NO130846B - - Google Patents

Description

Elektrisk bryter.

Oppfinnelsen angår en elektrisk bryter, særlig for lavspenningskretser, med et slukkekammer som inneholder i forhold til hinannen bevegelige koblingskontakter mellom hvilken der trekkes en lysbue, og i retning tvers på koblingskontaktenesplan er lukket med legemer av isolasjonsstoff, og som inneholder slukkeblikk som lysbuen beveges imot via ledende deler av kammerveggen.

Hoyspenningsbrytere for vekselstrom kobler i alminde-

lighet ved nullgjennomgang. Deres slukkekammere er utfort slik at en tilbaketenning av lysbuen efter strommens nullgjennomgang blir forhindret. Av hensyn til "mulige spenningsspisser og disses tilbake-

virkning på nettet bor'slike brytere i almindelighet ikke koble sær-

lig raskt.

Lavspenningsbrytere er derimot utfort slik -at dé kan slukke koblingslysbuene i lopet av kortest mulig tid.j Disse brytere loser derfor den generelle oppgave å hoyne lysbuespenhingen utover den drivende spenning ved å forlenge eller kjole lysbuen. Ved blåsning med luft ved hjelp av såkalte blåsespoler eller også ved magnetisk blåsning blir lysbuen mellom koblingskontaktene blåst bort og derved forlenget. Med spesiell utformning av bryteren kan lysbuen mellom kontaktene også bli blåst bort ved hjelp av et egnet magnetfelt.

Fra tysk patentskrift nr. I.OO6.928 er der kjent en bryter som har et slukkekammer for åpningslysbuen, og hvor dettes sidevegg delvis består av elektriske motstander som jved hjelp av den vandrende lysbue blir koblet inn i stromkretsen. Motstandene er boyet i likhet med horn og letter på grunn av sin form bortvandringen av lysbuen fra koblingskontaktene. i

Like over koblingskontaktene eller noe tilbaketrukket finnes der mellom motstandene lamellformige slukkeblikk av lignende form som de motstander som ligger ved kammerveggen. Til grunn for denne utforelse av slukkekammeret ligger den oppgave å overholde blåseluftstromningen og begunstige kjolingen og fremme avioniseringen av kammerinnholdet. Mellomveggene eller stegene i slike brytere kan også rage kileformig inn i slukkekammeret og bestå av keramikk. I slike såkalte kilekammere oppnår man en slukkefeltstyrke på ca. 5 10 V/cm. !

En bedre virkning på lysbuen oppnår mari ved hjelp av den anordning av slukkeblikk av elektrisk ledende materiale ved enden av kammeret, som eksempelvis er kjent fra britisk patentskrift nr. 714.979« Lysbuefotpunktene forblir på endene av koblingskontaktene, og lysbuespenningen okes ved hjelp av lysbuens utvidelse, såkalt blæredannelse. Den således forlengede lysbue trer inn mellom slukkeblikkene, som ytterligere oker dens spenningsfall på grunn av spen-ningstapet ved buefotpunktet på de enkelte blikk,som [virker som mel-lomelektroder.

En okning av lysbuens bevegelseshastighlet oppnår man med en utforelsesform for et slukkekammer som er kjent fra den tyske offentliggjorte soknad nr. I.905.588. De i kontaktenes bevegelsesplan liggende kammervegger er utstyrt med elektrisk ledende deler, såkalte lopeblikk eller lopeskinner, som lysbuens fotpunkter vand-rer på. Lysbuen akselereres i kammeret og treffer med stor hastighet endekantene av blikkene, som er anordnet i buens bevegelsesretning. Med en storst mulig nedboyning av lysbuen med derav folgende sloyfedannelse mellom de enkelte slukkeblikk blir hver dellysbue og dermed også den totale lysbue tilsvarende forlenget. Sloyfedannelsen er imidlertid bare mulig med en viss minsteavstand mellom de enkelte slukkeblikk.

