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Elektrischer Stromunterbrecher l)ie Erfindung betrifft elektrische
Stromunterbrecher und bezieht sich insbesondere auf Stromunterl>reclier der Art,
wie sie in der britischen Patentschrift 499816 beschrieben sind, nämlich solche.
die aus einer Metallschicht bestehen, die vorzugsweise so dünn ist, daß eine Lichtbogenwirkung
sie bei einem geringeren Strom zerstört, als dem Schmelzpunkt der Metallschicht
entspricht.
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Bei elektrischen Stromunterbrechern dieser Art ergibt sich, obwohl
der die Schicht bildende Film bei einer Temperatur zerstört wird, welche unterlialli
des Schmelzpunktes liegt, mitunter die Schwierigkeit, daß der für die sofortige
Zerstörung des Films notwendige Temperaturanstieg sich selbstverständlich auch auf
den Träger des Films auswirkt. Dadurch wird der normale holte Widerstand des Triigers
verringert, und es ergibt sich eine gewisse schwache Leitfähigkeit. So kann es,
wenn beispielsweise als Träger gewöhnliches Glas ver--,vendet wird, «-elches einen
ihohen negativen Temperaturkoeffizienten besitzt, geschehen, daß der Unterbrecher
nicht zur Wirkung kommt, weil, wenn die Metallschicht zerstört wird, die Oberfläche,
von der er getragen wird, in steigendem Maße leitfähig wird. Selbstverständlich
ist das Maß des Ansteigens des zu unterbrechenden Stromes ein sehr entscheidender
Faktor. Wenn die Anstiegkurve sehr steil ist, ergeben sich keine derartigen Schwierigkeiten,
weil nicht hinreichend Zeit vorhanden ist, um auf den Träger eine genügende Wärmemenge
zu übertragen. Diese Schwierigkeit wurde nach gewissen Ausführungsformen der in
der britischen Patentschrift beschriebenen Konstruktion dadurch verbessert, daß
die leitende Schicht mit eitler derartigen
Einschnürung versehen
wird, daß an dieser Stelle die thermische Einwirkung stattfindet und dementsprechend
auch der Bereich der gesteigerten Leitfähigkeit des Trägers lokalisiert wird. Zusätzlich
mit dieser Maßnalhme wurde ein Werkstoff für den Träger gewählt, der einen niedrigen
Temperaturkoeffizienten aufweist, wie z. B. Tonerde oder Glimmer. Die Anwendung
dieser beiden Grundsätze ermöglicht die Herstellung eines Unterbrechers, der innerhalb
eines beträchtlichen Sicherheitsbereiches arbeitet, und zwar auch dann, wenn der
Fehlstrom sehr langsam, beispielsweise innerhalb eines Zeitraumes von mehreren Minuten,
ansteigt.
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Eine weitere Schwierigkeit hat sich jedoch bei Stromunterbrechern
nach der britischen Patentschrift in der Hinsicht ergeben, daß die Abschaltgeschwindigkeit,
wie bei sämtlichen, auf thermischer Grundlage arbeitenden Vorrichtungen, verhältnismäßig
langsam ist, während andererseits eine sehr hohe Abschaltgeschwindigkeit von äußerster
Wichtigkeit ist, insbesondere, wenn der Fehlstrom sehr schnell ansteigt, weil es
dann erwünscht ist, den Stromkreis zu unterbrechen, bevor der Strom einen gefährlichen
Wert annimmt.
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Gegenstand der Erfindung ist ein verbesserter Stromunterbrecher der
beschriebenen Art, bei welchem diese Nachteile vermieden werden und die Abschaltgeschw
indigkeit gesteigert wird.
