DE589710C - Elektrischer Schalter nach dem Expansionsprinzip - Google Patents

Description

DEUTSCHES REICH

AUSGEGEBEN AM 13. DEZEMBER 1933

REICHSPATENTAMT

PATENTSCHRIFT

KLASSE 21 c GRUPPE 36 os

2IC S HO. JO

Patentiert im Deutschen Reiche vom 26. Januar 1930 ab

Die Erfindung betrifft Flüssigkeitsschalter, insbesondere solche mit elektrolytischer Schaltflüssigkeit, bei denen der Unterbrechungslichtbogen in einer Löschkammer durch¹ .plötzliche Expansion des aus der Schaltflüssigkeit gebildeten Dampfes gelöscht wird. Die Lichtbogenlöschung erfolgt infolge der entionisierenden Wirkung des expandierenden Dampfes, und das Maß dieser Expansion darf einen gewissen Mindestwert nicht unterschreiten, um die Löschung herbeizuführen. Da die Expansionskammern für die starken Kurzschlußströme bemessen sein müssen, so reichen die von Lichtbögen mit kleinerer Abschaltstromstärke entwickelten Dampfmengen nicht mehr aus, um den für die Löschung erforderlichen Expansionsdruck in der Löschkammer zu erzeugen.

Nach der Erfindung wird diese Schwierigkeit dadurch überwunden, daß mit den Schaltstücken zusätzliche großflächige Elektroden verbunden werden, welche ebenfalls unter der Schaltflüssigkeit liegen oder in diese eintauchen. Hierdurch ist erreicht, daß infolge der Beteiligung der großflächigen Zusatzelektroden an der Stromleitung nach dem öffnen des Kontaktes die Stromdichte an den Lichtbogenschaltstücken so weit verkleinert wird, daß der Schalter bis zu großen Stromstärken als lichtbogenfreier Widerstandsschalter wirkt ■und erst darüber hinaus als Expansionsschalter. Die Zusatzelektroden werden so bemessen, daß bis zu demjenigen Minimalstrom, der zur sicheren Lichtbogenlöschung erforderlich* ist, noch kein Lichtbogen an den Schaltstücken entsteht. Mithin können mit dem so ausgebildeten Schalter alle Stromstärken unterbrochen werden.

Man ,kann zwecks Schaffung einer feststehenden Zusatzelektrode die Dampfkammer des Expansionsschalters· mit einem leitenden Mantel ausrüsten und diesen leitend mit dem feststehenden Schaltstück verbinden. ' Man kann ferner eine bewegliche Zusatzelektrode schaffen, indem man mit dem beweglichen Schaltstift eine glockenförmige, in die Schaltflüssigkeit eintauchende Zusatzelektrode verbindet.

In der Abb. 1 sind die bei einem nach dem Expansionsprinzip wirkenden Flüssigkeitsschalter auftretenden Verhältnisse dargestellt, wenn der Schalter mit einer halbleitenden Schaltflüssigkeit arbeitet, und zwar einmal für einen Schalter ohne Zusatzelektroden (Kennlinien A₁ B) und das andere Mal für einen Schalter, der mit Zusatzelektroden gemäß der Erfindung ausgerüstet ist (Kennlinie C). In der Abbildung ist auf der Abszissenachse die zu unterbrechende Stromstärke/ in Ampere, auf der Ordinatenachse

*) Von dem Patentsticher sind als die Erfinder angegeben worden:

Dr.-Ing. Frits Kesselring in Berlin-Hermsdorf und Werner Kaufmann in Berlin-Siemensstadt.

die Unterbrechungszeit t_a, also die Kontaktdauer bei Widerstandsschaltung, die Lichtbogendauer bei der Lichtbogenschaltung aufgetragen.

