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Verfahren zum Löschen elektrischer Wechselstromlichtbögen.
Man hat bisher die Löschung der Unterbreehungslichtbögen in elektrischen Schaltern, Sicherungen od. dgl. vielfach dadurch herbeigeführt, dass man für eine energische Kühlung des Lichtbogens Sorge trug. Diese Kühlung erreichte man durch Einblasen von gasförmigen oder flüssigen Löschmitteln in den Lichtbogen. Insbesondere hat man auch vorgeschlagen, auf mechanische Weise fein zerteilte Flüssig- keit oder feste Stoffe einzublasen, um eine möglichst intensive Kühlung zu erreichen.
Die Erfindung hat ein neues Löschprinzip für Weehselstromlichtbögen zum Gegenstand, welches nicht auf der Kühlung des Lichtbogens, sondern auf einer besonderen Art der Entionisierung des Licht- bogenpfades im Augenblick des Stromnulldurehganges, nämlich durch Anlagerung von Masseteilchen an die im Lichtbogenpfad befindlichen elektrischen Ladungsträger beruht.
Brennt ein elektrischer Lichtbogen zwischen zwei Elektroden, so werden von dem elektrischen
Feld zwischen diesen Elektroden Ladungsträger (Ionen und Elektronen) bewegt und dadurch der Strom- nulldurchgang vermittelt. Bei Wechselstrom tritt nach jeder Halbperiode ein Nullwert des Stromes auf. In diesem Augenblick befinden sich zwischen den beiden Elektroden Ladungsträger, welche sich nicht gerichtet bewegen. Im allgemeinen wird nun durch die wiederkehrende Spannung zwischen den
Elektroden das elektrische Feld immer wieder neu aufgebaut, und dadurch werden die Ladungsträger wieder in Bewegung gesetzt, so dass der Strom weiterfliesst.
Da die Masse von Ionen und Elektroden ausserordentlich klein ist, bedarf es nur geringer elektrischer Felder, um ihnen grosse Geschwindigkeit zu erteilen. Zur Unterbrechung des Stromflusses erachtete man daher bis jetzt eine beträchtliche Schwächung des elektrischen Feldes für erforderlich, weshalb man grosse Öffnungsgeschwindigkeiten und Öffnungswege der Elektroden anwendete.
Die Erfindung besteht nun darin, dass in den Raum zwischen den Elektroden ein Stoff in seinem gasförmig oder tropfbar flüssigen Aggregatzustand oder in einer gasförmig oder tropfbar flüssigen Verbindung gebracht wird und dann solchen über mindestens einen Stromnulldurchgang des Wechselstromes andauernden Verhältnissen unterworfen wird, dass er sich in feinstverteiltem Zustand in der Form seines flüssigen oder festen Aggregatzustandes ausscheiden kann.
Wird so verfahren, dann lagern sich im Augenblick des Stromnulldurchganges an die im Lichtbogenraum befindlichen elektrischen Teilchen, insbesondere die freien Elektronen, kleinste Massepartikelchen des festen oder flüssigen Stoffes an und bringen dadurch den Lichtbogen zum Erlöschen.
Diese Anlagerung gelingt deshalb, weil die Elektronen das Bestreben zeigen, sich an Masseteilchen anzulagern, wenn sie in deren Wirkungssphäre kommen. Die Stoffteilchen haben aber nur eine sehr geringe Wirkungssphäre. Es genügt also eine einfache grobe mechanische Zerkleinerung zur Ausübung der erfindungsgemässen Wirkung nicht, sondern die Anzahl der den Lichtbogenraum füllenden masseteilchen muss so gross und ihr Abstand so klein sein, dass die freien Elektronen in die Wirkungssphäre der Teilchen kommen und sich anlagern.
Die Unterbrechung des Lichtbogens durch die Anlagerung erklärt sieh nun folgendermassen :
Selbst die kleinsten Stoffteilchen haben gegenüber den elektrischen Ladungsträgern eine tausendmal bis eine Million mal grössere Masse. Tritt nun die wiederkehrende Spannung auf, so greift das von ihr herrührende elektrische Feld an geladenen Teilchen an, welche aus den elektrischen Teilchen und den ihnen anhaftenden Stoffteilchen bestehen. Die Masse dieser Gesamtteilchen ist, wie erwähnt, tausendmal bis eine Million mal grösser als diejenige der elektrischen Ladungsträger vor der Anlagerung und
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ihre Beschleunigung im gleichen Verhältnis kleiner ; denn die elektrische Feldstä1ke hängt nur ab von der im Stromkreis wirksamen Spannung, wird aber durch die Stoffanlagerung nicht geändert.
Diese bis zu einer Million mal kleinere Beschleunigung der elektrischen Ladungsträger hat zur Folge, dass ein
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gruppen zusammen ein negatives Ion von grosser Masse.
