DE2903426C2 - Elektromagnetische Lichtbogenlöscheinrichtung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine elektromagnetische Lichtbögenlöscheinrichtung nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs. Eine solche Lichtbögenlöscheinrichtung ist aus der FR-PS 11 00 959 bekannt Es geht dabei um das Abschalten beliebiger elektrischer Wechsel- und Gleichstromkreise mittels Hochspannungs-Starkstrom-Schaltapparaten wie Schalter, Sicherungen oder Trennschalter, wobei der auftretende Lichtbogen durch die elektromagnetische Wechselwirkung aes Stroms der Bogensäule mit dem Magnetfeld auseinandergeblasen wird. Dabei nimmt er eine sich in Radialrichtung ausweitende Schraubenform an, und die Elektrodenspannung steigt an.

Bei der oberbegrifflich vorausgesetzten bekannten Ausbildung ist nur eine in Axialrichtung verschiebliche Elektrode vorhanden, die vor Beginn der Stromkreisauftrennung durch die gesamte Länge des Axialkanals ragt und mit außerhalb desselben gelegenen Kontakten Berührung hat. Zwischen diesen und dem ihnen zugewandten Ende der Lichtbogenlöschkammer ist noch eine kegelstumpfförmige Drahtspirale angeordnet, deren kleines Ende über eine die gesamte Anordnung weiter außen umgebende Spule mit den Kontakten verbunden ist und dessen großes Ende in die erste Windung des Schraubenlinienhohlraums der Löschkammer ragt.

Entfernt sich das Ende der Elektrode beim Auftrennen des Stromkreises von den Kontakten, so springt der Fußpunkt des entstehenden Lichtbogens bald von den Kontakten auf die Drahtspirale über, so daß jetzt die Spule stromdurchflossen wird. Danach läuft mit der weiteren Axialbewegung der Elektrode der eine Fußpunkt des Lichtbogens längs der Drahtspirale in die Löschkammer und erreicht an deren Ende bereits seinen größten Radius. Bei der weiteren Elektrodenbewegung verlängert sich der Lichtbogen entsprechend der Auseinanderbewegung der Elektrode von der Drahtspirale, wodurch weitere Lichtbogenwindungen hinzukommen. Diese Verlängerung des Lichtbogens geschieht aber nur linear mit der Entfernungsbewegung der Elektrode.

Weil bei dieser bekannten Anordnung die Drahtspirale zu Beginn des Ausschaltvorganges den Lichtbogen führt, wird gerade zu Beginn des Ausschaltvorganges noch keine wirksame Kühlung duch die schraubenlinienförmigen Löschkammerwände möglich. Außerdem ist diese Ausbildung recht kompliziert. Schließlich sind in der genannten Druckschrift keinerlei konkrete Angaben zur Bemessung der Löschkammer entnehmbar, so daß insoweit keine im Sinne einer kompakten Bauweise optimale Gestaltung vorliegt.

Aus der DE-PS 9 26 147 ist eine Lichtbögenlöscheinrichtung bekannt, bei der dem elektrischen Löschbogen eine stationäre Schraubenlinienform mit über die Zeit konstantem Radius aufgezwungen wird, und zwar im

wesentlichen dadurch, daß die Bogensäule durch Blasen mittels eines Gases oder eines quer zum Strom gerichteten Magnetfelds an die Wand von Innengewindegängen gedrückt wird. Dies kann jedoch nur eine begrenzte Verlängerung des Bogens bewirken. Zwa«' können auch hier die Lichtbogenkontakte in den axialen Kanal beidseits hineinragen, jedoch ist die konstr jktive Gestaltung dieser Löschkammer eine wesentlich andere. Hier sind grundsätzlich magnetische oder pneumatische Einrichtungen notwendig, um den Lichtbogen überhaupt »n eine Schraui«nlinienform zu bringen, wobei relativ enge Axialbohrungen am Außenumfang des schraubenlinienförmigen Löschkammerhohlraums eine Ausblasung des Lichtbogens stark behindern. Dadurch wird bei diesem Schalter die Löschkammerinnenwand unnötig stark beansprucht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektromagnetische Lichtbogenlöscheinrichtung für elektrische Schaltapparate zu schaffen, bei der die konstruktive Ausführung der Lichtbogenlöscheinrichtung es gestattet, den Lichtbogen beim Abschalten so weit zu verlängern, daß sich eine Erhöhung der Betriebsspannung bei vorgegebenen Abmessungen der Schaltapparatur unter Beibehaltung oder Steigerung ihrer Schaltgeschwindigkeit ergibt und sie dadurch in verschiedenartigen Hochspannungs-Starkstromschaltapparaten verwendbarwird.

Ausgehend von der eingangs genannten bekannten Ausbildung gelingt die Lösung der gestellten Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 genannten Merkmale.

Zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. Die in Anspruch 7 angegebene Verwendung der Lichtbogenlöscheinrichtung in Verbindung mit einem Schmelzleiter ist an sich aus der DE-PS 6 02 544 bekannt. Jedoch hat bei dieser bekannten Ausbildung der Schmelzleiter eine radiale Erstreckung, während bei der vorliegend vorgeschlagenen Ausbildung der Schmelzleiter selbst im Axialkanal der Lichtbogenlöschkammer liegt. Hieraus folgt ein verschiedener Betriebsablauf: Bei der bekannten Ausbildung entwickelt sich ein Lichtbogen zwischen dem Innenende des Schmelzleiters, der der Fußpunkt des Lichtbogens bleibt, und einem zentralen Leiter, längs dessen der andere Fußpunkt läuft. Dabei entwickelt sich der Lichtbogen auf dem Außenradius und liegt ständig an der Wand des Gehäuses an, so daß dieses aus einem entsprechend lichtbogenfesten Werkstoff gefertigt sein muß.

