DE628749C

DE628749C - Elektrischer Schalter mit in Widerstandsfluessigkeit bewegten Elektroden

Info

Publication number: DE628749C
Application number: DE1930628749D
Authority: DE
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1930-01-26
Filing date: 1930-01-26
Publication date: 1936-04-15
Also published as: US1927893A; FR709393A

Description

Schalter mit elektrolytischer Schaltflüssigkeit, bei denen bei der Stromunterbrechung mit der Bewegung der Elektroden ein zunehmender Flüssigkeitswiderstand in den abzuschaltenden Stromkreis eingeschaltet wird, sind bekannt. Bei einem dieser bekannten Schalter wird eine Hohlelektrode aus der Flüssigkeit herausgezogen, aus der dann Flüssigkeitsstrahlen auslaufen, so daß im letzten Teil der Schaltbewegung der Widerstand durch Verlängerung der Flüssigkeitssäulen rasch anwächst. Alle diese Schalter sind nur zur Abschaltung relativ kleiner Ströme geeignet, während, wenn man sie mit höheren Strömen belastet, in irgendeinem Zeitpunkt des Abschaltvorganges ein Lichtbogen gezündet wird.

Gegenstand der Erfindung ist ein Schalter mit Widerstandsflüssigkeit, der zur Unterbrechung sehr hoher Ströme bei hohen Spannungen geeignet ist, also ein Hochleistungsschalter. Die Erfindung besteht darin, daß im ersten Teil des Ausschaltvorganges die Widerstandsänderung im wesentlichen durch Flächenverkleinerung, im zweiten Teil im wesentlichen durch Längenänderung des aktiven Widerstandskörpers erzeugt wird und die Elektrodenflächen derart bemessen und angeordnet sind, daß während der Ausschaltbewegung und insbesondere beim Übergang von der Widerstandsvergrößerung durch Flächenverkleinerung in diejenige durch Längenvergrößerung in keinem Raumelement der Flüssigkeit die Siedetemperatur überschritten wird.

Hierdurch ist einerseits eine schnelle Widerstandsvergrößerung bei mäßigem Elektrodenhub erzielt, anderseits ist die Gefahr, einer Verdampfung der Flüssigkeit und damit einer Lichtbogenbildung auch beim Abschalten großer Leistungen beseitigt.

Das der Erfindung zugrunde liegende Prinzip läßt sich mathematisch wie folgt fassen: ..

) fS.dt.<c-(DsP-"o

(x)

"o

Darin bedeutet:
j

= Stromdichte in A/cm²,

5* = spezifischer Widerstand der Flüssigkeit in Ohm/cm,

t_a = Abschaltzeit,

c = spezifische Wärme der Flüssigkeit W

^rr see

D_Sp = Siedetemperatur der Flüssigkeit beim

Druck p, D₀ = Temperatur der Flüssigkeit zur Zeit t = o..

Befindet sich in einer beliebigen Flüssigkeit eine beispielsweise halbkugelförmige Elektrode, so ist gemäß Abb. 1 der Widerstand r, sofern der Radius J₀ der Halbkugel

62874$

im Verhältnis zu den Gefäß abmessungen klein ist, angenähert durch folgende Formel gegeben:

Verkleinert man nun den Radius der Halbkugel, was dem' Herausziehen einer Elektrode aus der Flüssigkeit gleichwertig ist, so erkennt man, daß der Widerstand schließlich, für S₀ = O unendlich groß wird'. Liegt an diesem Flüssigkeitswiderstand gemäß Abb. ι eine konstante Spannung U₁ so wird" der Strom

Oq.

(3)

Die Stromdichte / ist gegeben durch den" Quotienten aus dem Strom und der Oberfläche F der Halbkugel und wird sonach

2 π U S₀

S-S_n

= i (4)

Aus (4) geht hervor, daß¹ im letzte» Teil des Ausschaltvorganges, d. h. für immer kleiner werdende Kugelobetvfläche, die Stromdichte: dem Wert Unendlich zustrebt.