Fra "Elektrie", 1962, hefte B, side 270 - 276 er det riktignok kjent at en oppdeling av lysbuen også er mulig ved hjelp av slukkeblikk som bare er anordnet i liten avstand fra hverandre. Blikkavstanden skal imidlertid ikke være mindre enn diameteren av

den stående lysbue for inntrengningen, foråt der stadig på hvert sted kan danne seg en buesloyfe parallelt med blikkene. Ved store strommer er imidlertid buediameteren forholdsvis stor.

Fra tysk patentskrift nr. 1.054-140 er der kjent en bryter med et slukkekammer inneholdende slukkeblikk uten lopeskinner. Ved enden av slukkekammeret er der anordnet ekspansjonskammere for

de varme gasser. De parallelt med lysbuens bevegelsesplan anordnede kammervegger konvergerer med tiltagende avstand fra kontaktene og danner derved en dyse, hvis munning blir dannet av parallelt og i liten avstand fra hverandre anordnede deler av kammerveggene. Under virkningen av magnetfeltet brer lysbuen- ség ut, og gassene som i det indre av slukkekammeret opphetes av lysbuen som forlenger seg, blir akselerert i dysen og avboyet ved en prellvegg som er anordnet foran dysemunningen, og med hvilken der frembringes en trykkstigning. Dermed omsettes gassens hastighet til trykk. I dysemunningen er der anordnet slukkeblikk som rager inn i den innsnevrede del av slukkekammeret. Dysen ender således mellom slukkeblikkene, og lysbuen er tvunget til å dele seg opp ennu innenfor dysen. Bryteren er således ikke egnet for store lysbuehastigheter.

Til grunn for den foreliggende oppfinnelse ligger den oppgave å forbedre de kjente brytere med slukkeblikk-kammere og lopeskinner med hensyn til koblingsevne. Oppfinnelsen beror på den be-traktning at det med en meget hoy lysbuehastighet selv uten sloyfedannelse er mulig å oppnå oppdeling av lysbuen og dermed innlop av buen mellom slukkeblikk med liten avstand hvis buen blir ytterligere avkjolt allerede for den treffer slukkeblikkene

Foruten blåsning med luft er også magnetisk utblåsning av lysbuen kjent. Ved den magnetiske blåsning blir Lorentz-kraftens komponenttrykk i lysbuens loperetning påvirket av blåsespolen.

Ved oppfinnelsen anvendes derimot til slukning av en lysbue ved akselerasjon av plasma.slike forholdsreglerjtil akselerasjon av gasser som er kjent fra aerodynamikken, eksempelvis fra "Handbook of Fluid Dynamics", 1 utg. I96I, McGraw-HiD- Book Comp.Inc, New York, side 27-18 til 27-20, særlig formlene 27.43 ;og 27.44.

Den nevnte oppgave blir således ifolge oppfinnelsen lost ved at slukkekanalen mellom koblingskontaktene og slukkeblikkene på tvers av koblingskontaktenes bevegelsesplan og av lysbuens bevegelsesplan har en dyseformet tverrsnittsinnsnevring dimensjonert for en aerodynamisk akselerasjon av den lysbue som trer inn mellom slukkeblikkene bak dysemunningen.

I dysen blir trykket omsatt til gasshastiighet og lysbuen akselerert til en meget hoy lope.hastighet. For en stromnings-hastighet av plasmaet noe i underkant av Mach 1 er det tilstrekkelig med en dyse som bare har en tverrsnittsinnsnevring dimensjonert for aerodynamisk akselerasjon. Stromningshastigheter over Mach 1 oppnår man med en dyse hvis tverrsnitt i tilslutning til innsnevringen igjen utvider seg. Ved hjelp av den aerodynamiske akselerasjon av lysbuen til en slik hoy hastighet oppnår man en ytterligere aerodynamisk kjoling av buen og dermed en tilsvarende forbedretslukkevirkning.