Bei der in Anspruch 7 vorgeschlagenen Ausbildung entsteht dagegen der Lichtbogen sofort auf seiner ganzen Länge, d. h. von vornherein mit der maximalen Zahl der Schraubenwindungen, und entwickelt sich gleichzeitig auf seiner ganzen Erstreckung in radialer Richtung. Auch hier tritt somit eine sehr schnelle und damit effektive Vergrößerung seiner Erstreckung auf.

Allen vorgeschlagenen Ausbildungen ist eigen, daß der Lichtbogen wegen seiner raschen axialen und radialen Ausdehnung eine jeweils nur kurzzeitige Wärmeeinwirkung auf die Hohlraumwand ausübt, so daß sich sehr schonende Betriebsbedingungen ergeben.

Die Erfindung wird nachfolgend durch die Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der beigegebenen Zeichnungen weiter erläutert. Es zeigt

Fig. I eine elektromagnetische Lichtbogenlöscheinrichtung für elektrische Schaltapparate in perspektivischer Darstellung,

F i g. 2 eine Ausführungsform der Lichtbogenlöschkammer der elektromagnetischen Lichtbogenlöscheinrichtung mit einem Hohlraum, dessen Profil verjüngt in Radialrichtung (im Längsschnitt) ausgeführt ist,

Fig.3 eine Ausführungsform der Lichtbogenlöschkammer, dessen Hohlraum ein 2ickzackförmiges Prof! (im Längsschnitt) aufweist,

Fig.4 eine Ausführungsform der Lichtbogenlöschkammer der elektromagnetischen Lichtbogenlöscheinrichtung mit Fixierelementen (im Längsschnitt),

F i g. 5 einen Schnitt nach der Linie V-V zu F i g. 4,

Fig.6 eine Ausführungsform der elektromagnetischen Lichtbogenlöscheinrichtung mit Stirnscheiben (im Längsschnitt),
Fig.7 eine Ausführungsform der elektromagnetisehen Lichtbogenlöscheinrichtung mit einem im Axialkanal angeordneten Stab aus Isolierstoff (im Längsschnitt),

F i g. 8 die elektromagnetischen Lichtbogenlöscheinrichtung einer Sicherung,

Fig.9 die elektromagnetische Lichtbogenlöscheinrichtung einer Sicherung und eines Trennschalters mit elektrischer Explosion.

Die elektromagnetische Lichtbogenlöscheinrichtung für elektrische Schaltapparate wird am Beispiel der Lichtbogenlöscheinrichtung eines Schalters beschrieben. In der Regel wird die Lichtbogenlöscheinrichtung parallel zu den Leistungskontakten des Schalters geschaltet, die für einen Stromfluß im Einschaltzustand sorgen.

Die elektromagnetische Lichtbogenlöscheinrichtung enthält eine Lichtbogenlöschkammer 1 (Fig. 1), deren Hohlraum schraubenlinienförmig gebogen ist, sowie einen Axialkanal 2 aufweist. Im Axialkanal 2 sind zwei Elektroden 3,4 angeordnet. Der Durchmesser der Elektroden 3, 4 wird durch den Wert des Betriebsstromes bestimmt und ist dem Durchmesser des Axialkanals 2 gleich. Als Material der Elektroden 3, 4 kommen beispielsweise wie üblich Kupfer, Kupfer-Wolf ram-Legierungen u. ä. in Frage. Die Lichtbogenlöscheinrichtung enthält außerdem wie üblich (in F i g. 1 nicht gezeigte Lichtbogenlöschspulen, die beispielsweise in Reihe mit der Lichtbogenlöscheinrichtung liegen und für die Erzeugung eines (in F i g. 1 durch einen Pfeil angedeuteten) Magnetfeldes in der Lichtbogenlöschkammer 1 während des Ausschaltens sorgen. Bei der betreffenden Einrichtung ist das Magnetfeld B in Achsrichtung der Lichtbogenlöschkammer 1 und der Elektroden 3,4 ausgerichtet, d. h., es ist ein Längsfeld.

Die Lichtbogenlöschkammer 1 der elektromagnetisehen Lichtbogenlöscheinrichtung ist zur erzwungenen Vorgabe der Bewegung in Radialrichtung eines schraubenlinienförmig gekrümmten zu löschenden Lichtbogens 5 (in Fig. 1 sind r — ein laufender Radius des schraubenlinienförmigen Lichtbogens 5 und F — eine Radialkomponente der elektromagnetischen Kraft auf Grund des Stroms des Lichtbogens 5 und des Magnetfeldes B, deren Richtung der Einwirkung auf die Säule des Lichtbogens 5 durch Pfeile angedeutet ist) vorgesehen. Diese Kammer 1 ist durch einen scftneckenförmigen Körper gebildet, der eine den genannten schraubenlinienförmigen, Δ breiten Hohlraum der Lichtbogenlöschkammer 1 bildenden Hohlraumwand 6 mit einer Schrittweite λ darstellt. Der vorliegende Hohlraum erfüllt die Rolle eines Lichtbogenlöschschlitzes der Einrichtung, dessen Breite samt den Werten des Stromes des Lichtbogens 5 und des Magnetfeldes B die Kenndaten des Lichtbogens, wie Stromdichte, Maße und Form des Querschnitts der Bogensäule, deren elektrische

Feldstärke und schließlich die Bewegungsgeschwindigkeit der Bogensäule bestimmt. Deshalb kann die Breite des schraubenlinienförmigen Hohlraumes der Kammer 1, wie es in den elektromagnetischen Lichtbogenlöschkammern üblich ist, 2 bis 10 mm betragen.

