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Zur Umformung sehr hoher Spannungen sind von Erwin Marx Anordnungen angegeben worden. in denen der zur Umformung nötige periodische Stromdurchlass durch künstlich gezündete Lichtbogen zwischen Metallelektroden ermöglicht wird. Es ist bekannt, dass die Lichtbogen zwischen zwei Punkten der Elektrodenoberflächen entstehen und durch Luftströmung zu den in der Mitte der Elektroden befindlichen Luftausströmöffnungen wandern und dass weiterhin die Fusspunkte durch diese Öffnungen in ein
Gebiet ohne elektrische Beanspruchung getrieben werden. Erfindungsgemäss kann die Wirkungsweise solcher Anordnungen dadurch noch erheblich verbessert werden, dass die Gasströmung in geeigneter Weise geführt bzw. durch besondere Mittel beeinflusst wird.
Die wichtigsten Gesichtspunkte für eine Einrichtung zur Hochspannungsumformung sind erstens die mit dieser Einrichtung erzielbare Sperrspannung und zweitens die bei der Umformung auftretenden Verluste. Bei lichtbogenumformern lässt sich die Sperrspannung dadurch sehr hoch halten, dass die zwischen den Elektroden (und vor allem in dem Gebiet, in dem ein Rückschlag zu erwarten ist) durch den Lichtbogen erzeugten Erscheinungen, nämlich Erwärmung und Ionisation, durch eine Gasströmung entfernt werden. Verbleiben erwärmte und ionisierte Gasteilchen nach dem Verlöschen des Lichtbogens in dem Gebiet zwischen den Elektroden, dann wird durch diese die Sperrspannung herabgesetzt.
Erfindungsgemäss muss die Gasströmung durch künstliehe Mittel so geführt werden, dass eine möglichst restlose und sofortige Reinigung dieses Rückschlaggebietes erfolgt. Solche besonderen Mittel zur Beeinflussung der Gasströmung kommen bei allen Umformungselektroden in Frage. Der Deutlichkeit halber sollen diese Mittel hier im Zusammenhange mit einer Elektrodenanordnung beschrieben werden, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist. Auf diesem Bilde sind nur die mit dem Lichtbogen in Berührung kommenden Elektrodenteile dargestellt. (Ein vollständiges Ventil siehe Erwin Marx, Lichtbogenstromrichter für sehr hohe Spannungen und Leistungen, Verlag Julius Springer, Berlin 1932, Bild 71, S. 112.) Die Elektrodenkühlung ist in Fig. 1 fortgelassen : die Gasströmung ist durch Pfeile angedeutet.
Der Lichtbogen entsteht periodisch zwischen den nächstliegenden Teilen der Elektroden J. Er wird durch die Gasströmung mitgenommen und seine Fusspunkte werden durch die beiden Ausströmöffnungen hinausgeblasen. Um die notwendige Regelmässigkeit bei der Wanderung des Lichtbogens zu erzielen, ist es erforderlich, dass das zuströmende Druckgas von allen Seiten gleichmässig zum eigentlichen Lichtbogenraum wandert. Eine solche gleichmässige Strömung lässt sich erfindungsgemäss durch den Führungsteil A sowie durch Siebe B erzielen. Diese Teile müssen natürlich
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kommen, dass durch unregelmässige Gaszuführung zu den Elektroden der Lichtbogen von der Mittelachse der Anordnung fortgetrieben wird und dass dadurch Riickziindungen erleichtert werden.
Es hat sich ferner als besonders wichtig herausgestellt, dass in der Gasströmung Wirbel vermieden werden, weil solche Wirbel Gebiete geringeren Druckes darstellen, in denen unter Umständen Liehtbogenreste zurückbleiben. Hiedurch werden Rückzündungeu oder auch Zündungen an ungewollten Stellen erleichtert.