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Um die Abschaltgeschwindigkeit zu steigern und als weitere Hilfe zur
Überwindung der erwähnten Schwierigkeit, daß .der Träger leitfähig wird, ist das
nachstehende Unterbrechen entwickelt worden. Der im wesentlichen gerade Weg der
leitenden Schicht wird durch einen kleinen Spalt unterbrochen, und dieser wird durch
einen Nebenweg umgangen, der vorzugsweise einen hohen Widerstand besitzt. Der normale
geringe Strom fließt dann durch den Nebenweg, weil der Spannungsabfall, der hierdurch
verursacht wird, nicht ausreicht, um den Spalt zu überbrücken. Wenn der Strom ansteigt,
steigt auch der Potentialabfall über den Nebenweg an, besonders dann um so mehr,
wenn die Temperatur in dem den Nebenweg darstellenden Leiter sich erhöht. Der Nebenweg
kann dann durch die Hitze zerstört werden, oder er wird zerstört, wenn der Spannungsabfall
einen solchen Wert erreicht, daß der Spalt durch einen Lichtbogen überbrückt wird
und der Film auf dem kalten Teil des Trägers schnell durch die Lichtbogenwirkung
zerstört wird. Die Lichtbogenbildung über den schmalen Spalt wird nicht nur begünstigt
durch den Spannungsabfall in dem Nebenweg, sondern auch durch die natürliche Tendenz
eines elektrischen Stromes, auf einem geraden Weg zu fließen. Die elektromagnetische
Kraft, die in dem Nebenweg entwickelt wird, steigt mit dem Strom an und unterstützt
derart die Überbrückung des Spaltes durch den Lichtbogen, mitunter ohne den Zeitverlust,
der zur thermischen Zerstörung der Einschnürung erforderlich ist. Das ist insbesondere
dann der Fall, wenn der Strom sehr schnell ansteigt, d. h. in den Fällen, in denen
eine schnelle Unterbrechung am meisten erwünscht ist. Die Zeit bis zum Wirksamwerden
kann weiter dadurch verringert werden, daß mehrere Spalte und Nebenwege vorgesehen
sind. Auf diese Weise werden mehrere Stellen geschaffen, in welchem die ionische
Zerstörung des Films beginnt und bis zu einer derartigen Gesamtlänge des Films erfolgt,
daß der Lichtbogen verlöscht.
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Der Nebenweg kann durch eine leitende Schicht von ähnlicher Ausbildung
wie die des geraden Weges gebildet werden. Es kann auch im Nebenweg eine Einschnürung
vorgesehen werden, um eine Stelle hohen Widerstandes zu schaffen.
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In den Abbildungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt.
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Fig. i stellt einen Vertikalschnitt durch einen Stromunterbrecher
nach der Erfindung dar, der die allgemeine Bauart desselben veranschaulicht; Fig.2
ist ein Grundriß des Stromunterbrechers und des Trägers; Fig.3 bis 6 sind Ausführungsformen
des Teiles des eigentlichen Unterbrechers, in welchem der Unterbrechungsvorgang
erfolgt; Fig. 7 ist,ein Grundriß des Teiles des eigentlichen Unterbrechers, in welchem
die Unterbrechung erfolgt, zusammen mit einem Teil des Trägers und des Behälters
und veranschaulicht insbesondere eine andere Form des Nebenweges; Fig. 8 bis io
stellen ähnliche Ausführungsformen dar wie Fig. 7.
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Wie aus Fig. i ersichtlich, besteht der Stromunterbrecher aus einer
dünnen Schicht i, aus Metall, die auf einen isolierenden Träger 2 in der in der
britischen Patentschrift 499816 beschriebenen Weise aufgebracht ist. Wie in dieser
erläutert, sind die Schicht i und der Träger 2 in einem Gehäuse eingeschlossen,
das aus einer Glasröhre 3 besteht, deren Enden durch Metallkappen 4 geschlossen
sind, durch welche die Außenanschlüsse hergestellt werden. Die Verbindungen zwischen
den Enden dieser Schicht i und den Endkappen 4 erfolgen über Drähte 5, die bei 6
an leitende Schichten 7 angelötet sind, welche auf den Enden der Schicht i niedergeschlagen
sind. Diese Drähte sind ferner mit den Endkappen in geeigneter Weise verbunden.
Sie bilden außerdem die Haltevorrichtungen für den Träger 2, wobei die mechanische
Festigkeit der Verbindung der Drähte durch Lötungen 8 erhöht wird. Der Behälter
wird mit Sand 8a gefüllt.