Die Schrittweite λ des schraubenlinienförmigen Hohlraumes der Kammer I wird möglichst klein gewählt und durch Werkstoff, Herstellungstechnologie, Betriebsverhältnisse und Lebensdauer der Lichtbogenlöschkammer 1, insbesondere durch die minimal zulässige Dicke (A—A) der Hohlraumwand 6 bestimmt. Die Hohlraumwand 6 der Lichtbogenlöschkammer 1 kann aus verschiedenartigen, darunter aus lichtbogenfesten und gaserzeugenden Isolierstoffen, speziell aus Gießharzen, beispielsweise vom Typ Polysulfan, Polykarbonat, Lawsan, gefertigt werden.

Die Wärmebeanspruchung der Wände der Lichtbogenlöschkammer 1 liegt bei der vorliegenden Konstruktion infolge größerer Bewegungsgeschwindigkeiten für die Bogensäule (s. unten) unterhalb der Wärmebeanspruchung der Wände existierender elektromagnetischer Labyrinth-Lichtbogenlöschkammern, und außerdem ist die Hohlraumwand 6 der Lichtbogenlöschkammer 1 von mechanischen Beanspruchungen infolge dessen zweiseitiger Beeinflussung seitens des Lichtbogens 5 im beträchtlichen Maße entlastet. Aus diesem Grunde sind die Anforderungen an das Material, aus dem die Hohlraumwand 6 der Lichtbogenlöschkammer 1 hergestellt wird, gegenüber den Anforderungen an das Material der bekannten Konstruktionen der elektromagnetischen Labyrinth-Lichtbogenlöschkammern weniger streng.

Die vorliegende Lichtbogenlöschkammer 1 kann durch Gießen oder Stanzen hergestellt werden. Hierbei ist es zweckmäßig, sie zusammensetzbar in Form eines Satzes hintereinandergeschalteter Elemente der Hohlraumwand auszuführen. Dies gewährleistet deren niedrige Kosten.

Die Absolutwerte des Durchmessers D der Lichtbogenlöschkammer 1 und ihrer Länge L werden durch die Betriebsspannung des Schaltapparates und dessen Schaltgeschwindigkeit (Berechnungsbeispiele sind nachstehend angeführt) festgelegt. Hierbei darf das Verhältnis des Durchmessers D der Kammer 1 zur Schrittweite λ des schraubenlinienförmigen Hohlraumes nicht unterhalb von 10 liegen, um eine beträchtliche Verlängerung des Lichtbogens 5 (um einen Faktor 10² bis 10³) gegenüber der das maximale Auseinanderziehen der Elektroden 3, 4 vorgebenden Länge L der Lichtbogenlöschkammer 1 zu sichern.

Der schraubenlinienförmige Hohlraum der Lichtbogenlöschkammer hat in Fig. 1 ein rechteckiges Profil. Zur Vorgabe einer Änderung der elektrischen Feldstärke der Säule des Lichtbogens 5 beim Abschaltvorgang, d. h. bei der Verringerung des Stroms, ist es aber zweckmäßig, ihn verjüngt in Radialrichtung auszuführen. In Fig.2 ist eine Lichtbogenlöschkammer 7 dargestellt, deren schraubenlinienförmiger Hohlraum ein trapezförmiges Profil aufweist

Es ist auch möglich, das Profil des schraubenlinienförmigen Hohlraumes der Lichtbogenlöschkammer 8 (F i g. 3) zickzackförmig in Radialrichtung oder die Lichtbogenlöschkammer mit einer variablen Schrittweite λ des schraubenlinienförmigen Hohlraumes auszuführen, was es gestattet die Bewegungsgeschwindigkeit der Bogensäule zu ändern. Ein großer Vorteil derartiger Ausführung des schraubenlinienförmigen Hohlraumes der Kammer 8 ist die Möglichkeit den Axialkanal 2 (Fig. 1) gegen die Einwirkung der Lichtstrahlung des sich in Radialrichtung ausweitenden Lichtbogens 5 abzuschirmen, was die Wiederherstellung der elektrischen ' Festigkeit des Mediums in diesem Axialkanal 2 beschleunigt. Darüber hinaus gestattet es die Zickzack- ' form des Profils des schraubenlinienförmigen Hohlraumes der Kammer 8 (F i g. 3), den Schalleffekt bei der Stromabschaltung zu verringern.

Zur Sicherung der Festigkeit, Steifigkeit und Erschütterungsunempfindlichkeit der Lichtbogenlöscheinrichtung enthält sie im schraubenlinienförmigen Hohlraum einer Lichtbogenlöschkammer 11 (Fig.4) angeordnete und mit den durch eine Hohlraumwand 12 gebildeten Wänden dieser Kammer starr verbundene Fixierelemente 9,10 (Fig.4, 5). Die Lichtbogenlöschkammer 11 weist auch einen Axiaikanai 13 auf, in dem Elektroden 14,15 angeordnet sind.

Die Fixierelemente 9, 10 (F i g. 5) liegen in zwei Reihen auf dem Umfang der Lichtbogenlöschkammer 11.

Die Fixierelemente 9 in der einen Reihe sind in Form zylindrischer Einsätze und die in der anderen Reihe angeordneten Fixierelemente 10 in Form von Rippen ausgeführt.

Die Fixierelemente 9, 10 sind aus einem Isolierstoff, beispielsweise aus dem Stoff der Lichtbogenlöschkammer 11 selbst, hergestellt und zum Beispiel durch Kleben befestigt.

Die Anordnung der Fixierelemente 9, 10 und deren Abmessungen werden durch den Werkstoff und die Herstellungstechnologie für diese Elemente 9, 10 und » die Kammer 11 bestimmt und haben eine ziemlich freie Bewegung des Lichtbogens 16 (Fig.5) zu gewährleisten. Die Lage der Säule des zu löschenden Lichtbogens 16 ist in zwei aufeinanderfolgenden Zeitpunkten im Vorgang seiner Bewegung in Radialrichtung a — zum Zeitpunkt der Umhüllung der Fixierelemente 9 und b — beim Herangehen an die Elemente 10 eingezeichnet.