Med slike brytere kan der oppnås slukkefeltstyrker på 200 V/cm og mer.

Dyseprofilet velges slik at man får en plasmaakselera-sjon. I dette oyemed blir de storrelser som innvirker på plasmabeve-gelsen, nemlig dysetverrsnittet A, den elektriske ledningsevne cTT

den magnetiske flukstetthet B, den elektriske feltstyrke E, trykket p, adiabateeksponenten^ og den omsatte varme Q i henhold til de fra aerodynamikken i og for seg kjente regler valgt slik at hastighets-endringen med tiltagende strekning x i stromningsretningen blir

Spesielt må endringen i Mach-tallet være

I den del av slukkekammeret som begrenses av kammerveggens elektrisk ledende deler, de såkalte lopeskinner, blir lysbuen akselerert aerodynamisk. Lysbuen loper inn med hoy hastighet selv i; blikk med liten avstand og opptar der en hoy spenning selv uten sloyfedannelse. Med slike brytere kan der oppnås slukkefeltstykker på 200 V/cm og mer. Ved hjelp av dysen blir lysbuen også forhindret fra å slå tilbake til koblingskontaktene. Tilbaketenninger vil således ikke kunne opptre.

Med sloyfedannelsen ved de kjente brytere får man en hoyning av spenningen på dellysbuen i tillegg til den spenningshoyde som opptrer på grunn av blikkenes kjolevirkning. Ved bryterne ifolge oppfinnelsen spiller kjolevirkningen av blikkene likéLedes en rolle,

den blir til og med oket på grunn av blikkenes lille avstand, som kan gå ned i mindre enn 1 mm, den vesentlig mindre lengde av dellysbuene og den hoye hastighet hvormed lysbuen treffer blikkene. Spennings-hoyningen ved sloyfedannelsen blir ved bryteren ifolge oppfinnelsen kompensert ved en intens aerodynamisk kjoling som kommer i tillegg til kjolingen ved hjelp av blikkene, og som i almindelighet tiltar med okende treffhastighet. Lysbuens inngang mellom blikk med en slik kort avstand blir gjort mulig av den okende vandringshastighet. An-tallet av blikk og dermed av dellysbuer kan ved samme kammerbredde okes tilsvarende. Dermed fås en tilsvarende hoynet slukkespenning.

På grunn av den sprangvis hoynede lysbuespenning ved inngangen mellom slukkeblikkene fås tilsvarende reduserte slukketider og dermed kor-tere koblingstider for bryteren.

Til videre belysning av oppfinnelsen skal der henvises til tegningen, som skjematisk anskueliggjør et utførelseseksempel på en bryter ifølge oppfinnelsen. Fig. 1 viser tverrsnitt av en bryter med en slukkekanal, tatt i koblingskontaktenes bevegelsesretning. Fig. 2 viser snitt av slukkekanalen loddrett på kontaktenes bevegelsesretning. Fig. 3 viser en spesiell utførelsesform av slukkekammeret.

På fig. 1 betegner 2 koblingskontaktene hos en elektrisk bryter, f. eks. for en likestrøm av ca. 300 - 3000 A og en spenning av 320 V, 4 løpeskinnen, som begrenser slukkekanalen, og som lysbuen vand-rer langs, og 6 slukkeblikkene. Retningen for den relative bevegelse av koblingskontaktene 2, hvorav den ene i almindelighet kan være fast og den annen bevegelig, er antydet ved en dobbeltpil. Løpeskinnene 4 ligger på samme potensial som de repsketive tilordnede koblingskontakter 2. Koblingskontaktene er tilsluttet hver sin likestrømklemme P resp. N. Slukkeblikkene kan bestå av 1 mm tykt jernblikk og være fordelt over slukkekanalens bredde b på ca. 30 mm med jevne avstander av ca. 0,5 - 2,5 mm, fortrinnsvis ca. 0,7 - 2mm. Slukkeblikkenes maksimale høyde h kan utgjøre omtrent 35 mm.