Schliesslich ist es sehr wichtig, dass sich bei der Gasströmung keine Ablösung des Gasstromes von den Elektrodenoberflächen einstellt. Eine solche Ablösung kann bekanntlich eintreten, wenn eine Gasströmung an gekrümmten Flächen entlang geführt wird und wenn die Wandungen in der Strömungsrichtung zu
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stark gekrümmt sind. Löst sich bei den Liehtbogenelektroden der Gasstrom von der Elektrodenoberfläche ab, dann bleibt der Lichtbogenfusspunkt auf der Elektrode stehen, während der Gaskanal des Lichtbogens weiter mitgenommen wird. Es wird dadurch sowohl eine Herabsetzung der Sperrspannung wie eine Ver- ) grösserung der Lichtbogenverluste hervorgerufen, weil diese Verluste der Lichtbogenlänge proportional sind.
Solche Unregelmässigkeiten, Wirbel oder Gasablösungen lassen sich also erfindungsgemäss durch besondere Mittel, wie den Einbau von Führungskörpern oder Sieben, vermeiden. Die gleichmässige Gestaltung des Gasstromes und die Verhinderung von Wirbeln und Gasablösungen lässt sich ferner dadurch erzielen, dass die Gasströmung spiralförmig gestaltet wird. Es lässt sich das beispielsweise durch Führungsstücke erzielen, die den Leitschaufeln bei Turbinen ähneln.
Es ist klar, dass die Strömungsgeschwindigkeit in dem mittleren Gebiet zwischen den Elektroden besonders klein ist. Die Teile des Lichtbogens, die sieh dort bei seinem Verlöschen befinden, werden also nicht beseitigt und werden die Sperrspannung herabsetzen. Man kann diese Erscheinung erfindungsgemäss durch einen Rotationskörper vermeiden, der sich in der Mitte zwischen den Elektroden befindet (C in 'Fig. l). Anderseits kann der Luftstrom erfindungsgemäss durch besondere Mittel so geleitet werden, dass er auch dieses mittlere Gebiet reinigt. Hiezu können beispielsweise Ringe aus Isoliermaterial (z. B. die Teile L in Fig. 2) verwendet werden. Der Luftstrom bewegt sieh dann im wesentlichen von der Mittelebene aus nach beiden Elektrodenöffnungen hin und reinigt damit den ganzen Raum sicher.
Um hiebei auch den Raum unmittelbar über den Elektroden, besonders in der Nähe der Auflage der Ringe mit Sicherheit zu reinigen, können dort Öffnungen oder Aussparungen 111 angebracht werden, die die hiefür erforderliehe Luftstörmung ermöglichen. Die Formgebung dieser Führungsstücke L muss je nach Betriebsstromstärke, zu erzielender Sperrspannung. Elektrodenform, Druck usw. ganz verschieden gewählt werden.
Ihr Zweck ist also, die Luftströmung so zu gestalten, dass eine möglichst lückenlose Reinigung des Elektrodenzwisehenraumes von Lichtbogenresten erfolgt. Daher müssen diese Teile L so gebaut sein, dass sie die Sperrspannung nur wenig erniedrigen (bei hoher Sperrspannung wird meist eine kegelförmige Gestalt günstiger sein als die im Bilde dargestellte zylindrische), dass sie nicht verbrennen und dass sie die Lichtbogenverluste nicht zu stark erhöhen. Um solche verschiedenen Ausbildungsmöglichkeiten anzudenten, ist der eine Teil L mit einem ebenen Ring versehen.
Die Ablösung der Gasströmung von der Elektrodenoberfläche ist nicht nur in dem Gebiet von Wichtigkeit, das vor dem engsten Querschnitt der Ausströmöffnungen liegt, sondern auch in dem Gebiet. in dem sich die Ausströmöffnungen wieder erweitern. Wendet man hier keine besonderen Mittel zur Beeinflussung der Gasströmung an, dann schiesst die Gasströmung als konzentrierter Strahl mit grosser Geschwindigkeit durch den engsten Querschnitt der düsenförmigen Elektroden hindurch. Der Querschnitt dieses in rascher Bewegung befindlichen Gasstrahles erweitert sich nur ganz allmählich, und es bilden sie ! : zwischen diesem Gasstrahl und den Elektroden Gebiete mit Wirbeln. Die beiden Enden des Lichtbogens, die durch die düsenförmigen Öffnungen an den Elektroden herausgeblasen werden, sind zunächst dem in sehr rascher Bewegung befindlichen Gasstrom ausgesetzt.