Die Fixierelemente 9,10 können auch aus Metall hergestellt werden. In diesem Fall erfüllen sie zusätzlich die Rolle eines die Kenndaten der Lichtbogenlöschkammer 11 verbessernden Löschgitters. Hierbei muß jedes Fixierelement 9, 10 von den übrigen elektrisch isoliert werden.
Die Fixierelemente können auch zur Verbindung der einzelnen Teile der zusammensetzbaren Lichtbogenlöschkammer und zur Gewährleistung ihrer exakten Montage ausgenutzt werden.

Zur Ermöglichung einer Verschiebung der Fußpunkte des zu löschenden Lichtbogens in Radialrichtung ist es zweckmäßig, in die Lichtbogenlöschkammer Elemente aus einem elektrisch leitenden Werkstoff — am Anfang und Ende des schraubenlinienförmigen Hohlraumes in Radialrichtung ausgerichtete zusätzliche Hörnerelektroden — einzuführen. Diese Zusatzelektroden müssen mit entsprechenden Hauptelektroden elektrisch verbunden sein.

In F i g. 6 ist eine Ausführungsform der elektromagnetischen Lichtbogenlöscheinrichtung mit Elementen 17, 18 aus einem stromleitenden Werkstoff zur Ver-Schiebung des Fußpunktes des Lichtbogens in Radialrichtung aufgeführt Diese Elemente 17,18 sind in Form von Metallscheiben mit Axialöffnungen ausgeführt und an den Stirnseiten einer Lichtbogenlöschkammer 19 angeordnet Diese Scheiben 17,18 sind je mit einer von der gleichen Stirnseite in einem Axialkanal 22 angeordneten Elektrode 20, 21 elektrisch verbunden. Als Material für die Scheiben kommt beispielsweise Kupfer in Frage.
Ein löschender Lichtbogen 23 ist im Vorgang seiner

radialen Ausbreitung bei der Bewegung der Fußpunkte des Lichtbogens 23 auf den Metallscheiben 17, 18 gezeigt.

In Fig. 7 ist eine Lichtbogenlöscheinrichtung für einen Hochspannungs-Starkstromschalter dargestellt. Bei dieser Einrichtung ist eine unbewegliche Elektrode 24 beispielsweise in Form eines Rohres mit einem Innendurchmesser gleich dem Durchmesser einer zweiten beweglichen Elektrode 25 ausgeführt. Mit der beweglichen Elektrode 25 ist beispielsweise mit Hilfe einer Gewindeverbindung ein Stab 26 aus einem Isolierstoff verbunden.

Der Durchmesser dieses Stabes 26 ist gleich dem Durchmesser der beweglichen Elektrode 25, sein Durchmesser ist mindestens gleich dem Abstand zwisehen den Elektroden 24, 25 in der Endsteliung der beweglichen Elektrode 25.

Das Vorhandensein des Stabes 26 eliminiert die Möglichkeit eines Durchschlages über den Axialkanal zwischen den sich im Kommutierungsvorgang auseinanderziehenden Elektroden 24, 25, was die Betriebszuverlässigkeit der Lichtbogenlöschkammer 27 erhöht.

Der Werkstoff des Stabes 26 (Lichtbogenfestigkeit und Gaserzeugung erwünscht) kann wegen der einfachen Form dieses Stabes 26 verschieden (beispielsweise Keramik, Bornitrid, Asbestzement) sein. Die unbewegliche Elektrode 24 kann auch in Form einer oder mehrerer Stromabnahmeklemmen ausgeführt sein.

Die Lage eines Lichtbogens 28 ist in einem Augenblick des Löschungsvorgangs dargestellt.

Der Außenkreis der Lichtbogenlöschkammer 27 ist zweckmäßigerweise in Übereinstimmung mit der zum Zeitpunkt der Beendigung des Ausschaltvorganges erreichten Form des sich in Radialrichtung ausbreitenden, schraubenlinienförmigen Lichtbogens 28 zu wählen. Die Lichtbogenlöschkammer 27 kann verjüngt in Richtung der Stirnseite ausgeführt sein, an der die bewegliche Elektrode 25 angeordnet ist.

Man kann die Abmessungen und die charakteristischen Maße des Schalters mit der elektromagnetischen Lächtbogenlöscheinrichtung, beispielsweise für eine Spannung von U= 100 kV abschätzen. Machen wir diese Abschätzung für einen Schalter mit einer Ausschaltzeit von <10ms, der also eine Einweg-Abschaltung in einem Wechselstromkreis ermöglicht. Indem wir die mittlere Bewegungsgeschwindigkeit der Bogensäule gleich Vg « 50 bis 100 m/s annehmen, erhalten wir die erforderliche Schlitzhöhe und damit den Durchmesser der Lichtbogenlöscheinrichtung gleich

50

D » 2VgT = 1 bis 2 m

Bei der mittleren elektrischen Feldstärke der Säule des sich bewegenden Lichtbogens E > 20 bis 30 V/cm beträgt die erforderliche Bogenlänge l_g unter Berücksichtigung einer zweifachen Reserve für die abzuschaltende Spannung £/(mit Rücksicht auf Überspannungen)

U-

2U

70 bis 100 m

Indem aus konstruktiven Gründen der Schrittweite λ der Hohlraumwand gleich ~ 1 cm und die Länge L der Lichtbogenlöschkammer gleich deren Durchmesser D gesetzt wird, wird

60

65

= L= |/-^- « 0,48 bis 0,55 m erhalten.