Die Kennlinie B stellt die Lichtbogendauer bei verschiedenen Stromstärken dar. Diese wird mit abnehmender Stromstärke / infolge des abnehmbaren.. Expansionseffektes immer größer, und unterhalb des Wertes b tritt überhaupt keine Lichtbogenlöschung mehr ein, weil die Spannung des bis zum Eintritt der Expansion entwickelten Dampfes zu gering wird. Wenn der Strom noch kleiner wird und den Wert α unterschreitet, tritt dann wieder eine ^Unterbrechung des Stromes ohne vorherige Lichtbogenbildung ein. Die sich in der halbleitenden Schaltflüssigkeit bewegende Lichtbogenelektrode wirkt in diesem Fall als Widerstandselektrode, die Schaltflüssigkeit als Elektrolytwiderstand. Die Kennlinie dieser Widerstandsschaltung ist in der Abbildung mit A bezeichnet. In dem durch Schraffur gekennzeichneten Gebiet zwischen den Werten α und b tritt somit bei der Anwendung von Lichtbogenelektroden allein eine Abschaltung nicht ein. Werden dagegen nach der Erfindung besondere parallel zu den Lichtbogenelektroden liegende Widerstandselektroden angewendet, die den Schaltbereich der lichtbogenfreien Widerstandsschaltung bis auf Ströme von der Größe c erweitern, dann wird das Verhalten des Schalters durch die stark ausgezogene Kennlinie C gekennzeichnet. Bei Strömen unter dem Wert c bildet sich kein Lichtbogen an den Lichtbogenelektroden. Der ganze Strom fließt durch die Widerstandselektroden und durch den Elektrolyten und wird lichtbogenfrei unterbrochen. Bei Strömen, die größer sind als c, wird dagegen der Lichtbogen gezündet und, da der Expansionsdruck bei diesen Stromstärken genügend hoch ist, durch die Expansion des Dampfes gelöscht.

In der Abb. 2 ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.

10 ist die als Expansionskammer ausgebildete Lichtbogenschaltstelle des Schalters. 11 ist der leitende Mantel der Expansionskammer, 12 ihr Isolierdeckel, 13 ein Zwischendeckel, der einen Dampfraum von dem Flüssigkeitsraum der Kammer abtrennt. Der Mantel 14 des Dampfraumes ist aus Isoliermaterial. 15 ist ein Metallboden, 16 ein Isolator, auf welchen die Expansionskammer aufgestellt ist. 17 ist das feste Schaltstück, das mit dem Boden 15 leitend verbunden ist. ist der bewegliche Schaltstift. Mit dem Schaltstift ist die Elektrode 19 verbunden, die einen Zylindermantel hat. Der untere Rand des Zylinders ist verdickt, um die Stromdichte zu begrenzen. Wie aus der Abbildung ersichtlich, ist der Schaltstift 18 um ein Stück länger als die Zylinderelektrode 19. 20 ist ein leitender Außenmantel, der ebenso wie der Mantel 11 durch den Boden 15 mit dem festen Schaltstück 17 leitend verbunden ist. Er bildet mit diesen Teilen zusammen den feststehenden Schalterpol. Der Innenmantel 11 und der Außenmantel 20 schließen einen rihgzylinderförmigen Raum 21 ein, der mit Widerstandsflüssigkeit gefüllt ist und zusammen mit der Zylinderelektrode 19 die Widerstandsschaltstelle bildet. Der obere Rand 22 des Außenmantels 20 ist &tark nach außen gebogen. 23 ist ein Isolierzylinder. Der unterhalb des Zwischendeckels 13 liegende Teil der Expansionskammer 10 ist mit Schaltflüssigkeit gefüllt. Der Strom wird etwa durch eine am Boden 15 befestigte Klemme dem feststehenden Schalterpol zugeführt und vom beweglichen Schaltstift 18 etwa mit Hilfe eines Gleitkontaktes abgenommen.