Ein Lichtbogen wird bekanntlich ausserordentlich leicht durch Gasströmungen mitgenommen. Anderseits hat er das Bestreben, einen möglichst
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für sehr hohe Spannungen und Leistungen, Verlag Julius Springer, Berlin 1932, Abschnitt 10 und 11). Werden hier keine besonderenMittel angewandt, um die grosse Geschwindigkeit des Gasstromes rasch herabzusetzen, dann tritt eine starke Längung und eine durch grössere Wärmeabfuhr bedingte Erhöhung der mittleren Feldstärke des Lichtbogens hinter diesem engsten Querschnitt der Ausströmöffnungen ein.
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gemäss kann man diesem Nachteil dadurch abhelfen, dass man den konzentrierten Gasstrahl nach Durchlaufen des engsten Ausströmquerschnittes zerstört und zugleich die Gasgeschwindigkeit möglichst rasch vermindert.
Das kann beispielsweise dadurch geschehen, dass dem Gasstrom ein fester Körper ent- gegengestellt wird (siehe die Körper D in Fig. 1). Besteht dieser Körper aus einem feuerfesten Isolierstoff bzw. hat er eine Haube aus derartigem Material, dann bleiben die Liehtbogenfusspunkte auf den Elektroden. Durch das Aufprallen des Luftstromes wird aber die Geschwindigkeit der Luft und ihre Richtung so geändert, dass die Erhöhung des Spannungsabfalles nicht mehr oder nur noch in geringerem Masse eintreten kann. Dies wird noch besonders unterstützt dadurch, dass die leitenden Gasteile nicht durch den Luftstrahl fortgeschleudert werden, sondern in die Nähe der Metallteile gedrückt werden. Die Form des Körpers D kann wieder, je nach den Betriebsbedingungen, ganz verschieden gewählt werden.
Erfindungsgemäss kann dieser Körper oder ein der Ausströmöffnung gegenüber befindlicher Teil des Körpers aus Metall bestehen, das mit der Elektrode leitend verbunden ist. Dann wird der Lichtbogen. der mit den leitenden Gasteilen gegen den l\1etallkörper geschleudert wird. auf diesem Fuss fassen und ohne wesentliche Verlängerung von der Mittelachse aus nach aussen wandern. Diese Anordnung hat den besonderen Vorteil, dass dem Lichtbogen zu beiden Seiten seines Kanals Gelegenheit gegeben ist. sich an Metall anzuschmiegen. Der Metallkörper wird damit zu einem Teil der Elektrode.
Dieser Metallkörper kann erfindungsgemäss auch als Hauptelektrode ausgebildet werden. Es sind dann die bekannten Mittel zur Verminderung des Abbrandes auf ihn anzuwenden. Z. B. kann auf diesem 1\letallkörper die eigentliche Lichtbogenlauffläche aus einem ringförmig gebogenen Rohr aus-
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gebildet werden, das von einem Eisenstab getragen wird. Dieser Eisenteil kann zugleich zur Führung eines magnetischen Ablenkflusses benutzt werden.
Die bisherige Elektrode dient dann nur zur Zündung und zur Sehirmung der (heissen) Hauptelektrode, die damit dem Feld der zu sperrenden Spannung ent- rückt ist. Diese #Schirm"- oder #Zünd"elektrode wird dann nur sehr kurzzeitig durch den Lichtbogen beansprucht und braucht unter Umständen nicht durch besondere Mittel vor Abbrand geschützt zu werden.