JT

Die Lichtbogenlöschkammer mit einer Abmessung D < 0,55 m und mit L < 0,55 gewährleistet also die Abschaltung eines Gleich- und Wechselstromkreises der Spannung U = 100 kV (mit einer zweifachen Spannungsreserve) und mit einer Ausschaltzeit r < 0,01 s, und zwar ohne die für moderne 100-kV-Ausschalter üblichen Elemente wie ein 6 bis 12 t Öl enthaltender Behälter bei einem 8 bis 15 t wiegenden ölschalter, ein 0,5 bis 1,5 t öl enthaltender Behälter bei einem 4 bis 8 t wiegenden ölarmen Schalter, ein Behälter mit einem Kompressor für 2 bis 6 MPa bei einem 5 bis 8 t wiegenden Luftschalter und schließlich ein hermetisch abgeschlossenes Gehäuse für 0,3 bis 0,6 MPa mit einem teueren SF6-Gas bei einem 5 bis 8 t wiegenden Gasschalter mit gasförmigem Isolierstoff und automatischer Blaseinrichtung, die trotzdem heutzutage oft nur eine Ausschaltzcit von rnaxiaml 0,06 bis 0,1 s und nur bei Wechselstrom fertigzubringen befähigt sind.

F i g. 8 zeigt eine elektromagnetische Einrichtung einer Hochspannungssicherung. Sie enthält eine Lichtbogenlöschkammer 29 aus einem Isolierstoff. In Achsrichtung der Kammer 29 liegen an deren Stirnseiten durch einen in Form eines Drahtes, beispielsweise aus Kupfer, hergestellten Schmelzleiter 32 verbundene unbewegliche Elektroden 30,31.

Der Schmelzleiter 32 ist im Axialkanal der Lichtbogenlöschkammer 29 angeordnet; hierbei ist der Durchmesser dieses Elementes 32 gleich dem Durchmesser des Axialkanals.

Bekanntlich sind die Sicherungen im wesentlichen zum Kurzschlußschutz vorgesehen und müssen eine hohe Arbeitsgeschwindigkeit besitzen. Hierbei muß die Sicherung recht einfach und billig sein. Die gegenwärtig bestehenden Hochspannungssicherungen sind nur bis zum Spannungsniveau <30 bis 50 kV funktionstüchtig.

Als Hauptelement dient in der Sicherung ein die in diesem Fall die Rolle von Stromzuführungen spielenden unbeweglichen Elektroden verbindender Schmelzleiter. Die Wirksamkeit der konstruktiven Ausführung und die Funktionstüchtigkeit der Sicherung werden im beträchtlichen Maße durch das erzielte Verhältnis der Bogenlänge am Ende des Kommutierungsvorganges zur Länge des Schmelzleiters bestimmt.

Die in Fig.8 dargestellte Konstruktion der Hochspannungssicherung gestattet es, praktisch den höchstmöglichen Wert dieses Verhältnisses durch Ausnutzung des direkten Schmelzleiters 32 zu erhalten, dessen Länge gleich der Länge der Lichtbogenlöschkammer 29 ist.

Beispielsweise wird die Lichtbogenlöschkammer der Sicherung für 100 kV (mit zweifacher Spannungsreserve) mit einer Ausschaltzeit von τ = 3 ms bei A = 1 cm, E = 25 V/cm und v_e = 50 m/s einen Durchmesser D

2U und eine Länge L gleich D = 2v_gr = 0,3 m, L = = 0,9 m und ein Verhältnis IgIL = 90 haben.

Derartige Abmessungen der Lichtbogenlöschkammer der Sicherung für 100 kV sind technisch durchaus vertretbar.

F i g. 9 zeigt die zweite Variante der elektromagnetischen Lichtbogenlöscheinrichtung für eine Sicherung und einen Trennschalter mit elektrischer Explosion, dadurch gekennzeichnet, daß im Axialkanal einer Lichtbogenlöschkammer 33 ein zylindrischer Einsatz 34 liegt, dessen Durchmesser gleich dem Durchmesser des Axialkanals dieser Kammer 33 ist Auf den Einsatz 34 ist ein Schmelzleiter 35 mit einer Schrittweite gleich der Schrittweite des schraubenlinienförmigen Hohlraumes der Lichtbogenlöschkammer 33 aufgewickelt. Der Ein-

satz 34 ist aus einem Isolierstoff, beispielsweise aus dem Werkstoff der Lichtbogenlöschkammer 33, hergestellt. Die Stirnseiten des Einsatzes 34 ermöglichen mittels Metallscheiben 36, 37 einen elektrischen Kontakt des Schmelzleiters 35 mit unbeweglichen Elektroden 38, 39 der Sicherung oder des Trennschalters mit elektrischer Explosion.

Man kann die Lichtbogenlöscheinrichtung der Sicherung oder des Trennschalters in der Weise ausführen, daß der Einsatz 34 nach Durchbrennen des Schmelzleiters 35 ausgetauscht werden kann. Speziell ist es für die Sicherung zweckmäßig, ihn ausschiebbar nach der Auslösung der Sicherung in Achsrichtung der Lichtbogenlöschkammer 33 zur Anzeige der Abschaltung des Stromkreises herzustellen. Der neue Einsatz 34 mit dem daran im voraus angeordneten Schmelzleiter 35 wird in der Lichtbogenlöschkammer 33 mit einer einen Zusammenfall der räumlichen Anordnung des Schmelzleiters 35 mit dem schraubenförmigen Hohlraum der Kammer 33 gewährleistenden Fixierung der Lage untergebracht.

Man kann die Lichtbogenlöschkammer der Sicherung mehrgängig ausführen und den Einsatz mit mehreren Schmelzleitern herstellen, deren Zahl gleich der Zahl der Gänge des schraubenünienförmigen Hohlraumes der Kammer ist. In dem Maße der Auslösung kann der nächste Schmelzleiter durch einfaches Schwenken des Einsatzes oder der Kammer samt dem Einsatz um einen bestimmten Winkel erzielt werden.

Alle beschriebenen konstruktiven Lösungen der elektromagnetischen Lichtbogenlöscheinrichtung können mit anderen bekannten Verfahren zur Einwirkung auf den zu löschenden Lichtbogen bei den elektromagnetischen Schaltapparaten zur weiteren Verbesserung der Parameter derartiger Apparatur unter Benutzung der vorgeschlagenen Lichtbogenlöscheinrichtung kombiniert werden.

