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Schaltanordnung für Gleich- und Wechselstrom Die Erfindung betrifft
eine Schaltanordnung für Gleich- und Wechselstrom mit synchron arbeitender Mehrfachunterbrechung.
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Es ist bekannt, daß die Zündung einer Entladung durch eine Luftstrecke
mindestens etwa 350 V erfordert. Auf dieser Tatsache beruhen die Deion-Schalter;
welche bei höheren Spannungen die Wiederzündung eines erloschenen Schaltlichtbogens
dadurch verhindern, daß sie den Schaltlichtbogen durch metallische Zwischenwände
in viele Teillichtbögen auftrennen.
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Weiterhin sind Schaltanordnungen für Wechselstrom bekanntgeworden,
welche eine synchron arbeitende Mehrfachunterbrechung aufweisen. Beispielsweise
sind drei in Reihe geschaltete Trennstrecken vorgesehen. Infolge der geringen Kontäkttrennungsentfernung
kann bei dieser Anordnung ein Lichtbogen von höchstens 1 mm Länge auftreten. Bei
dieser und derartigen weiteren Anordnungen ist es nicht mehr neu, den Schalter in
Abhängigkeit der Stromkurve des abzuschaltenden Wechselstromes insbesondere etwas
vor dem Stromnulldurchgang synchron zu öffnen.
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Außerdem sind Anordnungen bekannt, die-Anzahl der einzelnen Trennstrecken
in Abhängigkeit von den Verhältnissen der Spannung, des Stromes und des Spannungsabfalles
in den Unterbrechungslichtbögen zu bemessen.
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Es stellt eine allgemein bekannte Maßnahme dar, zu dem oder den Lichtbogenkontakten
einen Parallelschalter vorzusehen. Auch sind Parallelpfade mit Kondensatoren, Widerständen
und Gleichrichtern bekannt.
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Im.Gegensatz hierzu handelt es sich bei der Erfindung um die Ausnutzung
einer anderen Tatsache, nämlich der Tatsache, daß für die Existens eines Lichtbogens
eine Mindestspannung von etwa 10V erforderlich ist, nämlich die Spannung für den
Kathoden-und Anodenfall. Dies gilt unabhängig von der Stromstärke zwischen etwa
1 A und beliebig großen Strömen.
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Die Erfindung betrifft eine Schaltanordnung für Gleich- und Wechselstrom
mit synchron arbeitender Mehrfachunterbrechung. Erfindungsgemäß ist die Zahl der
in Reihe geschalteten Trennstrecken (n) mindestens gleich dem Quotienten aus der
treibenden Spannung (E) des Stromes und der Brennspannung (UB), etwa 10 V,
nämlich als Spannungssumme des Anoden- und Kathodenfalles eines an den Trennstrecken
auftretenden Lichtbogens
Der Vorteil der vorliegenden Anordnung liegt darin, daß eine eindeutige Lehre für
die Bemessung der Anzahl vorzusehender Trennstrecken unter Voraussetzung einer sicheren
Lichtbogenvermeidung gegeben wird.
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Die Ausbildung eines Lichtbogens beim Öffnen eines mechanischen Schalters
wird dadurch vermieden, daß viele in Reihe geschaltete Trennstrecken verwendet werden,
so däß auf jede Trennstrecke nur eine Spannung entfällt, die kleiner ist als die
Mindestbrennspannung eines Lichtbogens. Auf diese Weise ist die Entstehung eines
Lichtbogens von vornherein verhindert, im Gegensatz zu einem Deion-Schalter, bei
dem zunächst ein längerer Lichtbogen gezogen und dieser in mehrere Teillichtbögen
aufgespalten wird, so daß nach der Löschung des Lichtbogens im Stromnulldurchgang
die Wiederzündung, die je Trennstrecke- mindestens 300 V verlangt, verhindert ist.
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Um die Lichtbogenbildung vollständig zu unterdrücken, müßte die Öffnung
der in Reihe geschalteten Trennstrecken vollkommen gleichzeitig erfolgen. Dies kann
praktisch nur angenähert verwirklicht werden; daher müssen bei dem Schalter nach
der Erfindung kurzzeitige Lichtbögen in Kauf genommen werden. Ihre Brenndauer entspricht
der Zeitdifferenz der Öffnungsaugenblicke der einzelnen Trennstrecken gegeneinander,
die praktisch je nach der Konstruktion 10-3 Sekunden oder kleiner sein kann. In
besonderen Fällen kann es zweckmäßig sein, dieser Zeitdifferenz absichtlich eine
bestimmte Größe zu geben, vor allem, wenn der zu unterbrechende Stromkreis Induktivität
enthält. Denn die magnetische Energie 0,5 - L - 12 des Stromkreises verhindert ein
plötzliches Abhacken des Stromes. Für die Brenndauer 4 t des Schaltlichtbogens gilt
in diesem Fall die Gleichung
Dabei ist L die Induktivität und 1 der Strom des Stromkreises; n ist die
Zahl der Trennstrecken, UB
die mittlere Brennspannung jeder
Trennstrecke und J t die Brenndauer. Man sieht aus dieser Gleichung, daß man durch
Erhöhung der Zahl n die Brenndauer :A t des Schaltlichtbogens beliebig abkürzen
kann, allerdings wird dabei unter Umständen die Gesamtspannung n - uB am
Schalter größer als die Netzspannung, d. h., es tritt eine Überspannung von der
Größe n - uB auf. Im Gegensatz zu anderen Fällen ist diese Überspannung definiert,
d. h. durch die Zähl n der Trennstrecken in die Hand der Konstrukteure gelegt. Die
Brennspannung uB des Bogens beträgt mindestens 10 bis 15 V, mit wechselnder Bogenlänge
steigt sie schon bei Längen von wenigen zehntel Millimetern auf 20 bis 40 V an.
