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Elektrischer Stromunterbrecher
EMI1.1
Bedeutung ist, insbesondere wenn der Strom sehr schnell ansteigt, weil es dann erwünscht ist, den Kreis zu unterbrechen, bevor der Strom eine gefährliche Stärke erreicht.
Den Gegenstand der Erfindung bildet ein
Stromkreisunterbrecher, bei welchem die obigen
Mängel beseitigt sind und eine höhere Unter- brechungsgeschwindigkeit erreicht wird.
Um diese Erhöhung der Unterbrechungsgeschwindigkeit zu bewirken und das Leitendwerden des Trägers zu vermeiden, wurde folgende Methode entwickelt : Die im Wesen geradlinige Bahn der leitenden Schicht wird mittels eines schmalen Luftspaltes unterbrochen und dieser Luftspalt mit einem Nebenschluss von vorzugsweise relativ hohem Widerstand versehen. Der normal schwache Strom fliesst natürlich durch den Nebenschluss, weil dort der Spannungsabfall ungenügend ist, um den Luftspalt durchschlagen zu lassen. Wenn der Strom ansteigt, steigt auch der Spannungsabfall am Nebenschluss, in manchen Fällen sogar stärker, weil die Temperatur des Nebenschlusses ansteigt. Letzterer kann oder kann nicht infolge der Wärme zerstört werden. Wird der Spannungsabfall gross genug, so wird der Luftspalt durchschlagen und der Film am kalten Teil des Trägers durch den Lichtbogen rasch zerstört.
Dieses Durchschlagen des kleinen Luftspaltes wird nicht nur durch den Spannungabfall am Nebenschluss, sondern auch durch das natürliche Bestreben des elektrischen Stromes gefördert, einer geraden Bahn zu folgen. Das Magnetfeld, welches durch den im Nebenschluss fliessenden Strom gebildet wird, nimmt mit dem Strom zu und trägt auf diese Weise bei, ein Durchschlagen des Luftspaltes zu erreichen, manchmal ohne den Zeitverlust, der für die thermische Zerstörung der Einschnürung notwendig ist. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn der Strom sehr rasch ansteigt, wobei gerade eine rasche Unterbrechung höchst erwünscht ist. Die Ansprechzeit kann weiters durch Einführung von mehreren Luftspalten und Nebenschlüssen herabgesetzt werden.
Auf diese Weise sind eine Anzahl von Zentren geschaffen, wo die ionische Zerstörung des Film beginnt, bis eine solche Gesamtlänge des Films zerstört ist, dass die Entladung erlischt.
Der Nebenschluss kann die Form eines leitenden Belages ähnlich dem des geraden Leiters haben
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und eine Einschnürung kann, aber muss nicht unbedingt, in diesem Nebenschluss vorgesehen sein, um einen hohen Widerstand zu bilden.
Zum klareren Verständnis der Erfindung sollen nun eine Anzahl erfindungsgemässer Stromunterbrecher an Hand der Zeichnung beschrieben werden, in welcher Fig. 1 ein Schnitt durch einen erfindungsgemässen Stromunterbrecher ist und dessen allgemeinen Bau veranschaulicht.
Fig. 2 ist eine Draufsicht auf den eigentlichen Unterbrecher und auf dessen Träger ; Fig. 3-5 je eine Ansicht in grösserem Massstabe jenes Teiles des eigentlichen Stromunterbrechers, bei welchem das Durchschlagen stattfindet. Fig. 6 eine Darstellung, ähnlich Fig. 3, ebenfalls des mehrfach genannten Unterbrecherteiles ; Fig. 7 bis 10 je eine Draufsicht auf den Teil des eigentlichen Stromunterbrechers, bei welchem das Durchschlagen stattfindet im Verein mit einem Teil des Trägers und des Behälters unter Darstellung einer anderen Ausgestaltung des Nebenschlusses.
Der Stromunterbrecher nach Fig. 1 besteht aus einem dünnen Belag von beispielsweise 1/10000 mm Stärke oder einer Schicht 1 aus Metall, der bzw. die auf einem isolierenden Träger 2 montiert ist. Der Belag 1 und der Träger 2 sind in einem Behälter aus einem Glasrohr 3 eingeschlossen, dessen Enden mittels Metallkappen 4 verschlossen sind, durch welche die äusseren Anschlüsse hergestellt werden. Die Verbindungen zwischen den Enden des Belages 1 und den Endkappen 4 sind durch Drähte 5 hergestellt, die mittels Lötungen 6 an dickere Schichten 7 angeschlossen sind, welche über die Enden des Belages 1 durch Niederschlag aufgebracht sind.