Zu diesen Verfahren können eine Änderung des Arbeitsstoffes im Gehäuse des Schalters, beispielsweise dessen Auffüllen mit SF₆-GaS, oder eine Druckänderung, beispielsweise eine Druckerhöhung, und in einer Reihe von Fällen, beispielsweise zur Erhöhung der Schaltgeschwindigkeit, umgekehrt eine Druckminderung und sogar eine Evakuierung gerechnet werden.

Man kann in der elektromagnetischen Lichtbogenlöschkammer auch solche Mittel zur Erhöhung der Bogenbrennspannung effektiv einsetzen, wie sie einen Satz von gegeneinander isolierten, am Austritt des Lichtbogenlöschschlitzes in der Bewegungsrichtung der Bogensäule angeordneten Metallplatten darstellende Lösch- und Deionisierungsgitter sind.

Ebenso wie in den herkömmlichen elektromagnetischen Lichtbogenlöschkammern kann der schraubenlinienförmige Liciitbogenlöschraum in der vorliegenden Kammer zickzackförmig (labyrinthförmig) entlang des Lichtbogens selbst, d. h. in Tangentialrichtung, ausgeführt sein, was es gestattet, den Lichtbogen bei geringfügiger Vergrößerung der Abmessungen der Lichtbogenlöschkammer um das 1,5- bis 3fache zusätzlich zu verlängern.

Da schließlich sämtliche elektromagnetische Lichtbogenlöscheinrichtungen bei deren Ausnutzung im Schalter unzureichend effektiv beim Abschalten kleiner Ströme (bei der Ausführung betriebsmäßiger Umschaltungen unter geringfügiger Belastung des Stromkreises) arbeiten, ist es zweckmäßig, in der Lichtbogenlöschkammer, wie dies in der Regel für die elektromagnetischen Lichtbogenlöschkammern der Fall ist, eine eigene Blaseinrichtung für den schraubenlinienförmigen Lichtbogenlöschraum zur Gewährleistung einer Verlängerung des Schwachstrom-Lichtbogens vorzusehen.

Ein derartiger Gasstrom, beispielsweise ein Luftstrom, kann über die Axialöffnungen in der beweglichen und unbeweglichen Elektrode ebenso wie in dem mit der beweglichen Elektrode verbundenen Stab aus einem Isolierstoff zu- und in den schraubenlinienförmigen Hohlraum der Lichtbogenlöschkammer über gleichmäßig verteilte Radialöffnungen abgeleitet werden. Ein Gasstrom kann auch über den Körper der Hohlraumwand der Lichtbogenlöschkammer selbst unter Ableitung des Gasstroms über entsprechende öffnungen am Fuße der Flügel in der Nähe des Axialkanals der Lichtbogenlöschkammer zugeleitet werden.

Der Schalter mit der elektromagnetischen Lichtbogenlöscheinrichtung arbeitet wie folgt. Nach der Erteilung eines Abschaltbefehls werden die Leistungskontakte des Schalters auseinandergezogen, worauf der Gesamtstrom des Stromkreises über die Elektrode 3,4 (F i g. 1) der Lichtbogenlöscheinrichtung fließt.

Der sich nach dem Auseinanderziehen der Elektroden 3, 4 im Axialkanal 2 der Lichtbogenlöschkammer ausbildende Lichtbogen 5 befindet sich in dem durch (in Fig. 1 nicht gezeigten) Magnetblasspulen erzeugten magnetischen Längsfeld B. Unter diesen Verhältnissen geht die Bogensäule in einem bestimmten Parameterbereich in eine Schraubenform (Schrauben-Lichtbogeninstabilität im magnetischen Längsfeld; E. I. Asinowski, A. A. Afanasjew, E. P. Pachomow, Beiträge der Akademie der Wissenschaften der UdSSR, 231, N. 2, 1976) über, worauf infolge der Tangentialkomponente des Stromes des Lichtbogens 5 eine Radialkomponente der Kraft auf Grund der elektromagnetischen Wechselwirkung des Bogenstroms mit dem Magnetfeld entsteht. Die Wirkung dieser Komponente der Kraft F bedingt den Eintritt des schraubenlinienförmigen Lichtbogens 5 in den schraubenförmigen Hohlraum der Lichtbogenlöschkammer 1 und dessen Ausbreitung in Radialrichtung.

Die Radialkomponenten des Stromes des Lichtbogens 5 in den elektrodennahen Gebieten bewirken bei Vorhandensein des magnetischen Längsfeldes eine Rotation dieser Abschnitte des Lichtbogens 5 im entgegengesetzten Drehsinn unter Einwirken der Tangentialkomponenten der Kraft F, was eine Aufwicklung des Lichtbogens 5 auf die Elektroden 3, 4 nach der durch den schraubenförmigen Hohlraum der Lichtbogenlöschkammer 1 vorgegebenen Schraubenlinie gewährleistet. Die Geschwindigkeit der Vergrößerung des Längsmaßes des sich in Radialrichtung ausbreitenden schraubenlinienförmigen Lichtbogens 5 wird also jederzeit größer als die Geschwindigkeit des Auseinanderziehens der Elektrode 3,4 sein.

Bei der Ausdehnung des Lichtbogens 5 bis zu der die Erreichung des Spannungswertes im Schaltkreis durch die am Schalter wiederherzustellende Spannung gewährleistenden Länge fällt der Strom auf Null ab. Damit endet der Abschaltvorgang.

Bei der Einschaltung läuft der Prozeß des Kontaktschließens wie üblich in umgekehrter Reihenfolge ab: zuerst schließen die Elektroden 3, 4 der Lichtbogenlöscheinrichtung, dann die (in F i g. 1 nicht gezeigten) Leistungselektroden des Schalters.

