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Elektrischer Stromunterbrecher, insbesondere Schalter und Schmelzsicherung
Bei elektrischen Stromunterbrechern, insbesondere bei Schaltern und Sicherungen,
treten, zumal wenn es sich um die Unterbrechung großer Leistungen handelt, erhebliche
Temperatursteigerungen an der Unterbrechungsstelle auf. Hierdurch wird durch Ionisierung
der Unterbrechungsstelle eine Neuzündung ides Lichtbogens ermöglicht und die endgültige
Unterbrechung verzögert und erschwert. Es sind mannigfache Kühlmethoden bekannt,
um die Stromunterbrechung zu unterstützen, z. B. durch Gase, Dämpfe oder Flüssigkeitsströme,
oder durch das Verdampfen von Flüssigkeiten, oder durch Gemische aus Flüssigkeiten
mit Gasen bzw. Dämpfen, wie sie sich z. B. im Öl- oder Flüssigkeitsschalter zu bilden
pflegen.
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Es ist auch bereits bekannt, @daß Druckveränderungen bzw. Druckwellen
ebenso wie plötzliche Verringerung des Schalterdruckes die Abschaltung erleichtern
und die Neuzündung,des Lichtbogens verhindern können. Alle Kühlmethoden erscheinen
jedoch in vielen Fällen, besonders wenn es sich um große Leistungen und eine damit
verbundene erhebliche Wärmeentwicklung auf kleinem Raum handelt, ungenügend, um
eine starke Temperatursteigerung und damit Ionisierung an der Unterbrechungsstelle
mit Sicherheit zu verhindern.
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Mit Hilfe der Erfindung soll nun eine weit wirksamere Kühlung, als
sie bisher bekannt und möglich war, erreicht werden, ohne daß Brandgefahr wie bei
Ölschaltern zu befürchten ist. Zu diesem Zwecke wird bei elektrischen Stromunterbrechern,
insbesondere Schaltern und Schmelzsicherungen, in denen kurzzeitig verhältnismäßig
große Wärmemengen erzeugt werden und deren Unterbrechungsstellen in Wasser oder
in einem anderen flüssigen, nicht brennbaren Mittel angeordnet sind, die Kühlflüssigkeit
bzw. ein Teil davon dem kritischen Druck oder einem höheren als dem kritischen Druck,
und zwar während des gesamten Unterbrechungsvorganges oder auch nur zeitweilig,
ausgesetzt.
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Durch Anwendung des kritischen Druckes bei Kühlflüssigkeiten lassen
sich nun auf andere Weise nicht erreichbare Kühlwirkungen erzielen. Besonders läßt
sich der die Kühlwirkung so außerordentlich störende Leidenfrostsahe Zustand verhindern,
der den Wärmeübergang einer Flüssigkeit an ihre Umgebung, und mag sie eine noch
so hohe Temperatur haben, auf das wirksamste dadurch stört,,daß amder Oberfläche
derFlüssigkeit Dämpfe von der Siedetemperatur der Flüssigkeit sich bilden und bestehen
bleiben. Dieser Zustand isst bei dem Leidenfrostschen Tropfen bekannt, bei dem durch
das Nebenein:anderbestehen von Dampfund Flüssigkeit von der gleichen Temperatur,
nämlich von der Siedetemperatur der betreffenden Flüssigkeit, trotz hoher Temperaturunterschiede
nur ein geringer Wärmeübergang stattfindet. Besonders ungünstig wirkt sich diese
solierende
Dampfhülle dann aus, wenn an der Unterbrechungsstelle
Perioden hoher und kleiner Energieabgabe und damit höherer und niedrigerer Temperaturen
miteinander abwechseln, wie dieses beim Wechselstromlichtbogen bekanntlich der Fall
ist. Die für die Kühlung so wirksame Rückbildung von Dampf in Flüssigkeit wird dabei
außerordentlich erschwert, weil die Wärmeabgabe zwischen Dampf und Flüssigkeit durch
das an der Flüssigkeitsoberfläche fehlende Temperaturgefälle verhindert wird. Anders
liegen die Verhältnisse jedoch bei dauernd oder zeitweiliger Anwendung des kritischen
Druckes. Dieser ermöglicht eine wirksame Benetzung der zu kühlenden Metallteile,
wenn man die Kühlflüssigkeit, ihre Bewegung und die zu kühlende Oberfläche mit der
abzuleitenden Wärmemenge in eine richtige Beziehung bringt. Selbst wenn diese Benetzung
zeitweilig durch Dampfbildung unterbrochen wird, wird bei kleiner werdender Wärmemenge,
z. B. beim Durchgang des Stromes durch .den Nullwert, .der für den Abschaltvorgang
besonders wirksam ist, eine Rückbildung von Dampf in Flüssigkeit stattfinden.