Die genannten Drähte sind auch mit den Endkappen in entsprechender Weise verbunden und bilden auch die Mittel, um den Träger 2 an Ort und Stelle zu halten ; die mechanische Festigkeit der Verbindung dieser Drähte mit dem Träger ist durch Lötungen 8 verstärkt.
Der Behälter ist mit Sand 8 a ausgefüllt.
Bei einer Anordnung nach Fig. 2 sind Luftspalt und Nebenschluss sehr einfach in folgender Weise hergestellt. Die normal gerade Bahn mit parallelen Seiten, der der Belag 1 zwischen den Punkten a und b folgt, ist durch einen kurzen Zweig 9 von doppelter Breite oder mehr vergrössert, der sich seitlich nur gegen eine Seite zu erstreckt. Die gesamte Bahn 1 und der Zweig 9 wird dann bei 10 durch Auskratzen des fertigen Metallbelages mit einer Nadel geteilt, wobei die Auskratzung die normale Bahn 1 ganz durchsetzt und sich bis gegen das Ende des Zweiges 9 erstreckt, dessen äusserstes Ende intakt belassen ist, um eine Einschnürung 11 im Nebenschluss zu bilden. Wenn der normale schwache Strom durch den Unterbrecher fliesst, folgt er dem durch diese Einschnürung gebildeten Nebenschluss, der vorzugsweise so schmal ist, dass er einen ziemlich hohen Widerstand hat.
Steigt der Strom an, so erhöht sich auch der Spannungsabfall im Nebenschluss u. zw. in manchen Fällen in höheren Masse als dem Stromanstieg entspricht, infolge des den Widerstand erhöhenden Temperaturanstieges im Nebenschluss. Wenn der Strom bis zum Wert ansteigt, wo Unterbrechung erfolgen soll, kann nicht genügend Zeit sein, dass der Nebenschluss bei 11 durch die Wärme zerstört wird. Ist dies nicht der Fall und wird er durch die Wärme zerstört, findet augenblicklich über den durch die Auskratzung 10 gebildete Luftspalt Bogenentladung statt und der Film 1 wird am kühlen Teil des Trägers 2 zerstört.
Reicht die Zeit zur Zerstörung des Nebenschlusses durch Wärme nicht aus, wird der Potentialabfall dort so gross, dass wieder eine Bogenentladung über den Luftspalt stattfindet und der Film 1 mit grosser Geschwindigkeit am kühlen. Teil des Trägers 2 zerstört wird. Selbstverständlich kann man die Einschnürung so bemessen, dass sie durch Wärme niemals zerstört wird und dass daher das erste Durchschlagen stets beim Luftspalt vor sich geht. In jedem Falle sichert der Luftspalt Raschheit der Unterbrechung bei einem kühlen Teil des Trägers.
Man erkennt, dass das Durchschlagen des Luftspaltes nicht nur durch den Spannungsabfall im Nebenschluss, sondern auch durch das natürliche Bestreben des elektrischen Stromes einer geraden Bahn zu folgen, begünstigt wird. Das durch den Strom im Nebenschluss erregte elektromagnetische Feld nimmt mit dem Strom zu und hilft dadurch mit, das Durchschlagen des Luftspaltes hervorzubringen, manchmal, wie angegeben, ohne thermische Zerstörung der Einschnürung. Natürlicherweise bestimmt die Breite der Einschnürung die Unterbrechungskapazität.
Auf diese Weise wird die Einschnürung sehr kurz und die abgestrahlte Wärmeenergie sehr gering. Die Abmessungen können nach Belieben gewählt werden, aber der Luftspalt 10 quer über die gerade Bahn soll so eng sein, dass er schon bei kleinen Spannungen rasch durchschlagen wird. Sehr günstige Ergebnisse wurden mit einem Luftspalt von 0. 1 mm erzielt, aber selbstverständlich soll hierauf die Erfindung nicht eingeschränkt sein, sondern es stellt obige Ausführung nur ein einfaches Beispiel dar ; es gibt viele Wege um einen erfindungsgemässen Unterbrecher zu erzeugen. Z. B. können bei der vorhin beschriebenen Anordnung zur Vergrösserung der Unterbrechungsgeschwindigkeit zwei weitere Auskratzungen 12 an jedem Ende des Nebenschlusses vorgesehen sein, wie dies die Fig. 4 und 5 zeigen.
Diese Auskratzungen schneiden in den Zweig 9 an seinem Kreuzungspunkt mit der Hauptbahn 1 ein und reichen nahezu so weit wie der ursprüngliche Spalt 10.