Der Verlauf von Reststrom, Fläche und Stromdichte ist in Abb. 2 in Abhängigkeit von· S₀ dargestellt. Es ist wesentlich,, daß^ diese Betrachtung nicht nur für halbkugelförmige Elektroden, sondern fürganz beliebig geformte Elektroden' zutrifft. Die gleiche Erscheinung tritt auf,- wenn die positive und¹ negative Elektrode gleichzeitig aus der Schaltflüssigkeit austauchen' und somit die Flächen· der Elektrode und: der. Gegenelektrode während des- ganzen Ausschaltvorganges gleich; groß· sind". Die Ursache ist die Ausbauehung' der S tromlinien ζwis chen» den< Elektroden im der Flüssigkeit.

Der weitere Erfindungsgedanke zur Überwindung dieser prinzipiellen; Schwierigkeit besteht nun darin, daß die Querschnittsverminderung des aktiven Flüssigkeitsvolumens nur so weit getrieben wird, bis· die Stromdichte den durch. Gleichung (i), vorgeschriebenen; Grenzwert erreicht hat. Von diesem Zeitpunkt ab wird der Querschnitt nicht mehr weiter verringert, sondern der- Widerstand auf andere Weise erhöht. Dies kann z. B. dadurch erfolgen, daß in der letzten Schaltphase die bewegliche. Elektrode in Flüssigkeit mit hohem spezifischem Widerstand, eintaucht oder daß die während der letzten Phase wirksame Flüssigkeit einen positiven Temperaturkoeffizienten hat. Man kann ihre Flüssigkeiten von= verschiedenem spezifischem Gewicht sö> übereinandferschichten; daß' der spezifische Widerstand mit; fortschreitendem' A-usschaltvorgang zunimmt.

Eine weitere Maßnahme besteht darin, daß man die bewegliche Elektrode hohl macht, mit einer unteren Öffnung versieht und mit Flüssigkeit füllt. Nach der Trennung der Metalloberfläche dieser Elektrode vom Flüssigkeitsspiegel ist der Widerstand des Gebildes durch den aus der hohlen Elektrode austretenden Flüssigkeitsstrahl gegeben. Die Verlängerung dieses Flüssigkeitsstrahls führt zu jeder beliebigen Widerstandserhöhung '. ohne weitere Stromverdichtung. An Stelle des frei ausfließenden Strahls kann auch in der letzten Schaltphase aus dem Flüssigkeitskörper durch einen Isoliermantel ein säulen- förmiger aktiver Flüssigkeitskörper abgeschirmt werden, wodurch ebenfalls eine stetig anwachsende Widerstandserhöhung ohne Steigerung der Stromdichte erzielt wird.

Die Bedingungsgleichung (1) läßt sich besonders leicht erfüllen, wenn man die Flüssigkeit unter erhöhten Druck setzt, da dadurch ihr Siedepunkt heraufgesetzt wird und ein Ablösen der Flüssigkeit von der beweglichen Elektrode vermieden ist. Mit Rücksieht auf die Flüssigkeitsablösung ist es zweckmäßig, der beweglichen Elektrode eine Form zu geben, welche Flüssigkeitswirbel vermeidet, z. B. Tropfenform.

Zwei Ausführungsmöglichkeiten der Erfin- 9" dung sind in den Abb. 3, 4, 5 und 6 dargestellt.

In Abb. 3 bedeutet χ den feststehenden Flüssigkeitsbehälter, 2. die bewegliche, tropfenförmig ausgebildete Elektrode, 3 ein Schaltmesser, das in· der Einschaltstellung in die Häuptkontakte 4 eingreift und in fester Verbindung' mit der Schaltstange 5 steht. 6' ist ein· Ring aus Isoliermaterial zur Vermeidung elektrischer Entladung längs der Flüssigkeitsoberfläche 7, eine sogenannte Ionenbarriere. Die bewegliche Elektrode 2 besitzt an ihrem unteren Ende einen Raum 8, welcher sich beim Eintauchen mit der Schaltflüssigkeit anfüllt.