Die Wirkungsweise dieses Schalters ist folgende:

Der zu unterbrechende Strom liege unter dem Wert c nach dem Diagramm der Abb. 1. In dem Augenblick, wo der sich nach oben bewegende Schaltstift 18 das feste Schaltstück 17 verläßt, besteht zwischen den beiden Schaltstücken eine sehr geringe Spannungsdifferenz. Der Spannungsabfall in dem parallel zur Unterbrechungsstelle liegenden Flüssigkeitswiderstand ist nämlich, weil die in die Flüssigkeit eintauchenden Elektrodenflächen groß sind, bei der kleinen Stromstärke ,klein. Er genügt nicht, um einen Lichtbogen aufrechtzuerhalten. Da Z.U Anfang kein Lichtbogen entsteht, wird ein solcher auch bei zunehmender Entfernung der Schaltstücke, trotzdem sich infolge des gleichzeitigen Herausziehens der Elektrode 19 aus der Widerstandsflüssigkeit der Widerstand \^ergrößert, nicht gezündet werden. Der sich zwischen die Schalterpole einschaltende Flüssigkeitswiderstand wachst mit abnehmender Eintauchtiefe der Elektrode 19 ganz allmählich an, und damit nimmt der Strom, ohne einen Lichtbogen zu bilden, bis auf Null ab. Der Schaltvorgang ist beendet, wenn der Schaltstift 18, der mit dem Mänteln, dem Boden 15 und no dem Schaltstück 17 zusammen ebenfalls als Widerstandsschalter wirkt, die Widerstandsflüssigkeit 21 verläßt.

Der andere Fall ist der, daß der zu unterbrechende Strom größere Werte annimmt als c, bei denen eine Lichtbogenschaltung erfolgt. In diesem Fall liegt an den Schaltstücken 17, 18 sofort nach ihrer Trennung ine Spannung, die zur Zündung und Aufrechterhaltung eines Lichtbogens führt. Der Fall tritt dann ein, wenn bei dem gegebenen Anfangswiderstand der Widerstandsschalt-

stelle der zu unterbrechende Strom eine Größe erreicht, welche einen entsprechenden Spannungsabfall in dem Widerstand hervorbringt. Der Lichtbogen wird beim Fortschreiten des Ausschaltvorganges nicht mehr erlöschen, da der Flüssigkeitswiderstand mit austauchender Elektrode immer mehr anwächst. Der Lichtbogenwiderstand ist gegenüber diesem Parallelwiderstand klein. Es wird sich also

ίο an der Zylinderelektrode 19 ein Lichtbogen nicht bilden. Um die Lichtbogenbildung auch am Ende des Abschaltvorganges zu vermeiden, muß der Schaltstift ein genügendes Stück langer sein als die Elektrode 19. In dem Augenblick, wo der bewegliche Schalterpol die" in der Zeichnung punktiert eingetragene Lage erreicht, der Schaltstift also aus der öffnung im Zwischendeckel 13 heraustritt, erfolgt die Expansion des vom Lichtbogen aus der Schaltflüssigkeit im unteren Teil der Kammer entwickelten Dampfes durch die öffnung im Zwischendeckel. Infolge der bei der Expansion erfolgenden Kondensation des Dampfes im Lichtbogenpfad erfolgt beim Stromnulldurchgang die Löschung des Lichtbogens. Wie ersichtlich, ist in diesem Augenblick der untere Rand der Widerstandselektrode 19 bereits <,ein so großes Stück über den Spiegel der Flüssigkeit 21 herausgetreten und vom Rand 22 des Gefäßes entfernt, daß eine Rückzündung nicht mehr stattfinden kann.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Elektrischer Schalter nach dem Expansionsprinzip, dessen Schaltstücke in einer Dampfkammer unter einer halbleitenden Schaltflüssigkeit liegen, dadurch gekennzeichnet, daß mit den Schaltstücken zusätzliche großflächige Elektroden verbunden sind, die ebenfalls unter der Schaltflüssigkeit liegen oder in diese eintauchen.

2. Elektrischer Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dampfkammer mit einem leitenden Mantel ausgerüstet ist, welcher mit dem feststehenden Schaltstück in leitender Verbindung steht.

3. Elektrischer Schalternach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der bewegliche Schaltstift mit einer glockenförmigen, in die Schaltflüssigkeit eintauchenden zusätzlichen Elektrode verbunden ist.

4. Elektrischer Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzlichen großflächigen Elektroden so bemessen sind, daß bis zu demjenigen Minimalstrom, der nötig ist, um die Lichtbogenlöschung durch den Expansionseffekt zu gewährleisten, kein Lichtbogen an den Kontakten gebildet wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen