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Vorrichtung zum Ausschalten von Gleich-oder Wechselstrom hoher Spannung von 10 kV und höher, insbesondere grosser Leistungen
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Ausschalten von Gleich-oder Wechselstrom, die aus einem mechanischen Schalter mit einer oder mehreren parallel zu ihm angeordneten Gas-oder Dampfentladungsröhren mit Quecksilberkathode besteht, die nach der Öffnung des Schalters selbsttätig gezündet und dann zwangsläufig gelöscht werden. Bei Wechselstrom werden im allgemeinen zwei gegensinnig parallel geschaltete Entladungsröhren angewendet, so dass sowohl in der positiven wie auch in der negativen Halbwelle geschaltet werden kann.
Obwohl derartige Vorrichtungen grundsätzlich bekannt sind, haben sie in der Praxis zum Schalten hoher Spannung von 10 kV und höher und insbesondere von grossen Gleichstromleistungen von beispielsweise Zehnern von Kilovolts und Hunderten von Ampères versagt, mit Ausnahme der Löschung von Wechselstrom beim Nulldurchgang.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass solche Vorrichtungen sehr gut funktionieren können, wenn einer Reihe von ganz bestimmten Anforderungen genügt wird.
Die Tatsache, dass bisher das Ziel, hohe Spannungen, insbesondere Gleichspannung und grössere Leistungen abzuschalten praktisch nicht erreichbar war, erklärt sich daraus, dass einerseits die Eigenschaft einer Gasentladung, dass die Durchschlagspannung, insbesondere von Quecksilberdampf, sehr hohe Werte annimmt, wenn das Produkt von Dampfdichte und Elektrodenabstand einen kleinen Wert besitzt, nicht bewusst benutzt wurde, und dass andererseits eine Beschränkung der in der Schaltröhre entwickelten Energie nicht verwirklicht werden konnte, so dass bei grösseren Stromstärken eine so ausgiebige Verdampfung von Quecksilber erfolgte, dass die Sicherheit gegen Durchschlag notwendigerweise zu gering wurde.
Erfindungsgemäss muss vor allem die Zeit t1' die zwischen der Öffnung der Schaltkontakte und der Zündung der Parallelentladung durch die Entladungsröhre verstreicht, sowie die Zeit t2, in der die Entladungsröhre stromführend ist, richtig bemessen werden.
Zum Schalten (wie oben erwähnt) grösserer Ströme bei hohen
Spannungen werden, im Sinne der Erfindung, an die Zeiten t1 und t2 die folgenden Bedingungen gestellt, welche teilweise einander entgegengesetzt sind : a) t1 muss kurz sein : 1. um Kontaktbeschädigung zu vermeiden, 2. um die Ionisation, Dampfbildung und Erwärmung, welche alle die Sicherheit gegen Durchschlag zwischen den Schaltkontakten verkleinern, zu beschränken. b) t2 muss lang sein : um genügende Entionisation und Abkühlung des Raumes zwischen den Kontakten zu erzielen. c) t, +t, muss lang sein :
um einen hinreichenden Abstand zwischen den Schaltkontakten zu erzielen, deren Geschwindigkeit aus technischen Gründen auf einige Hunderte von cM/. beschränkt ist. d) t2 muss kurz sein : um die Dampfbildung in der Röhre durch Erwärmung und Verdampfung von Quecksilber vom Kathodenfleck aus zu beschränken, durch welche Erwärmung und Verdampfung die Sicherheit gegen Durchschlag gering würde.
Hinsichtlich der Abmessungen der zu verwendenden Entladungsröhre sind die zu stellenden Anforderungen im allgemeinen auch einander entgegengesetzt : e) die Röhre muss klein sein : um eine hohe Sicherheit gegen Durchschlag zu erzielen [hohe Durchschlagspannung bei kleinen Werten des Produktes p. d auf der bekannten Paschen'schen-Durchschlagkurve, wobei p den Dampfdruck und d den Elektrodenabstand darstellen ; siehe auch Punkt d, von dem der Dampfdruck p abhängig ist]. f) Die Röhre darf nicht zu klein sein : wegen der Beschränkung der maximalen Dampfdichte (siehe auch Punkt d) durch Verdampfung des Quecksilbers ; im nicht stationären Zustand, in dem sich die Röhre während der Stromführung befindet, gibt die gleiche Menge verdampftes Quecksilber in einem grossen Volumen eine kleinere Dichte als in einer kleinen Röhre.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung nützt die günstigen Eigenschaften der Entladung bei einem kleinen Wert von p. d auf dem linken Teil der Paschen'schen Kurve dazu aus, um eine Ent-
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ladung'mit Quecksilberkathode innerhalb sehr kurzer Zeit zu löschen.
Es stellt sich heraus, dass ein Kompromiss zwischen den erwähnten Anforderungen a) bis f) einschliesslich für das Abschalten von Spannungen und Strömen in einem sehr weiten Gebiet möglich ist, sogar bei Gleichstrom, für den es in der Technik bisher keine Lösung gab.
Im Sinne der Erfindung muss als erste Bedingung eingehalten werden, dass die Röhre von dem Augenblick der Öffnung des Schalters an innerhalb einer bestimmten, beschränkten
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Lichtbogenbildung verhütet wird. Hiezu sei erwähnt, dass bei den in der Praxis bisher ange- wendeten mechanischen Schaltern für hohe
Spannung und grosse Leistungen die Kontakte nach einer Abschaltung meist derart eingebrannt sind, dass ein Ersatz durch neue Kontakte erforderlich ist.