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Aus der Fig. 2 ist der gemäß der Erfindung vorgesehene Spalt und Nebenweg
der Schicht i ersichtlich, der in einfacher, folgender Weise hergestellt wird. Die
leitende Schicht i ist zwischen den Punkten
a und
b durch eine kurze
Abzweigung 9 von doppelter oder noch größerer Breite, die sich in seitlicher Richtung
nur nach einer Seite erstreckt, verbreitert. Diese Abzweigung g wird dann bei io
durch,Ritzen der fertigen Metallschicht mittels einer Nadel geteilt, wobei der Ritz
völlig quer durch den normalen Weg i hindurchgeht und sich bis nahe zum Rand der
Abzweigung g fortsetzt, deren Endteil aber unverletzt gelassen wird und in dem Nebenweg
9 eine Einschnürung i i bildet. Wenn
| der normale geringe Strom durch den Unterbrecher |
| fließt, fließt er durch den durch diese Einschnürung |
| i i gebildeten \elienw-eg, der vorzugsweise so eng |
| ist, ilaGi er eine» vergleichsweise hohen Widerstand |
| aufweist. Wenn der Strom ansteigt, steigt auch |
| der Potentialabfall über den Nebenweg an, und |
| zwar in manchen Fällen wegen der Steigerung der |
| Temperatur des Nebenweges sehr schnell. Wenn |
| der Strom bis auf den :\1>schaltwert ansteigt, kann |
| Zeit für die Zerstörung des Nebenweges ii durch |
| die Ritze vorhanden sein. Wird der Potentialabfall |
| über den Cherwe, dagegen verhältnismäßig hoch, |
| dann erfolgt sofort eine Lichtbogenbildung über |
| den Spalt, welcher durch den Ritz io gebildet wird, |
| und Gier Film i wird auf dem kalten Teil des Trä- |
| gers 2 durch Lichtüberschlag bei io zerstört. Wenn |
| keine Zeit für die Zerstörung des Nebenweges vor- |
| handen ist, wird der Potentialabfall über diesem |
| so groß, daß ebenfalls eine Lichtbogenbildung über |
| den Spalt erfolgt und der Film i mit größter Ge- |
| schwindigkeit auf (lern kalten Teil des Trägers 2 |
| zerstört wird. Natürlich kann die Einschnurung |
| so ausgeführt sein, daß die Unterbrechung niemals |
| durch die Ilitze, sondern stets durch einen Über- |
| schlag am Spalt io erfolgt. In jedem Falle sichert |
| der Spalt ein sehr schnelles Abschalten auf einem |
| kalten Teil des Trägers. |
| Es ist von besonderem Vorteil, daß die Unter- |
| brechung über (lern Spalt nicht nur durch den |
| Spannungsabfall in dem Nebenweg, sondern auch |
| durch die natürliche Tendenz eines elektrischen |
| Stromes, auf einem geraden Wege zu fließen, be- |
| günstigt wird. Die in dem Nebenweg hervor- |
| gerufene elektromagnetische Kraft steigt mit dem |
| Strom an und unterstützt daher zuweilen die Her- |
| beiführung des Abschaltens über den Spalt, ohne |
| thermische Zerstörung der Einschnürung. Selbst- |
| verständlich wird die :11)sclialtfähigkeit durch die |
| Breite der Einschnürting ii bestimmt. Man kann |
| die Einschnürting sehr kurz machen, so daß die von |
| dort ausgehende Wärmeenergie sehr gering ist. Die |
| Abmessungen können beliebig gewählt werden, |
| aber der Spalt io, der den geraden Weg unter- |
| bricht, muß schmal genug sein, um schnell durch |
| geringe Spannungen überbrückt zu werden. Sehr |
| günstige Ergel»iisse sind mit einem Spalt von |
| 0,i nim Breite erzielt worden, jedoch ist die Er- |
| findung keineswegs auf diese Abmessung des Spal- |
| tes beschränkt. Die beschriebene Ausführung ist |
| lediglich ein einfaches Beispiel, und es bestehen |
| viele andere Möglichkeiten, um einen Unterbrecher |
| nach der Erfindung herzustellen. |
| Beisl>ielsweisc können bei der vorstehend be- |
| schriehenen :ltisfiilirtiiigsform zur noch weiteren |
| Beschleunigung der Unterbrechung zwei weitere |
| Ritze 12 in jedem Ende des Nebenweges vor- |
| gesehen werden, wie (lies in den Fig.4 und 5 dar- |
| gestellt ist, wobei diese Ritze in den Abzweig g an |
| seinem \'erl)in(lutigsl)tuikt mit dem Hauptweg i ein- |
| schneiden und sich nahezu so weit erstrecken wie |
| der ursprüngliche Ritz io. Diese weiteren Ritze 12 |
| können entw-e(ler parallel zu dem Hauptweg, wie |
| nach Fig..I. oder in einem `'Winkel in den Haupt- |
| weg i, wie in Fig. 5 dargestellt, einschneiden. |