In Abb. 4· ist der Schalter kurz vor der Beendigung des Ausschaltvorganges dargestellt. Die Verbindung zwischen der beweglichen Elektrode 2 und dfem Flüssigkeitsspiegel 7 ist lediglich noch, durch den Flüssigkeitsstrahl 9 gegeben¹, dessen Widerstand mit zunehmender Länge dieses Strahls anwächst. Die Flüssigkeit kann aus dem Raum 8 unbehindert abströmen, da die Luft durch die öffnungen 10 freien Zutritt hat.

Die Wirkungsweise der Anordnung ist nun folgende:

Beim Bewegen- der. Schaltstange 5 nach oben trennen· sich zunächst das Schaltmesser 3 und die Kontakte^. Dadurch wird der Strom gezwungen, durch: die Flüssigkeit hindurchzufließen. Der Abstand zwischen

der beweglichen Elektrode und dem Flüssigkeitsgefäß ist in diesem Zeitpunkt noch sehr klein und damit der Widerstand entsprechend gering. Die Bewegung hat so zu erfolgen, daß beim Trennen der Hauptkontakte kein Schaltfeuer auftritt. Mit dem Weiterheben der Elektrode 2 verringert sich ihre benetzte Fläche, und damit vergrößert sich der Widerstand. Außerdem wird auch die Länge der Stromlinien vergrößert. Im Moment, da der untere Rand der beweglichen Elektrode den Flüssigkeitsspiegel erreicht, wird nun die Widerstandsänderung, welche bisher im wesentlichen durch Flächenverminderung

*5 hervorgerufen wurde, in eine Widerstandsänderung durch Zunahme der Länge des aktiven Widerstandskörpers umgesetzt. Dieser Zustand ist in Abb. 4 dargestellt. Das Volumen der Flüssigkeit in dem Raum 8 muß so bemessen werden, daß der Flüssigkeitspfad 9 am Ende einen derartigen Widerstand erreicht, daß die Unterbrechung des Reststroms störungsfrei erfolgt. Die Erfahrung zeigt, daß Ströme unter 5 Amp. im allgemeinen störungsfrei abgeschaltet werden.

Ein besonderer Vorteil dieser Anordnung ist darin zu erblicken, daß der Flüssigkeitspfad 9 relativ hoch belastet werden kann, da sich die aktive Flüssigkeit dauernd erneuert und die Wärme abführt. Besonders zweckmäßige Verhältnisse erreicht man in dieser Beziehung, wenn man die Flüssigkeit unter erhöhtem Druck ausströmen läßt. Um den Flüssigkeitsstrahl zusammenzuhalten, - kann ein an sich bekannter Strahlregler verwendet werden. Es kann auch der aus der beweglichen Elektrode austretende Flüssigkeitsstrom in ein Isolierrohr geführt werden, welches etwa an der Elektrode befestigt wird.

An Stelle eines einzigen Flüssigkeitspfades 9 können auch mehrere Flüssigkeitsstrahlen angeordnet werden, derart, daß mit fallendem Flüssigkeitsspiegel im Raum 8 diese Strahlen der Reihe nach zum Versiegen

+S gebracht werden.

In Abb. s und 6 bedeutet· 11 das Flüssigkeitsgefäß, 12 die bewegliche äußere, 13 die bewegliche innere Elektrode. 14 ist ein Isolierzylinder mit Öffnungen 15. Beim Abschalten wird zunächst die äußere Elektrode 12 nach oben bewegt und dadurch der Widerstand vornehmlich durch Verringerung des Querschnittes vergrößert. Im Moment, wo der Deckel 16 auf den Stellring 17 der inneren Elektrode 13 auf trifft, wird diese innere Elektrode (vgl. Abb. 6) aus dem Isolierrohr herausgezogen. Dadurch entsteht eine Widerstandsänderung bei praktisch gleichbleibender Stromdichte im wesentlichen durch Verlängerung des Widerstandskörpers.