En gunstig virkning på lysbuens inngang mellom slukkeblikkene 6 fås på kjent måte ved at disse er utformet forskjellig ved sin ene ende, altså ved den ende som vender mot koblingskontaktene. I øyemed kan f. eks. annethvert blikk være trykket inn noe(n mm, fortrinnsvis ca. 5 mm. Løpeskinnene 4 på sidene kan hensiktsmessig bestå av kobber eller utgjøres av forkobrede skinner.

Profilet av slukkeblikkene 6 og dyseformen av i det minste

en del av slukkekanalen 5 mellom koblingskontaktene 2' og slukkeblikkene 6 blir i henhold til fig. 2 begrenset av plater 8 av isolasjonsstoff i retning tvers på bevegelsesretningen for koblingskontaktene 2. Dyseformen i slukkekanalen dannes ved hjelp av innsatser 10, av elektrisk isolerende materiale, fortrinnsvis et bearbeidbart keramisk materiale eller kunststoff. Den mot slukkekanalens midtpunkt vendende overflate av delene 10 kan ved særlig høye løpehastigheter, særlig over Mach 1,

ha Laval-dyse-profil. Lysbuens inngang mellom slukkeblikkene 6 blir på kjent måte begunstiget av utsnitt 12.

Til forskjell fra utførelsesformen på fig. 21 med innsatser

10 til å danne disse profiler kan kammerveggene 8 og partiene 10 også være laget i ett stykke. Eventuelt kan det være hensiktsmessig ikke å utforme hele kammerrommet mellom koblingskontaktene 2 og slukkeblikkene 6 som dyse. Ender dysen 10 allerede et bestemt stykke nedenfor slukkeblikkene 6, vil den aerodynamiske akselerasjon av lysbuen ved hjelp av dysen 10 stadig inntre mellom dysemunningen og slukkeblikkene 6. For virkningen av dysen 10 er det heller ikke nødvendig at 'denne begynner ved den øvre ende av koblingskontaktene 2.

Med den dyseformede utførelse av slukkekanalen i samsvar med oppfinnelsen fås korte koblingstider. Koblingstiden blir vesentlig bestemt ved lysbuens varighet, d.v.s. tiden fra begynnende åpning av koblingskontakten 2 til strømgjennomgangens opphør. Med den viste vekselstrømbryter for ca. 300 - 3000 A nominell strøm, en fri bredde c av kammeret på f.eks. 10 mm og en kort avstand mellom' slukkeblikkene kan dysediameteren på trangeste sted a av dysen 10 utgjøre ca. 0,5 - 3 mm, fortrinnsvis ca. 0,8 - 2 mm og særlig ca. 1 mm. Med denne utformning av kammeret får man en slukkespenning på ca. 300 -; 400 V og en slukkefeltstyrke på ca. 100 - 150 V/cm.. For å slukke en likestrøm på ca. 2000 A behøver denne bryter bare 0,5 msec.

Ved en utførelsesform av bryteren ifølge oppfinnelsen for en kortslutningsvekselstrøm opptil omtrent 20000 A med en nominell spenning av 220 V og en frekvens av 50 Hz samt med en liten blikkavstand på f.eks.

1 mm og liten blikktykkelse på f.eks. ca. 0,5 mm kan minste dysediameter i en Laval-dyse i henhold til fig. 2 hensiktsmessig utgjøre ca. 1-2 mm, fortrinnsvis ca. 1,5 mm. Med denne bryter fås en slukke-

I

spenning på minst 300 V og dermed en slukkefeltstyrke over 150 V/cm. Denne bryter slukker lysbuen ved en strøm av ca. 2000 - 3000 A i løpet av ca. 0,3 - 0,5 msec. Koblingstiden for en bryter ifølge oppfinnelsen er på grunn av den forkortede slukketid så liten at der ved kobling av vekselstrøm fås en strømbegrensende virkning.