Die Besonderheit der Arbeit der Lichtbogenlöschkammer 1 ist der Umstand, daß die Ausweitung des schraubenlinienförmigen Lichtbogens 5 in Radialrichtung stabil, ohne nennenswertes Vor- oder Nacheilen der einzelnen Windungen des Lichtbogens 5 erfolgt, was

auf die Wechselwirkung der Ströme der benachbarten Windungen untereinander (Parallelströme werden angezogen) zurückzuführen ist. Hierbei ist die Hohlraumwand 6 der Lichtbogenlöschkammer 1 von den mechanischen Spannungen praktisch entlastet, weil er einer zweiseitigen Einwirkung der Bogensäule 5 ausgesetzt ist; eine Unbalance der Längskomponente der Kraft F der Wechselwirkung der Windungen des Lichtbogens 5 zeigt immer zur Mitte der Lichtbogenlöschkammer 1.

Die Kenndaten der elektromagnetischen Lichtbogenlöscheinrichtung werden in erster Näherung durch folgende Ausdrücke für die Brennspannung des Lichtbogens:

U(t)

und für die Geschwindigkeit der Spannungswiederkehr: öUlöt = jtl(t)Evg/Ä

beschrieben, wo r(t) und l(t) den laufenden Radius des schraubenlinienförmigen Lichtbogens 5 bzw. dessen laufendes Längsmaß bezeichnen.

Die Besonderheit der vorliegenden Lichtbogenlöscheinrichtung ist die Notwendigkeit, auch die eigene, zeitlich variable Induktivität des Lichtbogens 5 zu berücksichtigen.

Beim Betrieb der in F i g. 4, 5 dargestellten Lichtbogenlöscheinrichtung wird der schraubenlinienförmige Lichtbogen 16, indem er sich in Radialrichtung ausbreitet und die Fixierelemente 9 (Lage a des Lichtbogens 16, F i g. 5) erreicht, gekrümmt und umhüllt sie. Hierbei erfolgen ein Durchschlag zwischen den sich annähernden Abschnitten der Bogensäule t6a hinter den umgangenen Hindernissen — den Fixierelementen 9 — und die Ausbildung eines praktisch ungestörten schraubenlinienförmigen Lichtbogens 166.

In der in F i g. 6 wiedergegebenen Konstruktion der Lichtbogenlöschkammer mit den Metallscheiben 17,18 an den Stirnseiten der Kammer 19 greift der sich in Radial- und Längsrichtung (durch Aufwickeln auf die Elektroden 20, 21) ausbreitende Lichtbogen 23 bei Erreichen der Stirnseiten der Kammer auf diese Scheiben 17, 18 über und nimmt eine bauchige Form an, die im weiteren praktisch zylindrisch werden kann. Dies verringert eine Erosion der Hauptelektroden 20, 21 der Lichtbogenlöscheinrichtung, was in der Regel bei Verwendung der Hörnerelektroden der Fall ist.

Die Funktion der in F i g. 7 dargestellten elektromagnetischen Lichtbogenlöscheinrichtung unterscheidet sich von der oben beschriebenen nur durch die erste Stufe. Hier wird beim Auseinanderziehen der Elektroden 24, 25 in den Axialkanal der Lichtbogenlöschkammer 27 der an der beweglichen Elektrode 25 unmittelbar anliegende und sich mit dieser zusammen bewegende Stab 26 eingeführt Wenn daher beim Auseinanderziehen der Elektroden 24, 25 zwischen ihnen der Lichtbogen 28 gezündet wird, befindet er sich sofort in dem die auseinandergezogenen Elektroden 24, 25 verbindenden schraubenlinienförmigen Hohlraum 27 der Kammer. Hierbei ist der Lichtbogen 29 gezwungen, sogleich eine der Form dieses schraubenförmigen Hohlraumes der Kammer 27 entsprechende Schraubenform anzunehmen. Die Einführung des Stabes 26 gestattet es also, die Schraubenform des entstehenden Lichtbogens 28 sofort zwangsläufig vorzugeben und aus dem Schaltvorgang die Stufen seiner Ausbildung und seines Eintritts in den schraubenförmigen Hohlraum der Kammer 27 auszuschließen.

Der ausgebildete schraubenlinienförmige Lichtbogen 28 wird sich wie auch früher unter der Wirkung der Kraft Fin Radialrichtung ausbreiten und auf die Elektroden 24, 25 nach dem schraubenförmigen Hohlraum der Kammer 27 aufwickeln. Deshalb ist die Einwirkung des Lichtbogens 28 auf den Stab 26 kurzzeitig, was dessen Betriebsverhältnisse erleichtert.
Die charakteristische Besonderheit der Funktion der

ίο Lichtbogenlöschkammer 27 besteht darin, daß die betreffende Kammer 27, indem sie die Schraubenform des Lichtbogens 28 mit einer relativ geringen Schrittweite λ vorgibt, den Lichtbogen 28 tatsächlich in ein Starkstrom-Plasmasolenoid verwandelt, das zusätzlich ein für die Funktion der elektromagnetischen Lichtbogenlöschkammer 29 benötigtes magnetisches Längsfeid B aufbaut, d. h. eine hohe Effektivität der Ausnutzung des eigenen Magnetfeldes des Stroms des Lichtbogens 28 selbst gewährleistet. So beträgt das eigene magnetische Längsfeld 55 der Stromwindungen des Lichtbogens in Achsrichtung der Kammer im vorstehend betrachteten Beispiel bei der Abschaltung eines Stroms von 2 und 20 kA mittels der Lichtbogenlöscheinrichtung für 100 kV 0,2 bzw. 2 T. Das bedeutet, daß die vorliegende elektromagnetische Lichtbogenlöscheinrichtung in vielen Fällen eine Vereinfachung der Konstruktion der Schaltapparatur auf dem Wege einer vollständigen Elimination der Magnetblasspulen und Magnetleiter zuläßt.