| Durch diese Ritze 12 wird der Zugang zu dem |
| Nebenweg schneller unterbrochen. Die zwei zusätz- |
| lichen Einschnürungen 13, die sich durch diese |
| weiteren Ritze 12 ergeben, können breiter sein als |
| die ursprüngliche Einschnürung i i, die sich durch |
| den ursprünglichen Ritz ergibt. |
| Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist |
| die folgende: Bei den vorstehend beschriebenen An- |
| ordnungen bilden die zwei Schenkel des Neben- |
| weges auf jeder Seite des Hauptritzes io einen |
| Kondensator. Dieser Kondensator liegt im Neben- |
| schuß des Widerstandes, welcher durch die Ein- |
| schnürung gebildet wird, jedoch unterstützt die in |
| dem Kondensator angesammelte Energie die Über- |
| brückung des Spaltes in dem Hauptweg durch den |
| Lichtbogen insbesondere, nachdem dieEinschnürung |
| auf thermischem Wege zerstört worden ist. Zu- |
| weilen ist es daher erwünscht, die Kapazität dieses |
| Kondensators durch eine diesem Zwecke dienende |
| Ausführung des Nebenweges zu steigern. |
| Zum Beispiel kann, wie in Fig.6 dargestellt, die |
| Abzweigung oder Verbreiterung an einer Seite des |
| Hauptweges rechteckige Form g° erhalten und sich |
| auf eine beträchtliche Entfernung längs des Haupt- |
| weges erstrecken, mit einer beispielsweise zwei- |
| oder mehrmals so großen Breite als der des Haupt- |
| weges. Der Ritz 1o°, der den Hauptweg i unter- |
| bricht, erstreckt sich ein kleines Stück in die Ver- |
| breiterung ga hinein, wo er im rechten Winkel auf |
| einen Schenkel eines langgestreckt U-förmigen Ritzes |
| 14 auftrifft, dessen zwei Schenkel sich einem Ende |
| der Verbreiterung ga nähern und dessen Boden in |
| der Nähe des anderen Endes liegt. Ein dritter Ritz |
| 15 verläuft in der Mitte zwischen den Schenkeln des |
| U-förmigen Ritzes 14 von einem Punkte, der sehr |
| nahe dem Boden des U-förmigen Ritzes liegt, voll- |
| ständig bis zu dem entfernten Ende der Verbrei- |
| terung ga, und Ritze 12a trennen die Verbreite- |
| rung ga von dem Hauptweg i an Punkten, die nahe |
| dem Hauptritz loa liegen. Bei dieser Anordnung |
| bildet der schmale Abstand lja zwischen dem Ende |
| des Ritzes 15 und dem Bodenteil des U-förmig ge- |
| stalteten Ritzes 14 die Einschnürung in dem Neben- |
| weg. Der Nebenweg selbst verläuft derart gewun- |
| den, wodurch die Kapazität zwischen seinen beiden |
| Schenkeln sehr erhöht wird. Die Wirkungsweise ist |
| die gleiche wie vorher. Wenn mit oder ohne ther- |
| mische Zerstörung der Einschnürung i ja der Span- |
| nungsabfall über diese Einschnürung zu hoch wird, |
| erfolgt eine Lichtbogenbildung über io°, und der |
| Film wird an einem kalten Teil des Trägers zer- |
| stört. |
| Es ist zu bemerken, daß viele Möglichkeiten be- |
| stehen, durch welche die erhöhte Kapazität zwischen |
| den Schenkeln des Nebenweges erreicht werden |
| kann. |
| Die Fig. 7, 8, g und io veranschaulichen Anord- |
| nungen, bei welchen der Nebenweg nicht aus einer |
| dünnen -Metallschicht besteht, sondern als ein be- |
| sonderer Leiter ausgebildet ist. So wird gemäß |
| Fig. 7 der Nebenweg durch einen Widerstand 16 |
| gebildet. In dem Hauptweg i ist der Ritz lob von |
ungefähr gleicher Dicke wie die vorher beschriebenen Ritze io und
ioa vorgesehen. Auf den beiden Seiten dieses Ritzes verläuft der Weg in rückwärts
geneigt verlaufenden Zweigen
17, deren Enden mit den Enden des Widerstandes
16 durch dickere Schichten 1
8 und Lötungen i9 in der gleichen Weise verbunden
sind, wie die Drähte 5 mit den Enden der Schicht i gemäß Fig. i und 2. Im Falle
dieser Abbildung kann selbstverständlich niemals eine Zerstörung des Unterbrechers
durch Wärmewirkung eintreten, sondern die plötzliche Zerstörung erfolgt immer durch
die Bildung eines Lichtbogens über den Spalt iob in dem Hauptweg i, wobei der Träger
2 kalt bleibt. Erwünschtenfalls kann der Widerstand 16 des Nebenweges auch einstellbar
ausgebildet werden, wie bei 16a in Fig.8 angedeutet, und das gewählte Widerstandsmaterial
kann einen hohen Temperaturkoeffizienten besitzen, um zusätzlich den Unterbrechungsvorgang
über den Spalt zu unterstützen.