Ein weiteres Mittel, um die Strömungsgeschwindigkeit des Gases zu vermindern, besteht erfindungs- gemäss darin, dass dort, wo der Strömungsquerschnitt sich stark erweitert und wo sich Wirbel bilden würden, eine Grenzschichtabsaugung oder ein Wegblasen dieser Grenzschicht vorgenommen wird. Dieses Verfahren der Beseitigung der Grenzschicht ist an sich in der Strömungslehre bekannt. Es bedeutet jedoch eine für die Umformung sehr wichtige Erfindung, dieses Verfahren hier zu dem speziellen Zweck anzuwenden, die Strömungsgeschwindigkeit des Gases zu vermindern.
Fig. 3 stellt eine Anordnung dar, bei der zwei Körper F so geformt sind. dass der Lichtbogen zwischen diesen Körpern möglichst ungefähr in der Mittelachse der Anordnung stehenbleibt, auch wenn ständig eine Gasströmung durch die ringförmigen Öffnungen a vorliegt. Dieses Verbleiben des Lichtbogens in der Mittelachse erreicht man besonders leicht, wenn der Liehtbogen durch eine schraubenförmige Gas- strömung umgeben ist. Die Elektrodenteile H, zwischen denen der Lichtbogen gezündet wird, führen bei dieser Elektrodenform den Lichtbogen nur sehr kurze Zeit, da dieser nach seinem Entstehen rasch auf die Teile F, die natürlich aus leitendem Material bestehen müssen überspringt.
Für die Lichtbogen- löschung sind jedoch diese Teile H äusserst wichtig, weil durch sie das elektrische Feld an den Lichtbogen- fusspunkten nach dem Verlöschen des Liehtbogens sofort herabgesetzt wird. Die Elektrodenteile H, von denen jeder mit dem zugehörigen Teil F leitend verbunden ist, stellen für die Liehtbogenlösehung
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vermeiden sollen. An Stelle der Ausführung einer leitenden Verbindung zwischen den Teilen H und F kommt es auch in Frage, zwischen ihnen eine bestimmte gleichbleibende oder periodisch veränderliche Spannung anzulegen, um zusätzliche günstige elektrische Wirkungen zu erzeugen.
Es ist nicht notwendig, dass die beiden Elektroden sowie die besonderen Mittel zur Steuerung der Gasströmung an beiden Elektroden gleichartig gestaltet sind. Die Erscheinungen an den Liehtbogenfuss- punkten sind voneinander verschieden (siehe das bereits angeführte Buch des Anmelders Erwin Marx, insbesondere Abschnitt 12. 13, 14 und 16). Man kann den bestehenden Unterschieden durch verschiedene
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sowohl bezüglich der Sperrspannung wie bezüglich der Liehtbogenverluste ein Optimum erreicht wird.
Es wurde bereits hervorgehoben, dass die Verwendung dieser und ähnlicher besonderer Mittel zur Beeinflussung derGasströmung natürlich nicht auf die hier erwähnten Elektrodenformen beschränkt ist, sondern dass diese in jedem Falle in Frage kommen, wo Lichtbogenlöschungen vorgenommen werden und hohe Sperrspannungen erzielt werden sollen. In jedem Fall ist bei der Lichtbogenlöschurg die Erzeugung grosser Wärmemengen von Nachteil. Diese zusätzlichen Mittel kommen ebenso in Frage bei Verwendung bewegter Elektroden zur einmaligen oder periodischen Lichtbogenlöschung.
Sie sind ferner verwendbar im Zusammenhang mit periodischen Änderungen der Gasdrücke, der Strömungsquerschnitte usw., wie sie zur weiteren Verkleinerung der Verluste, zur Verhinderung des Abbrandes und zur Gasersparnis denkbar sind.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Anordnung zur Umformung von elektrischen Spannungen durch Funkenstrecken in strömendem Gas, dadurch gekennzeichnet, dass Führungs-, L ? itkörper und die Grenzschicht behandelnde Einströmbzw. Absaugeöffnungen, insbesondere sowohl vor als auch hinter den Durehströmöffnurgen der Elektroden derart vorgesehen sind. dass durch die Gasströmurg eine gute Reinigung des RückzÜndg2bietes von Liehtbogenresten erzielt und eine starke Erhöhung der Lichtbogenspannung vermieden wird.