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Das dauernde oder zeitweilige Auftreten des kritischen Druckes sichert
das Vorhandensein einer überschüssigen Menge von Kühlflüssigkeit auch bei auftretender
Dampfbildung. Dabei wird auch in einem etwa auftretenden Gemisch von Dampf und Flüssigkeit
diese für die Kühlung besonders wirksam sein, weil sie von der Leidenfrostschen
Erscheinung befreit ist. Es wurde gezeigt, daß an sich bekannte Kühlmethoden durch
zeitweilige Anwendung des kritischen Druckes sich außerordentlich verstärken lassen.
Aber auch in anderer Beziehung, nämlich zur Unterdrückung von Überspannungen bei
Schaltvorgängen läßt sich die Erfindung ver-,venden. So ist es bekannt, daß elektro-Iytische
Schalter das Auftreten von Schaltüberspannungen zu verhindern geeignet sind, solange
die leitende Kühlflüssigkeit oder das Flüssigkeitsgemisch eine Brücke zwischen den
sich entfernenden Elektroden bildet. Bei starker Dampfbildung wird diese Brücke
jedoch leicht unterbrochen werden. Die Erfindung bietet die Möglichkeit, die Wirksamkeit
der Elektrolytschalter zu verstärken, wenn man die elektrolytische Flüssigkeit dem
kritischen Druck aussetzt.
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Es wird keineswegs nötig sein, den Stromunterbrecher dauernd oder
auch nur während der Gesamtdauer des Schaltvorganges unter dem kritischen Druck
der Kühlflüssigkeit zu halten, sondern es wird im allgemeinen genügen, wenn der
kritische Druck nur während eines Teiles der Schaltzeit vorhanden ist und erst bei
Eintritt von Überstrom erzeugt oder der Unterbrechungsstelle zugeführt wird. Dabei
kann die Erzeugung des kritischen Druckes auf mannigfache Art erfolgen, z. B. durch
die Entzündung eines Explosivgemisches außerhalb oder innerhalb der Kühlflüssigkeit.
Aber auch durch sonst bekannte mechanische Kräfte können Drücke oder Druckwellen
erzeugt werden, z. B. durch Umwandlung kinetischer Energie .in Druck bei plötzlicher
Geschwindigkeitsänderung von rasch bewegten Flüssigkeiten. Besonders gut geeignet
zur Herstellung von Drücken sind auch magnetische Kräfte. Läßt man diese von dem
zu unterbrechenden Strom erzeugen, so werden die auftretenden Drücke sich mit der
Stromstärke ändern und eine mannigfache. Beeinflussung des Unterbrechungsvorganges
bewirken.
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Bei Schmelzsicherungen besteht -auch die Möglichkeit, durch die Wahl
des Schmelzpunktes den Unterbrechungsvorgang wirksam zu beeinflussen, indem man
z. B. für das Abschmelzen ein Metall mit niedrigerem Schmelzpunkt wählt, als der
kritischen Temperatur des Kühlmittels entspricht.
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Die Erzeugung von kritischen Drücken und Druckwellen an,den in Frage
kommenden Kühlräumen und Kühlstellen kann auf außerordentlich mannigfache Art erfolgen,
wobei ,die Form der Elektroden und der Kühl- bzw. Unterbrechungsräume, die Verteilung
von Druck und Flüssigkeit in ihnen, die Menge der zur Verfügung stehenden Kühlflüssigkeit
und die Geschwindigkeit, mit der sie sich bewegt, eine wichtige Rolle spielen.