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Gemäß Fig.7 und 8 liegen die Widerstände 16
und 16a außerhalb
der Röhre 3, welche Idas Gehäuse für den Stromunterbrecher darstellt. Gewünschtenfalls
kann der Widerstand auch innerhalb dieses Gehäuses liegen, wie dies bei i66 in Fig.
9 angedeutet ist. In allen diesen Fig. 7, 8 und 9 sind Ritze 12a entsprechend den
Ritzen 12 gemäß Fig. 5 gezeigt.
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In Fig. io ist eine Anordnung veranschaulicht, bei welcher der Nebenweg
durch einen Kondensator 2o an Stelle des Widerstandes 16 der Fig. 7 gebildet wird.
Ein Kondensator kann selbstverständlich nur bei mit Wechselstrom arbeitendem Stromunterbrecher
verwendet werden. Im übrigen ist die Arbeitsweise genau die gleiche wie die gemäß
Fig. 7, 8 und 9.
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Kurz gesagt, kann der Nebenweg durch einen beliebigen Stromkreis gebildet
werden, welcher die Unterbrechung durch Lichtbogenbildung über den Spalt bei einem
bestimmten Stromwert bewirkt.
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Es ist zu bemerken, ,daß erwünschtenfalls eine Mehrzahl von Spalten
und Nebenwegen an verschiedenen Stellen längs der Hauptschicht i vorgesehen werden
können. Dies bewirkt, wie oben erwähnt, eine weitere Verringerung der Zeitdauer
des Ansprechens, indem verschiedene Stellen geschaffen werden, an welchen die ionische
Zerstörung des Films beginnt.
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Zu Fig. 2 ist zu bemerken, daß gemäß dieser der Hauptfilm i in einer
zickzackförmigen oder gewundenen Anordnung verläuft. Der Zweck dieser Anordnung
besteht darin, daß der Widerstand vergleichsweise hoch wird, ohne daß die Gesamtlänge
des Stromunterbrechers unzulässig groß wird.
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Es ist ersichtlich, daß es gemäß der Erfindung wesentlich ist, die
mehr oder weniger gerade verlaufende leitende Schicht i an einer oder mehreren Stellen
durch einen Spalt io, ioa oder iob zu unterbrechen und diesen Spalt durch einen
geeigneten Nebenweg zu überbrücken. Der Nebenweg braucht nicht in der gleichen Ebene
wie der eigentliche Leiter zu liegen, und wenn dies nicht so ist, ergibt sich eine
weitere Erhöhung der Tendenz für die Auslösung der Unterbrechung, insbesondere bei
einem sehr schnell ansteigenden Strom. Beispielsweise kann die Unterlage in dem
Fall, in welchem der Nebenweg aus einer dünnen Schicht besteht wie der Hauptweg
(wie in Fig. i bis 6), die Form eines zylindrischen Stabes erhalten, so daß der
Nebenweg außerhalb der Ebene des Hauptweges liegt.
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Eine weitere Bedingung ist die, daß, wie nach der obenerwähnten britischen
Patentschrift, die leitende Schicht i vorzugsweise hinreichend dünn sein muß, um
durch die Lichtbogenbildung eines Stromes zerstört zu werden, der einen kleineren
Wert 'besitzt als der Strom, welcher sicher übertragen wird, wenn die Schicht nirgends
unterbrochen wäre. Auf diese Weise zerstört, wenn der Film i zufällig durch Korrosion
oder mechanische Einwirkung, wie Vibration oder Stoß, beschädigt worden ist, ein
über eine solche zufällige Unterbrechung gebildeter Lichtbogen augenblicklich den
Film. Langsame Erzeugung von Wärme und gefährliche Explosionen werden daher vermieden.
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In der britischen Patentschrift ist darauf hingewiesen, daß für die
Herstellung der Schicht i keine organischen Stoffe verwendet werden sollen. Es wurde
gefunden, daß bei einer Anordnung nach der vorliegenden Erfindung -die Schicht i
durch einen Überzug mit einem Firnis geschützt werden kann. Der Firnisüberzug wird
zwischen den metallischen Film i und den Sand 8a, der ihn umgibt, eingebracht, jedoch
darf sich kein Firnis zwischen dem Film und dem Träger 2 befinden, und der Träger
2 muß vorzugsweise aus anorganischem Werkstoff bestehen, wie in der britischen Patentschrift.