I en utførelsesform av bryteren med mindre strenge krav til koblingstid og derved noe lengre varighet av lysbuen er en vandringshastighet av lysbuen ved inngangsenden av slukkeblikkene på mindre enn Mach 1 tilstrekkelig. For slike driftstilfeller kan istedenfor den i utføreiseseksempelet valgte Laval-dyse også en normal konvergerende dyse strekke til for den aerodynamiske akselerasjon av lysbuen.

En særlig liten utstrekning og kompakt byggeform av slukkekammeret 5 fås med en dyse hvis munning rager inn i utsnittet 12. I såfall kan slukkeblikkene 6 få et ekstra sideutsnitt som ikke er vist på figuren, eller også rage inn i den respektive øvre del av dyselegemet 10. Videre kan også de øvre deler av dyselegemet være forsynt med tilsvarende sideutsnitt for slukkeblikkene, som anskueliggjort på fig. 3- I denne utførelsesform er selvekammerveggen 14 mellom slukkeblikkene 6 og koblingskontaktene 2 utført som dyse.

Bryterens slukkespenning er idet vesentlige bestemt ved blikkenes tykkelse, avstand og antall. Blir blikkenes tykkelse og/ eller antall minsket ved en gitt kammerbredde, kan også slukkefelt-styrken ytterligere økes tilsvarende.

Med den dyseformede utførelse av slukkekanaltverrsnittet blir ikke bare stigningstiden for spenningen forkortet, men også dennes spredningsbredde minsket. Derved blir der likeledes oppnådd en minsknircj av koblingstiden.

Claims (10)

1. Elektrisk bryter, særlig for lavspenningskretser, med et slukkekammer som inneholder i forhold til hinannen bevegelige koblingskontakter, mellom hvilke der trekkes en lysbue, og tvers på koblingskontaktenes bevegelsesplan er avlukket med legemer av isolasjonsstoff, og som inneholder slukkeblikk som lysbuen beveges imot via ledende deler av kammerveggen, karakterisert ved at slukkekanalen (5) mellom koblingskontaktene (2) og slukkeblikkene (6) på tvers av koblingskontaktenes bevegelsesplan og av lysbuens bevegelsesplan har en dyseformet tverrsnittsinnsnevring dimensjonert for en aerodynamisk akselerasjon av den lysbue som trer inn mellom slukkeblikkene (6) bak dys emunningen.

2. Bryter som som angitt i krav 1,karakterisert ved at slukkekanalen (5) i lysbuens bevegelsesretning'har en utvidelse etter tverrsnittsinnsnevringen. .

3. Bryter som angitt i krav 2,karakterisert ved at slukkekanalen (5) i tverrsnitt har form som en Laval-dyse.

4. Bryter som angitt i krav 1/2 eller 3, karakterisert ved at blikkenes avstand utgjør 0,7 - 2 mm.

5. Bryter som angitt i krav 4,karakterisert ved at blikkenes avstand utgjør ca. 0,8 - 1,2 mm. <1>.6. Bryter som angitt i krav 4 eller 5 for jen likestrøm av ca.

300 - 3000 A og med en kammerbredde av ca. 30 mm, karakterisert ved at minste dysediametie<r> utgjør ca. 0,8 - 2 mm.

7. Bryter som angitt i krav 6,karakterisert ved at dysediameteren utgjør ca. 1 mm.

8. Bryter som angitt i krav 4 eller 5 for 'en kortslutnings-vekselstrøm opptil ca. 20000 A ved en spenning av ca. 220 V og en frekvens av 50 Hz og med en kammerbredde av ca. 20 mm, karakterisert ved at minste dysediameter utgjør 1 - 2 mm.

9. Bryter som angitt i krav 8,karakterisert ved at minste dysediameter utgjør ca. 1,5 mm.

10. Bryter som angitt i et av kravene 1-9 med slukkeblikk forsynt med en uttagning ved underkanten, karakterisert ved at dysemunningen rager inn i uttagningen.