In Fig. 1 bedeuten 1 und 2 die beiden Elektroden, zwischen denen der Lichtbogen brennt. Der Verlauf des Stromes i ist in Fig. 2 dargestellt. Im Punkt P hat der Strom den Wert Null. Zwischen den Elektroden 1 und 2 befinden sich elektrisch geladene Teilchen 3. Entsprechend der Kurve e entsteht zwischen den Elektroden 1 und 2 im Augenblick des StromnulldureLganges eine Spannung. Diese Spannung
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Die Beschleunigung b ist gegeben durch die Beziehung :
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Darin bedeutet E die elektrische Feldstärke in dem betreffenden Augenblick, q die Elementarladung der elektrisch geladenen Teilchen, 1/1. die Masse eines derartigen Teilchens.
Wird nun gemäss Fig. 3 einem Teilchen durch noch zu beschreibende Massnahmen Stoffmasse angelagert, so entsteht ein masseteilchen, dessen Gesamtmasse je = m + m'ist. Darin bedeutet m'die Masse der angelagerten Teilchen. Die Ladung dieses Masseteilchens ist naeh wie vor nur gleich der Elementarladung q. Die Beschleunigung wird nun
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Teilchen bewegen sich so gut wie gar nicht. Dies ist gleichbedeutend mit Stromunterbrechung.
Die zur Löschung des Lichtbogens erforderliche Bedingung, dass im Augenblick des Stromnull-
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des Stromnulldurchganges kühlt.
Acethylengas scheidet beispielsweise bei der Abkühlung Russ, Wasserdampf kondensiertes Wasser aus. Besonders eignet sich gesättigter Wasserdampf.
Dieses Verfahren, Gas oder Dampf in den Liehtbogenraum zu bringen, hat den grossen Vorzug. dass zufolge der Eigenschaft der Gase und Dämpfe, jeden Raum vollkommen auszufüllen (Expansion), jederzeit im Raum zwischen den Elektroden unverbrauchter Dampf oder unverbrauchtes Gas in genügender Menge, vorhanden ist und bei der Umwandlung des im Lichtbogen vorhandenen gas-oder dampfförmigen Stoffes immer wieder durch neuen ersetzt wird, so dass eine reichliche Ausscheidung anlagerungsfähiger Teilchen im Lichtbogenpfad im Augenblick des Stromnulldurchganges möglich ist.
Man kann diese natürliche Expansion in einem geschlossenen. die Elektroden umgebenden Raum noch durch Erzeugung einer kunstlichen Strömung durch den Lichtbogenpfad hindurch unterstützen, etwa indem man das Gas oder den Dampf aus dem Elektrodengefäss ausströmen lässt.
Die zur Ausscheidung der festen oder flüssigen Teilchen aus dem Gas oder Dampf nötige Kühlung kann man entweder dadurch erreichen, dass man das Gas oder den Dampf äussere Arbeit leisten (z. B. adiabatisch expandieren) lässt oder indem man ihm Wärme durch Wärmeübertragung entzieht. Die Erzeugung des ausscheidungsfähigen Dampfes oder gasförmigen Stoffes geschieht vorteilhaft durch die Hitze des Lichtbogens aus einer Flüssigkeit.
Da die Löschung des Lichtbogens durch Anlagerung nur während des Stromnulldurel ganges zu erreichen ist und es unter Verwendung einfacher Mittel nicht möglich ist, den anlagerungsfähigen Stoff gerade in diesem kurzen Augenblick zwischen die Elektroden zu bringen. wird man dafür Sorge tragen. dass die Anlagerungsmöglichkeit über eine Zeitdauer besteht, die mindestens ebenso gross ist als die Halbperiodendauer des zu unterbrechenden Wechselstromes. Damit diese Anlagerungsmöglichkeit während der ganzen Halbperiodendauer besteht, muss beispielsweise während dieser Zeit andauern frischer, anlagerungsfähiger Stoff in die Liehtbogenbahn geschafft werden.
Verwendet man. insbesondere zur Löschung des Lichtbogens, ausscheidungsfähige Gase oder Dämpfe in einem geschlossenen Elektroden-
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kühlung des gas-oder dampfförmigen Stoffes, welche zur Ausscheidung der festen bzw. flüssigen Teilchen erforderlich ist, über die Zeitdauer einer Halbwelle anhalten.
Zur Löschung des Lichtbogens nach der Erfindung braucht man also keinen Isolator zwischen die Elektroden und geladenen Teilchen einzuschieben. Hiemit kann das für diesen Zweck bisher meist verwendete Öldielektrikum fortfallen, und mit der Beseitigung des Öls, aus dem sich bekanntlich durch die Einwirkung des Lichtbogens und nach der Mischung mit Luft hochexplosible Gasgemische bilden, kommt eine Gefahrenquelle in Fortfall, die insbesondere den Schalterbau beeinträchtigte.
Ferner spielt die Elektrodenentfernung und ihre Offnungsgeschwindigkeit für die Löschung nur eine untergeordnete Rolle.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Verfahren zum Löschen elektrischer Wechselstromlichtbögen, dadurch gekennzeichnet, dass in den Raum zwischen den Elektroden ein Stoff in seinem gasförmigen oder tropfbar flüssigen Aggregatzustand oder in einer gasförmigen oder tropfbar flüssigen Verbindung gebracht wird und dann solchen über mindestens einen Stromnulldurchgang des Wechselstromes andauernden Verhältnissen unterworfen
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ausscheiden kann.