Die Anwendung der elektromagnetischen Lichtbogenlöscheinrichtung für die Sicherungen und Trennschalter mit elektrischer Explosion weist ihre Besonderheiten auf. Die in Fig.8 dargestellte Lichtbogenlöscheinrichtung der Sicherung arbeitet wie folgt.

Nach Durchbrennen des Schmelzleiters 32 bildet sich ein Lichtbogen aus, dessen Bogensäule sich in der Anfangsperiode intensiv ausbreitet (Leitfähigkeit des Plasmas liegt wesentlich unterhalb der Leitfähigkeit des Metalls). Da die Ausbreitung der Bogensäule nur in Richtung des schraubenlinienförmigen Hohlraumes 29 erfolgen kann, führt dies zur erzwungenen Ausbildung der Schraubenform des Lichtbogens bereits auf dieser Arbeitsstufe der Lichtbogenlöscheinrichtung.

Ferner weitet sich der schraubenlinienförmige Lichtbogen in Radialrichtung aus, wobei er sich intensiv verlängert. Hierbei ist das Längsmaß des schraubenlinienförmigen Lichtbogens immer gleich der Länge der Lichtbogenlöschkammer 29, was die Bogenverlängerungsgeschwindigkeit und also die Geschwindigkeit der Spannungswiederverfestigung am Schaltapparat zusätzlich vergrößert.

Die Arbeit der in F i g. 9 dargestellten Lichtbogenlöscheinrichtung wird dadurch gekennzeichnet, daß der sich nach Durchbrennen des Schmelzleiters 35 ausbildende löschende Lichtbogen sogleich eine Schraubenform vorgegebenen Radius und Schritt aufweist sowie der Schaltstrom bereits im Schmelzstadium des Schmelzleiters 35 ein erhebliches eigenes magnetisches Längsfeld erzeugt. Dies sichert eine Erhöhung der Schnellwirkung der Lichtbogenlöscheinrichtung gegenüber den früher betrachteten.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Elektromagnetische Lichtbogenlöscheinrichtung für elektrische Schaltapparate mit einer Lichtbogenlöschkammer aus Isolierstoff, deren schraubenlinienförmiger, einen Axialkanal umgebender Hohlraum einen spiralförmigen, sich in Radialrichtung ausweitenden Verlauf des Lichtbogens vorgibt, welcher zwischen zwei Elektroden entsteht, von denen mindestens eine in dem Axialkana! zur Bildung des Lichtbogens angeordnet ist,

dadurch gekennzeichnet, daß auch die andere Elektrode (3, 4) im Axialkanal (2) angeordnet ist,

und daß die Schrittweite (A) zweier benachbarter Windungen der Hohlraumwand (6) des schr&ubenlinienförmigen Hohlraums in Axialrichtung um mindestens eine Größenordnung kleiner ist als der Querschnittsdurchmesser der Lichtbogenlöschkammer (1,7,8,11).

2. Elektromagnetische Lichtbogenlöscheinrichtung nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum der Lichtbogenlöscheinrichtung (7) ein sich in Radialrichtung verjüngendes Profil aufweist.

3. Elektromagnetische Lichtbogenlöscheinrichtung nach Anspruch 1 oder 2,

dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtbogenlöschkammer (11) in deren Hohlraum angeordnete und mit den Windungen der Hohlraumwand (12) starr verbundene Fixierelemente (9,10) enthält.

4. Elektromagnetische Lichtbogenlöscheinrichtung nach einem der Ansprüche 1,2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtbogenlöschkammer (19) Scheiben (17, 18) aus einem elektrisch leitenden Werkstoff zur Bewegung der Fußpunkte des Lichtbogens (23) in Radialrichtung enthält, die an den Stirnseiten der Lichtbogenlöschkammer (19) angeordnet und je mit einer an der gleiohen Stirnseite befindlichen Elektrode (20, 21) elektrisch verbunden sind.

5. Elektromagnetische Lichtbogenlöscheinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,

dadurch gekennzeichnet, daß eine der Elektroden

(25) im Axialkanal der Lichtbogenlöschkammer (27) verschiebbar angeordnet ist und einen Stab (26) aus einem Isolierstoff zur Verhinderung eines Durchschlages über den Axialkanal aufweist, der an ihrem der zweiten Elektrode (24) zugewandten Ende befestigt ist, wobei die zweite Elektrode (24) mit einer Axialöffnung ausgeführt ist, in die der Isolierstab

(26) ragt, dessen Länge mindestens gleich dem Abstand zwischen den Elektroden (24, 25) in der Endstellung der beweglichen Elektrode (25) ist.

6. Elektromagnetische Lichtbogenlöscheinrichtung nach Anspruch 5,

dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtbogenlöschkammer (27) in Richtung derjenigen Stirnseite verjüngt ausgeführt ist, auf der die im Axialkanal der Lichtbogenlöschkammer (27) verschiebbare Elektrode (25) liegt.

7. Elektromagnetische Lichtbogenlöscheinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
gekennzeichnet durch einen die Elektroden verbindenden Schmelzleiter (32) in Form eines Drahtes im Axialkanal der Lichtbogenlöschkammer (29), dessen Durchmesser gleich dem Durchmesser des Axial-

kanals ist

8. Elektromagnetische Lichtbogenlöscheinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
gekennzeichnet durch einen im Axialkanal der Lichtbogenlöschkammer (33) untergebrachten Einsatz (34) aus einem Isolierstoff, dessen Durchmesser gleich dem Durchmesser des Axialkanals ist,
wobei ein die Elektroden verbindender Schmelzleiter in Form eines Drahtes an diesem Einsatz (34) im Hohlraum der Lichtbogenlöschkammer (33) schraubenlinienförmig angeordnet ist