Diese weiteren Auskratzungen 12 können entweder parallel zur Hauptbahn Fig. 4 oder unter einem Winkel zu dieser liegen und in die Hauptbahn, wie aus Fig. 5 ersichtlich, einschneiden.
Infolge dieser Auskratzungen 12 wird der Zugang zum Nebenschluss früher unterbrochen. Die beiden als Folge der vorerwähnten Auskratzungen 12 entstandenen Einschnürungen 13 sollen
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(müssen aber nicht unbedingt) breiter sein als die anfängliche Einschnürung 11, die durch den ursprünglichen Spalt geschaffen wird.
Eine weitere Ausführungsform gemäss der Erfindung ist folgende : Man sieht, dass bei den vorgeschriebenen Einrichtungen die beiden
Schenkel des Nebenschlusses auf beiden Seiten des Hauptspaltes 10 einen Kondensator bilden. Dieser Kondensator ist durch den Widerstand kurzgeschlossen, der durch die Einschnürung gebildet ist, aber nichtsdestoweniger wird die in diesem Kondensator aufgestapelte Energie dazu mithelfen, den Luftspalt der Hauptbahn zu durchschlagen, insbesondere nachdem die Einschnürung thermisch zerstört worden ist. In manchen Fällen ist es daher erwünscht, die Kapazität dieses Kondensators durch besondere Ausführung des Nebenschlusses zu vergrössern.
So kann, wie in Fig. 6 dargestellt, der Zweig oder die Verbreiterung an einer Seite der Hauptbahn 1 die Gestalt einer rechtwinkeligen Verbreiterung 9 a annehmen, die sich über eine beträchtliche Entfernung längs der Hauptbahn erstreckt und eine etwa zwei-oder dreifach grössere Breite hat als die genannte Hauptbahn.
Der letztere durchquerende Spalt 10 a erstreckt sich nun etwas in die Verbreiterung 9 a hinein und trifft dort unter rechtem Winkel auf einen Schenkel eines langen U-förmigen Spaltes 14 (Auskratzung 14), dessen beide Enden nahe an ein Ende der Verbreiterung 9 a heranreichen und dessen Querbalken dem anderen Ende angenähert ist. Ein dritter Spalt (Auskratzung) 15 verläuft zwischen den Schenkeln des U-förmigen Spaltes von einer Stelle aus, die sehr nahe dem
Querbalken liegt und bis zum äussersten Ende der Verbreiterung 9 a reicht. Spalte 12 a trennen die Verbreiterung 9 a von der Hauptbahn bis zu Punkten, die nahe beim Hauptspalt 10 a liegen.
Bei dieser Anordnung bildet der schmale Zwischenraum 11 a zwischen dem Ende des Spaltes 15 und dem Querteil des U-förmigen Spaltes 14 die Einschnürung im Nebenschluss und man sieht, dass letzterer selbst einem gewundenen Weg folgt und dass die Kapazität zwischen seinen beiden Schenkeln erheblich vergrössert ist. Die Wirkungsweise ist jene wie vorhin : Wenn bei oder ohne thermische Zerstörung der Einschnürung 11 a der Spannungsabfall quer über diese Einschnürung zu hoch wird, dann findet eine Bogenentladung über 10 a hinweg statt und der Film wird an einem kühlen Teil des Trägers rasch zerstört. Es gibt viele Wege, auf welchen man die vergrösserte Kapazität zwischen den Schenkeln des Nebenschlusses erreichen kann.
Die Fig. 7-10 veranschaulichen Ausführungen bei welchen der Nebenschluss durchaus nicht aus einer dünnen metallischen Schicht oder einem Belag besteht, sondern durch einen gesonderten Stromkreis gebildet ist. So besteht gemäss Fig. 7 der Nebenschluss aus einem Widerstand 16. Die Hauptbahn 1 ist mit einer Auskratzung lob annähernd derselben Dicke wie die früheren Auskratzungen oder Spalten 10 und 10 a hergestellt und dieser Spalt oder die Auskratzung M trennt die Hauptbahn vollständig. Beiderseits dieses Spaltes ist die Hauptbahn mit nach rückwärts gekrümmten Ästen 17 ausgestattet und die Enden dieser Äste sind mit jenen des Widerstandes 16 durch dickere Schichten 18 und Lötungen 19 in gleicher Weise verbunden, wie die Drähte 5 an die Enden der Schicht 1 angeschlossen sind (Fig. 1 und 2).
Für diese Figur gibt es natürlich niemals eine thermische Zerstörung des Widerstandes, aber die Zerstörung des Belages wird immer durch eine Bogenentladung über den Spalt 10 b in der Hauptbahn 1 erfolgen und der Träger 2 bleibt dabei kühl.