Um störungsfrei einschalten zu können, ist es im allgemeinen zweckmäßig, den Hauptkontakt zuerst zu schließen. Zu diesem Zweck wird der Hauptkontakt 3-4 (vgl. z. B. Abb. 3) getrennt von der Flüssigkeitselektrode angeordnet und beim Einschalten vor dem Eintauchen der beweglichen Elektrode 2 geschlossen.

Um den letzten Reststrom sicher unter- . brechen zu können, ist es vorteilhaft, als oberste Flüssigkeitsschicht in an sich bekannter Weise, eine solche aus einer Isolierflüssigkeit zu verwenden, die vermöge ihres kleineren spezifischen Gewichtes auf der Schaltflüssigkeit schwimmt.

Um einen Funkenüberschlag nach der Trennung der beweglichen Elektrode von der Flüssigkeitsoberfläche sicher zu verhindern, wird der als feststehende Elektrode dienende Flüssigkeitsbehälter nach der Abbildung mit einem sich erweiternden Rand ausgebildet, so daß sich mit zunehmender Ausschaltbewegung der Abstand zwischen den Elektroden längs des Flüssigkeitsspiegels vergrößert.

Claims

85 Patentansprüche:

1. Elektrischer Schalter mit in Widerstandsflüssigkeit bewegten Elektroden, zwischen welche bei der Stromunterbrechung ein mit der Elektrodenbewegung zunehmender Widerstand eingeschaltet wird, dadurch gekennzeichnet, daß im ersten Teil des Ausschaltvorganges die Widerstandsänderung im wesentlichen durch Flächenverkleinerung, im zweiten Teil im wesentlichen durch Längenänderung des aktiven Widerstandskörpers erzeugt wird und die Elektrodenflächen derart bemessen und angeordnet sind, daß während der Ausschaltbewegung und insbesondere beim Übergang von der Widerstandsvergrößerung durch Flächenverkleinerung in diejenige durch Längenvergrößerung in keinem Raumelement der Flüssigkeit die Siedetemperatur überschritten wird.

2. Schalter nach. Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß aus der beweglichen, hohlen, mit Schaltflüssigkeit gefüllten Elektrode nach ihrer Trennung vom Flüs- no sigkeitsspiegel Flüssigkeitsstrahlen auslaufen.

3. Schalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der aus der beweglichen Elektrode austretende Flüssigkeitsstrahl in einem Isolierrohr geführt wird.

4. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der aktive Flüssigkeitskörper während der letzten Teiles der Ausschaltbewegung durch einen die bewegliche Elektrode umhüllenden Isoliermantel auf Säulenform abgeschirmt wird.

5· Schalter nach Anspruch ι, dadurch gekennzeichnet, daß mit fortschreitendem Unterbrechungsvorgang die bewegliche Elektrode in Flüssigkeit mit hohem spezifischem Widerstand eintaucht.

6. Schalter nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß mit fortschreitendem Unterbrechungsvorgang die bewegliche Elektrode in Flüssigkeiten mit positivem Temperaturkoeffizienten eintaucht.

7. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich mit der Ausschaltbewegung der Abstand zwischen den Elektroden längs des. Flüssigkeitsspiegels vergrößert.

8. Schalter nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß der Flüssigkeitsspiegel von konzentrischen * Isolierringen durchbrochen wird, die als Ionenbarrieren wirken.

9. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß .die Flüssigkeit unter erhöhten Druck gesetzt wird.
,

10. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Flüssigkeiten von verschiedenem spezifischem Gewicht derart übereinandergeschichtet sind, daß der spezifische Widerstand der Schichten mit fortschreitendem Ausschaltvorgang zunimmt.

11. Schalter nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die letzte Flüssigkeitsschicht aus einer Isolierflüssigkeit besteht.

12, Schalter nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen getrennt von der Flüssigkeitselektrode bewegten Hauptkontakt, der beim Einschalten vor dem Eintauchen der Flüssigkeitselektrode geschlossen wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen