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Elektrischer Hochspannungs-Wechselstromschalter Bei Wechselstromschaltern
für hohe Spannungen drfolgt die Löschung des Unterbrechungslichtbogens praktisch
beim Nulldurchgang des Stromes. Beim Verschwinden des Stromes schwingt die Spannung
an den Schalterkontakten vom Wert der Löschspitze des Lichtbogens auf den Augenblickswert
der. EMK des Kreises. Beim ungedämpften Aufschwingen kann die Spannung an den Schalterklemmen
vorübergehend Werte bis zum Zweifachen .des Höchstwertes der EMK vermehrt um den
Wert der Löschspitze annehmen, wodurch leicht Rückzündungen, die zur Verlängerung
der Lichtbogendauer oder gar zum Versagen des Schalters führen, entstehen.
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Durch Dämpfung des Stromkreises kann das Überschwingen über den Wert
der EMK verhindert werden. Dient zur Dämpfung ein Wirkwiderstand parallel zur Unterbrechungsstelle,
so wird außer der Herabsetzung des Höchstwertes der wiederkehrenden Spannung auch
noch ihre Anstiegsgeschwindigkeit herabgesetzt, wobei durch den Parallelwider stand
die Abschaltung wesentlich erleichtert und damit die Abschaltleistung des Schalters
erhöht wird. Nun stellt die stromlose Lichtbogenrestsäule unmittelbar nach dem Verschwinden
des Stromes einen Wirkwiderstand dar und ergibt damit eine gewisse Dämpfung. Darüber
hinaus ist es bekannt, metallische Dämpfungswiderstände parallel zur Unterbrechungsstelle
zu schalten und den durch sie fließenden Reststrom nach der Unterbrechung des Hauptlichtbogens
durch einen zum Hauptschalter und Widerstand in Reihe liegenden Schalter abzuschalten.
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Die Erfindung besteht demgegenüber" darin,
daß als
Dämpfungswiderstand ein Heißleiter dient, dessen Widerstandswert bei gewöhnlicher
Temperatur praktisch unendlich groß ist und mit steigender Temperatur endliche Werte
annimmt.
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Der Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung besteht gegenüber der
Verwendung metallischer Widerstände darin, daß die Verwendung einer zusätzlichen,
in Reihe liegenden Unterbrechungsstrecke entfällt, da ja der Heißleiter nach der
ITnterbrecliung einen vollwertigen Isolator darstellt. Es kommen für die Erfindung
sowohl Schalter mit Eigenerzeugung des Löschmittels als. auch solche mit Fremderzeugung
des Löschmittels, wie Druckgasschalter, in Betracht. Die Erfindung läßt sich aber
auch mit Vorteil auf Vakuumschalter anwenden, bei denen die Paralleldämpfung durch
einen Lichtbogen überhaupt nicht vorhanden ist.
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Widerstände mit negativen Temperaturkoeffizienten und Stoffe. die
im heißen Zustand leiten und bei Abkühlung ihre Leitfähigkeit verlieren, sind in
verseliiedenen Arten bekannt. Dazu gehören z. B. keramische Körper und leitende
Gassäulen. Als keramische Körper kommen vor allem stabförmige oder anders gestaltete
Körper von angenähert konstantem Stromdurchgangsquerschnitt in Betracht, die aus
gesinterten Metalloxyden. wie z. B. Si 02 oder Al. 0;i, bestehen. Es kommen jedoch
auch Stoffe, wie z. B. Sulfide oder auch Halogenverbindungen, wie CaF.=, sowie Sintermischungen
und feste Lösungen derartiger Stoffe in Frage. Ihre Eignung zur Stromführung im
heißen Zustand sowie zur raschen Unterdrückung des Stromes bei Abkühlung ist bei
mit körnigem Löschmittel gefüllten Hochspannungssicherungen bewiesen worden. Diese
Stoffe haben wesentlich höhere Aufnahmefähigkeit für Wärme als Kaltleiter und dürfen
deshalb auch ein wesentlich geringeres Volumen erhalten. Dazu währt ihre Belastung
wesentlich kürzer als bei Kaltleitern, da sie beim Verschwinden des Lichtbogenstromes
einsetzt und nach dem Erreichen. des Spannungshöchstwertes in kürzester Zeit von
selbst verschwindet, während bei Kaltleitern die Belastung erst durch den Reihenschalter
unterbrochen werden muß. Die X'orwärmung der keramischen Körper kann durch Hilfsströme
erfolgen, die über Spannungswandler kapazitiv o. dgl. durch die verketteten Spannungen
des abzuschaltenden Netzteiles bewirkt werden. Es ist jedoch auch direkte oder indirekte
Heizung durch den Abschaltlichtbogen selbst möglich, z. B. indem die Schaltprodukte
des Lichtbogens ;in der keramischen Heißleitern entlang streichen.
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Als leitende Gassäulen kommen vor allein tliermoionisierte Gase hohen
Druckes (Atmosphärendruck und darüber) in Betracht, wie sie als Schaltprodukte beim
Abschalten großer Ströme bei Schaltern mit Lichtbogenlöschung durch strömende Gase
und Dämpfe entstehen. Solche Gase stehen also bei den technisch wichtigen Schaltern
gerade bei schweren Abschaltungen zur Verfügung, wobei allerdings ihre Fortleitung
aus der Lichtbogenbahn bzw. ihre Entionisierung Voraussetzung für die Lichtbogenlöschung
ist.
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Bei Gasschaltern mit selbsterzeugtem Löschgas und Ausblasesicherungen
hat sich gezeigt, daß diese Gassäulen anfänglich stromleitend sind, sich dann jedoch,
ohne durch die wiederkehrende Spannung zur Lichtbogenbildung veranlaßt zu werden,
durch Abkühlung entionisieren, wenn sie ein hinreichend großes Volumen besitzen,
so daß die zugeführteReststromenergie zu ihrer Erhitzung und zum Durchbruch nicht
ausreicht und dafür gesorgt ist, daß keine örtliche Konzentration des sie durchsetzenden
Stromes entsteht. Dies wird vor allem dadurch erreicht, claß die Gase mit großen
Oberflächen fester Stoffe in Berührung kommen, welche durch Wärmeentnahme oder durch
Gasentwicklung bzw. Verdampfung die Temperatur der Gassäule schnell herabsetzen.
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Vorzugsweise verwendet man deshalbGassäulen, die von engen Röhren
bzw. Spalten begrenzt sind und die, verglichen mit dem Schaltlichtbogen, eine große
Länge besitzen. Um eine hinreichende Dämpfung der Wiederkehrspannung sicherzustellen,
mu13 jedoch der Gesamtquerschnitt dieser Säulen möglichst groß sein. Dies läßt sich
durch Parallelschaltung einer Vielzahl derartiger Gassäulen erzielen.
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Als Wandungsmaterial kommen vor allem gasabgebende Isolierstoffe in
Betracht, wie sie bei Gasschaltern bzw. Ausblasesicherungen bekannt sind. Es ist
jedoch auch möglich. geeignete keramische Stoffe zu verwenden, wobei die oberflächliche
Amvärmung des keramischen Materials eine zusätzlidie Stromleitung ergibt.
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Das Gas zur Füllung dieser Röhren wird in der Regel der Unterbrechungsstrecke
selbst entnommen. Bei Druckgasschaltern kommt dabei das die Unterbrechungsstrecke
verlassende und vom Lichtbogen erhitzte Gas in Betracht, bei Schaltern mit Eigenerzeugung
des Löschgases, z. B. bei Gasschaltern, köniien auch Gase vom geschlossenen löschkammerartigen
Ende der Schaltröhre abgezweigt werden.
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Die den Parallelröhren zugeleiteten Gase können nun von dem gesamten
Strom durch relative enge Zuleitungen abgezweigt «-erden. Sie füllen dann die Röhren,
die am anderen Ende geschlossen oder angenähert geschlossen ausgebildet «-erden.
einmalig auf. Die
zugeführte Wärmemenge ist hierbei relativ gering,
so daß die Abkühlung der Schaltstrecke sehr schnell erfolgt. Derartige Anordnungen
kommen vor allem bei Schaltern für hohe Nennspannungen in Betracht. Die Gase kann
man dabei den heißesten Stellen, also insbesondere der unmittelbaren Nähe der Lichtbogenfußpunkte,
entnehmen. Die Röhren können an dem der Zuführung entgegengesetzten Ende durch elastische
Kolben oder durch druckabhängige Ventile abgeschlossen sein, welche eine Eigenbewegung
der Gase in den Röhren bewirken. Es ist ferner zweckmäßig, den Gasweg im stromdurchflossenen
Teil derart von der Geraden abweichend zu gestalten, daß Gasstrecken entstehen,
die bei der Spannungswiederkehr auf Äquipotentialebenen liegen. Ein weiterer Weg
ist das Durchblasen der Gase durch die Röhren. Dabei lassen sich die Weglängen und
die Gasgeschwindigkeiten derart aufeinander abstimmen, daß beim Stromnulldurchgang
gerade das vom vorhergehenden Strommaximum erhitzte Gas die Röhre durchstreicht.
Insbesondere bei Druckgasschaltern bringt diese Anordnung den Vorteil, daß die Röhren
nach der Unterbrechung mit kaltem Gas nachgespült werden. Diese Anordnung ist ferner
bei Lichtbogenstromrichtern günstig. In der stromlosen Halbwelle wird das Rohr von
kaltem Gas durchgespült und gekühlt und kommt beim nächsten Stromdurchgang erneut
zur Wirkung. Die austretenden Gase können in an sich bekannter Weise durch Kühler
o. dgl. abgefangen werden.
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Eine besondere Anwendung der Erfindung besteht im Bau eines kombinierten
Schalters, bei dem die kleinen Ströme durch ein fremderzeugtes Mittel, z. B. einen
Druckgasstra4l, gelöscht werden, und bei dem die bei starken Strömen in der erstenHalbwelle
entstehenden Schaltgase in einem nach Art der Blassicherungen ausgebildeten Schaltrohr
aus gasabgebendem Material einen Lichtbogen zünden, der durch die starke zusätzliche
Gasentwicklung nach der zweiten Halbwelle gelöscht wird. Dabei kann man zur Strombegrenzung
in dem gasabgebenden Rohr in Reihe mit diesem metallische Widerstände vorsehen.
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Auf der Zeichnung sind in den Abb. i bis 3 verschiedene Ausführungsbeispiele
dargestellt Abb. i zeigt die Anwendung des Erfindungsgedänkens bei einem Hochspannungsschalter
mit Lichtbogenlöschung durch fremderzeugtes Druckgas. Im Schaltraum i gleitet der
bewegliche Kontakt a, der über die Zufuhrleitung 3'beblasen wird. Vor der Isolierdüge
q. liegt der fnste Kontakt 5 und hinter der Düse mit entsprechendem Abstand der
übliche Schalldämpfer 6. Parallel zum Schaltraum x sind zwei oder mehr Röhren 7,
vorzugsweise aus bei Erhitzung gasabgebendem Stoff vorgesehen, die durch den zwischen
der Isolierdüse 4 und dem Schalldämpfer 6 liegenden Gasabzug 8 mit heißem Schaltgas
gefüllt -,yerden. Die Mündung des Gasabzugs 8 liegt am Gegenkontakt 5. Das andere
Ende der beiden Röhren 7 mündet jeweils in einem Metallbecher 9, die mit einem Zwischenkontakt
i i leitend verbunden sind.
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Beim Abschalten strömt das heiße Schaltgas in die Röhren 7 und stellt
den Parallelschluß zur Trennstelle durch die leitende Gassäule dar. Nach dem Stromnulldurchgang
wird der Parallelsehluß durch die Abkühlung und Entionisierung der Gassäulen selbsttätig
unterbrochen. Der Schalter ist in der Löschstellung dargestellt. Nach der Löschung
des Lichtbogens bewegt sich der Stiftkontakt weiter und entlastet die Röhren 7 nach
Verlassen .des Zwischenkontaktes i i.
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Man kann den Erfindungsgedanken auch bei einem der bekannten Gasschalter,
deren Löschgas durch die Lichtbogeneinwirkung auf die gasabgebenden Wandungen des
Schaltraums erzeugt wird, anwenden (Abb. :2). Das Löschrohr ia ist hier bis zum
Austritt des beweglichen Schaltgliedes 2 verschlossen, so daß die heißen Schaltgase
über den Raum 13 in die parallelen Röhren 7 aus gasabgebendem Stoff, die um das
Löschrohr 1:2 angeordnet sind, einströmen müssen und dort in gleicher Weise wie
bei Abb: i den Parallelschluß herbeiführen. Die Schaltkammer hat in bekannter Weise
Zwischenblasöffnungen 14.
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Der Schalter nach Abb. 3 arbeitet mit mechanisch verdichtetem Löschgas.
Das Löschgas wird dabei durch den Kolben 15 im Zylinder 16 bei der Ausschaltbewegung
verdichtet und dem Schaltraum i zugeleitet. Der Schaltraum ist unmittelbar mit der
unteren Mündung der Röhre 7 verbunden und führt das Schaltgas über diese Röhre und
den Kühler 6 ins Freie ab. Der Kühler 6 ist mit dem festen Kontakt 5 leitend verbunden.
Die Schaltröhre 7, deren Gasabgabe durch einen konzentrischen Füllstift 17, -ebenfalls
aus gasabgebendem Stoff, noch weiter gesteigert werden kann, ist derart bemessen,
daß bei hohen Strömen in ihr eine Rückzündung stattfindet, die durch das vom Lichtbogen
erzeugte Gas selbst gelöscht wird. Während der Lichtbogen in dem Rohr 7 brennt,
wird die eigentliche Unterbrechungsstrecke i bis io durch das kalte Blasgas entionisiert.
An der Verbindungsgasleitung i8 kann ein Rückschlägventil vorgesehen sein, das den
Rückstrom der heißen Schaltgase verhindert.
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Durch diese Anordnung wird die an sich geringe Abschaltleistung eines
Schalters mit mechanisch erzeugtem Druckgas auf ein Mehrfaches erhöht.