Wenn gewünscht, kann der Widerstand 16 des Nebenschlusses veränderlich gemacht werden, wie bei 16 a in Fig. 8 angedeutet ist und das gewählte Widerstandsmaterial kann einen hohen positiven Temperaturkoeffizienten aufweisen um des weiteren das Durchschlagen des Spaltes zu unterstützen.
In den Fig. 7 und 8 sind die Widerstände 16 bzw. 16 a ausserhalb der Röhre 3 veranschaulicht, welche die Hülle für den Stromunterbrecher bildet. Wenn gewünscht, kann der Widerstand innerhalb dieser Hülle liegen, wie bei 16 b in Fig. 9 dargestellt wird. In allen diesen Fig. 7-9 sind Auskratzungen oder Spalte 12 a entsprechend den Auskratzungen der Fig. 5 veranschaulicht.
Fig. 10 zeigt eine Einrichtung, bei welcher der Nebenschluss durch einen Kondensator 20 statt durch den Widerstand 16 der Fig. 7 gebildet ist. Ein Kondensator kann natürlich nur dort zur Anwendung kommen, wo der Stromunterbrecher für Wechselstrom verwendet werden soll. Im übrigen ist die Wirkungsweise genau dieselbe wie in Fig. 7-9.
Kurz gesagt, kann der Nebenschluss durch irgend einen Stromkreis gebildet sein, der das Durchschlagen des Spaltes bei der erforderlichen Stromstärke zustandebringt.
Es ist klar, dass gewünschtenfalls eine Anzahl von Spalten und Nebenschlüssen an verschiedenen Stellen entlang der Hauptschicht 1 angeordnet werden können. Dies wird, wie vorhin angegeben, dazu beitragen, die Unterbrechungszeit zu kürzen, weil mehrere Zentren geschaffen sind, an welchen die ionische Zerstörung des Film beginnt.
Aus Fig. 2 ist ersichtlich, dass der Hauptbelag 1 einen zickzackförmigen oder gewundenen Weg verfolgt. Der Grund hiefür liegt einfach darin, dass sein Widerstand ein hoher sein soll, ohne dass die Gesamtlänge des Unterbrechers als Ganzes ungebührlich gross wird.
Gemäss der Erfindung ist es wesentlich den mehr oder weniger geradlinig verlaufenden leitenden Belag 1 an einer oder an mehreren Stellen durch einen Spalt oder Ritz 10, loua oder lOb zu unterbrechen und diesen Spalt oder Ritz durch einen geeigneten Nebenschluss zu überbrücken. Letzterer braucht nicht in derselben Ebene wie der Hauptleiter liegen und, wenn dies nicht der Fall ist, wird dadurch die Tendenz zum Durchschlagen weiters erhöht, insbesondere
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bei einem rasch ansteigenden Strom. Wo z. B. der Nebenschluss die Form eines dünnen Belages gleich der Hauptbahn hat (wie in den Fig. 1 und 6), kann der Träger die Gestalt einer zylindrischen
Stange annehmen, so dass der Nebenschluss ausser- halb der Ebene der Hauptbahn liegt.
Eine weitere Bedingung ist jene, dass der leitende Belag 1 vorzugsweise so dünn sein soll, dass er durch den Lichtbogen eines Stromes zerstört wird, der schwächer ist als der Strom, der sicher geleitet wird, wenn der Belag nirgends unterbrochen wäre. Auf diese Weise wird, wenn der Belag oder Film 1 zufällig durch
Korrosion oder mechanische Einflüsse, wie
Schwingungen oder Stösse, unterbrochen wird, jede Bogenentladung über diese zufällige Unter- brechung den Film augenblicklich zerstören wird, statt langsam Wärme zu entwickeln und möglicher- weise gefährliche Explosionen zu verursachen.
Es wurde gefunden, dass bei Einrichtungen nach der vorliegenden Erfindung der Belag 1 durch Abdeckung mit Lack geschützt werden kann, aber es soll sich kein Lack zwischen Belag 1 und Träger 2 befinden und der Träger selbst soll vorzugsweise aus anorganischem Werkstoff bestehen.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Elektrischer Überstromunterbrecher aus einem dünnen metallischen Belag auf einem Träger, dadurch gekennzeichnet, dass der Belag dieses Trägers durch einen schmalen Spalt oder Ritz unterbrochen ist, zu dem parallel ein Nebenschluss liegt und dass dieser Spalt oder Ritz so klein ist, dass bei Anwachsen des Stromes wegen des Spannungsabfalles am Nebenschluss eine Bogenentladung über ihn hinweg erfolgt, wodurch der Belag rasch zerstört und der Strom unterbrochen wird.