Ebenso kann sie kurz vor dem Erlöschen des Stromes, d. h. beim Überschreiten des
für eine Bogenentladung gültigen Mindeststromwertes von etwa 0,5 A, stark anwachsen.
Damit dabei keine Überspannung auftritt, können Dämpfungsglieder parallel zu allen
oder zu einem Teil der Trennstrecken geschaltet werden. Verwendet man Kondensatoren
parallel zu allen oder zu einem Teil der Trennstrecken, so läßt sich vollkommene
Lichtbogenfreiheit der Unterbrechung auch bei kleinen Zeitdifferenzen der einzelnen
Schaltzeitpunkte gegeneinander und auch in induktiven Kreisen erzielen, wenn die
Kondensatoren so groß gewählt werden, daß der Spannungsanstieg an ihnen im Augenblick
der Kontaktöffnung
nicht größer als etwa 107 bis 10s V/s beträgt. An sich sind derartige Nebenwege
zum Schalter zur Vermeidung von Lichtbögen bekannt, sie haben aber bei dem Schalter
nach der Erfindung besondere Bedeutung. Während nämlich bei einem normalen Schalter
mit einer Trennstrecke bei einer geringen überschreitung des zulässigen Spannunganstieges
von 106 bis 107 V!s Stehlichtbogenzündung auftritt, wird bei dem Schalter
nach der Erfindung ein etwa entsprechender Lichtbogen sofort nach Öffnung einer
genügenden Zahl von Trennstrecken erlöschen, da die erforderliche Spannung für Kathoden-
und Anodenfall nicht vorhanden ist. Das heißt also: Man braucht bei dem Schalter
nach der Erfindung die Parallelkondensatoren nicht so auszulegen, daß sie mit Sicherheit
die Bogenzündung verhindern, sondern nur so, daß sie diese Bogenzündung wahrscheinlich
verhindern; in Einzelfällen, in denen durch unglückliche Zufälle ein Bogen gezogen
wird, vermag die Reihenschaltung der Trennstrecken diesen Bogen sofort zu unterdrücken.
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Da eine Reihenschaltung vieler Trennstrecken einen entsprechend großen
Spannungsabfall des Stromes in geschlossenem Zustand zur Folge hat, kann es bei
größeren Strömen zweckmäßig sein, den Schalter nach der Erfindung durch einen parallel
geschalteten niederohmigen Kontakt zu überbrücken. Dieser Überbrückungsschalter
wird beim Einschalten kurz vor der Öffnung der Reihenschaltung der Trennstrecken
nach der Erfindung geöffnet.
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Die Anordnung nach der Erfindung eignet sich besonders dazu, bei Wechselstrom
die Schalteröffnung synchron mit dem Stromnulldurchgang vorzunehmen. Die Schwierigkeit
der synchronen öffnung besteht bei normalen Schaltern darin, daß sie sofort zu Rückzündungen
führt, wenn der öffnungszeitpunkt auch nur geringfügig hinter den Strommülldurchgang
fällt, was sowohl durch mechanische Ungenauigkeiten der Auslösung als auch durch
elektrische Verschiebungen des Stromnulldurchganges hervorgerufen werden kann. Beim
Schalter nach der Erfindung spielt eine solche ungewollte Verschiebung des Öffnungszeitpunktes
hinter den Stromnulldurchgang keine Rolle, da infolge der vielen Trennstrecken der
zunächst noch kleine Strom hinter dem Nulldurchgang in gleicher Weise abgehackt
wird wie ein solcher Strom kurz vor dem Nulldurchgang.
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Der Schalter nach der Erfindung eignet sich auch für häufige, insbesondere
für periodische Schaltvorgänge. Beispielsweise kann er als Gleichstromzerhacker
zur Erzeugung von Wechselstrom benutzt werden, wobei praktisch beliebige Leistungen
erzielbar sind. Denn es ist einfach möglich, mit mechanischen Kontakten Ströme von
Tausenden von Ampere zu beherrschen. Auch bei solchen Strömen ist die Mindestbrennspannung
eines Bogens 10 bis 15 V. Schaltet man genügend viele Trennstrecken in Reihe, kann
das Prinzip der Erfindung auch auf Hochspannungsschalter angewendet werden.
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Ebenso sind je nach dem Verwendungszweck Kontaktmaterialien zu wählen,
welche entweder kleinen Übergangswiderstand, wie Silber und Silberlegierungen, oder
hohe Lichtbogenfestigkeit, wie Wolfram oder wolframlegierte bzw. -gesinterte Materialien,
haben.
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Da der Schalter nach der Erfindung eine zwangsweise und definierte
Unterbrechung bzw. Verhinderung des Schaltlichtbogens ermöglicht, eignet er sich
besonders für Grenzfälle, d. h. extrem hohe Gleich-oder Wechselspannung und für
extrem hohe Gleich-oder Wechselströme, wie sie beispielsweise bei der Gleichstromhöchstspannungsübertragung
oder bei der Kernfusion auftreten.
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Die Ausführung des Schalters nach der Erfindung ist nicht auf Trennstrecken
in atmosphärischer Luft beschränkt, vielmehr können die Schaltstrecken auch im Vakuum,
bei vermindertem oder erhöhtem Gasdruck, wobei statt atmosphärischer Luft auch andere
Gase benutzt werden können, angewendet sein. Ebenso kann es zweckmäßiger sein, die
Schaltstrecken in Flüssigkeit anzuordnen, beispielsweise bei Hochspannungen in isolierenden
Flüssigkeiten, wobei diese unter statischen Überdruck gesetzt werden können. Auch
die Anordnung in leitenden oder halbleitenden Flüssigkeiten kann in besonderen Fällen
von Vorteil sein.