und 13, die Kippfeder i2
zur Anschlußfahne 16. Sobald dIer Ansprechwert überschritten wird, setzt eine Verdampfung
des Quecksilberfadens im Kanal 7 ein, und es entsteht .im Kanal ein Abschaltlichtbogen.
Bei relativ zum Ansprechwert hohen Strömen, insbesondere Kurzschlußströmen, können
dank des gleichmäßigen Querschnittes des Kanals mehrere Lichtbögen in Reihe entstehen,
so daß sich die im Kanal anfallende Schaltarbeit entsprechend auf seine Länge verteilt.
Das flüssige Quecksilber wird aus dem Kanal 7 verdrängt, Auf die Wand i i wird eine
schlagartige Druck-
Beanspruchung ausgeübt. Demzufolge bewegt sich
die Wand ii zusammen mit dem Bolzen 15, den Kontakten 13 und 14 und der Kippfeder
12 in Richturig des abschließenden Isolierkörpers 18. Nach -dem überschreiten des
Kippunktes -bewegt sich die Kippfeder 12 von selbst in die strichpunktiert angedeutete
Endlage. Während dieser Bewegung trennen sich die beiden Kontakte 13 und 14, wobei
ebenfalls ein Schaltlichtbogen entsteht. Zugleich wird der Druckknopf i9 der Feder
2o herausgedrückt, so daß von nußeri das Ansprechen der S.chalte'inrichtung sichtbar.
wird. Die beschriebene Trennung der Kontakte - 13 und 14 erfolgt wegen der Kleinheit
der bewegten Massen und ihrer Anordnung in der Verlängerung des Schaltkanals. in
einer so kurzen Zeit, daß der an diesen entsthende Schaltlichtbogen die - Schaltbedingungen
für den Schaltkanal erleichtern .kann; die ganze Schaltarbeit verteilt sich auf
die beiden in Reihe liegenden Schaltstellen. Erfahrungsgemäß können sich die beiden
getrennten Quecksilbersäulen im Kanal 7 infolge der heftigen Bewegungen der-Quecksilbermassen
schön vor dem Erlöschen des Abschaltlichtbogens wiederum berühren. Der an den Kontakten
13 und 14 brennende Lichtbogen verhindert ein erneutes wesentliches Ansteigen des
Stromes, so d@aß: der folgende Schaltvorgang im Kanal leichter bewältigt werden
kann.
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Nach Beendigung des Abschaltvorganges ist -zwischen den Kontakten
13 und 14 eine sichere Dauertrennstelle vorhanden, währenddem das Quecksilber im
Schaltkanal 7 wiederum -kondensiert und die elektrische Verbindung zwischen den
beiden Kammern 2rund 3 wieder herstellen kann.
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Um die Schalteinrichtung für eine neue Abschaltung bereitzustellen,
wird der Druckknopf i9 beispielsweise von Hand gegen die Kippfeder 12 gepreßt,-
so daß diese über ihren Kippunkt in die ursprüngliche stabile Endlage zurückgestellt
wird; dabei werden gleichzeitig die Kontakte 13 und 14 wiederum in Berührung gebracht:
Gleichzeitig pumpt die- andere Abschlußwand i i -Quecksilber aus der Kammer 2 durch
den Kanal 7 in die Kammer 3, wobei allfällige. Gasblasen aus- dem Kanal entfernt
und damit die .elektrische Verbindung zwischen den beiden Kammern wiederhergestellt
wird.
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Die Schalteinrichtung ist zur Regenerierung aus dem Stromkreis zu
entfernen. Dies ist ohne weiteres möglich, - wenn die. Schalteinrichtung äußerlich
wie eine Schmelzsicherung ausgebildet und in einer gleichen oder ähnlichen Fassung
angeordnet ist.
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Die-Schalteinrichtung nach Fig. 2-ist im wesentlichen gleich ausgebaut
und arbeitet prinzipiell gleich wie jene, nach Fg. z. Gleiche Teile sind mit denselben
Bezugszeichen versehen. Ein Unterschied besteht darin, daß der den flüssigen Leiter
enthaltende Kanal aus einer durchsichtigen Kapillare 3o; z. Baus Quarz, besteht,
die von einem metallenen Mantel 34 z. B: aus. Kupfer, umgeben ist. Zur elektrischen
Isolation der beiden Kammern 2 und 3 :dienen seitlich -des Metallmantels- 31 angebrachte
Scheiben 32 aus Isoliermaterial: Im Gegensatz zu der Ausführungsform nach Fig. i,
bei der die im Kanal - entstehende Wärme durch Wärmeleitung radial weggeführt wird,
erfolgt im vorliegenden Beispiel die Wärmeabfuhr durch Strahlung durch die Kapillare
3o auf die innere Oberfläche dies Metallmantels 31, der die Wärme ableitet. Die
Kapillare 3o hat zudem die Aufgabe, den Quecksilberfaden gegenüber dem Metallmantel
31 elektrisch zu isolieren. Eine durchsichtige Kapillare hat gegenüber einer undurchsichtigen
den Vorteil, daß @etwa goo/o der im Schaltkanal anfallenden Schaltarbeit durch Strahlung
abgeführt werden können, so daß nur etwa -ioo/o der anfallenden Wärme durch Wärmeleitung
abzuführen sind. Das Temperaturgefälle in der Kapillare ist daher um eine Größenordnung
kleiner als bei undurchsichtigen Kapillaren. Da zudem die Außenoberfläche der Kapillare
durch den Metallmantel 31 praktisch auf Außentemperatur gehalten wird, ist gewährleistet,
daß die Innenoberfläche,der Kapillare die Schmelztemperatur nicht erreicht. .Die
Kapillare 3o kann in den Metallmantel 31 eingepaßt, :eingekittet oder eingeblasen
werden. Es kann aber auch rund um die- Kapillare ein zylindrischer Raum vorgesehen
und mit Quecksilber ausgefüllt werden. Im Extremfall kann der ganze Mantel 31 aus
Quecksilber bestehen.
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Ein weiterer Unterschied gegenüber der Schalteinrichtung nach Fig.
i _besteht darin, daß der Abschluß der Kammer. 2 durch eine federnde Membran33 gebildet
wird, welche auf der einen Teil der Kammer 2 bildenden Eisenelektrode 34 befestigt
ist. Im Zentrum der Membran 33 ist ein Nippel 35 angeordnet, der auf dier einen
Seite die Membran vor dem Flüssigkeitsstrahl schützt und auf der anderen Seite den
Kontakt 14 trägt.
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Neben den beiden beschriebenen, Methoden zur Abführung der im Schaltkanal
anfallenden Licht-Bogenwärme besteht auch die Möglichkeit, hierzu . einen Kanalkörper
aus Metall, beispielsweise Aluminium, zu verwenden und die Kanalwand mit einer dünnen
Isolierschicht zu versehen, z. B,. zu eloxieren. -'Versuche haben gezeigt, daß die
beschriebenen Schalteinrichtungen die eingangs erwähnten Forderungen -hinsichtlich
° Kurzschlußfestigket, Dauerunterbrechung, Regenerierbarkeit und Betriebszustandsanzeige
in befriedigender Weise erfüllen. Sie genügen somit sämtlichen Anforderungen, welche
an Selbstschalter, beispielsweise zum,flchutze von Leitungen oder Motoren,. gestellt
werden, können jedoch bedeutend billiger hergestellt werden.