Als zweite Bedingung sei eingehalten, dass die Löschung der Röhre innerhalb einer Zeit- dauer t2 erfolgt, die derart gewählt wird, dass innerhalb der Zeit < i+ die Kontakte des Schalters einen genügend grossen Abstand voneinander erhalten haben und dass der Raum zwischen den Kontakten hinreichend entionisiert ist, um eine erneute Funken-oder Lichtbogenbildung an den Kontakten infolge der nach der Ausschaltung - des Verbrauchers rückkehrenden Spannung zu verhindern.
Erfindungsgemäss wird bei einer Vorrichtung, welche den obengenannten Bedingungen entspricht, eine erneute Zündung der Röhre infolge der rückkehrenden Spannung verhindert, einerseits durch Anwendung einer Röhre derart geringer Abmessungen und anderseits durch die Wahl einer derart beschränkten Zeit t2 und somit einer beschränkten Druckerhöhung durch Erwärmung der Röhre infolge des Stromdurchganges während der Zeit t2, dass das Produkt von Gasdruck p und Elektrodenabstand d am Ende der Periode t2 unterhalb eines bestimmten kritischen Wertes liegt.
Unter einem bestimmten kritischen Wert" ist hier ein Wert des Produktes pd zu verstehen, der in dem Bereich liegt, in dem die Durchschlagspannung bei abnehmendem Wert von pd (Paschen'sche Kurve) zunimmt und dessen Grösse von dem Wert der rückkehrenden Spannung abhängig ist.
Da t2 sehr klein gewählt wird, kommt die Bedingung f) in Fortfall und die Entladungsröhre kann auch sehr klein sein.
Mit Rücksicht auf die Bedingungen a), b) und c) wird bemerkt, dass im Vergleich zu normalen Schaltern, bei denen die schädlichen Wirkungen durch Luftströme oder Ölkühlung beseitigt werden, die Belastung der Kontakte während der Zeit tl gemäss der Erfindung von viel kürzerer Dauer als üblich ist, so dass der Schalter wesentlich leichter ausgebildet werden kann, was die Anwendung grosser mechanischer Geschwindigkeiten der Kontakte erleichtert, wodurch die Bedingung c) hinsichtlich der absoluten Grösse der Zeitdauer tl+t2 wegfällt. Durch geringe Kühlung des Kontaktraumes mit bekannten Mitteln braucht sodann auch die Bedingung b) nicht mehr zwingend zu sein, während der Bedingung a) bereits entsprochen wird.
Es folgt aus dem Vorstehenden, dass die erfindungsgemässe Vorrichtung die Anforderungen die an den Schalter zu stellen sind, weitgehend erleichtert, so dass mit geringeren Mitteln eine grössere Wirkung erzielbar ist und das Schalten von Gleichstrom hoher Spannung und grosser Leistung grundsätzlich ermöglicht wird. Es kann im all-
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Es ist noch zu erwähnen, dass die sich aus Versuchen ergebene praktische Möglichkeit der Abschaltung einer hohen Stromstärke bei einer niedrigen Spannung gemäss der Erfindung ausserdem die Möglichkeit eröffnet, Kurzschlussleistungen in elektrischen Hochspannungsnetzen abzuschalten. Beim Ausschaltvorgang liegt die hohe Spannung nämlich nicht am Schalter, sondern an der Belastung, so dass in erster Linie nur mit der grossen Stromstärke zu rechnen ist.
Die Abschaltung ist auf Grund des Vorstehenden jetzt möglich. Erst die nach dem Öffnen des Schalters und dem Löschen der Parallelröhre zurückkehrende, hohe Spannung ist in diesem Zusammenhang von Wichtigkeit, was also auf das Treffen von Massnahmen gegen die erneute Bildung eines Lichtbogens zwischen den Kontakten und gegebenenfalls in der Röhre hinausläuft. Solche Massnahmen sind jedoch bekannt und können hier sinngemäss angewendet werden.
Gemäss einem weiteren Merkmal der Erfindung besteht der mechanische Schalter in an sich bekannter Weise aus zwei oder mehreren in Reihe liegenden und gleichzeitig zu öffnenden, beispielsweise miteinander gekuppelten mechanischen Schaltern, wodurch insbesondere bei der Schaltung von hohen Stromstärken bei hoher Spannung die Sicherheit, dass bei rückkehrender Schaltspannung Lichtbogenbildung zwischen den Schaltkontakten verhindert wird, bereits bei geringeren Abständen zwischen den Kontakten erhalten wird. Im Zusammenhang mit der an bestimmte Maximumgrenzen gebundenen Ausschaltgeschwindigkeit mechanischer Schalter ist dies bei Anwendung der Erfindung, wobei sehr kurze Zeiten auf die richtige Weise zu einem vorausbestimmten Programm kombiniert sein müssen, von besonderer Wichtigkeit.
Durch den Umstand, dass die Gesamtspannung zweier in Reihe liegender Lichtbogen höher sein kann als die Spannung eines einzigen Lichtbogens der gleichen Länge wie die der beiden zusammen, wird der Vorteil erhalten, dass die durch die gesamte Lichtbogenspannung bedingte Anodenspannung der Parallelröhre höher ist, wodurch letztere im richtigen Augenblick leichter gezündet werden kann. Die Sicherheit einer
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richtigen Zündung steigt bereits bei der An- wendung von zwei Schaltern praktisch bis zu 100%.
Gemäss einer geeigneten Ausführungsform der
Erfindung wird die Zündung der Röhre mit
Hilfe von durch die Lage des bereits geöff- neten Schalters gesteuerten Mitteln bewerk- stelligt. Durch diese Massnahme wird die Schal- tung vereinfacht, was der Betriebssicherheit zugute kommt.
Zur Löschung der Röhre wird erfindungs- gemäss insbesondere eine Schaltung verwendet, bei der parallel zur Röhre eine Reihenschaltung eines Löschkondensators, eines Hilfskondensators und eines Schalters, vorzugsweise einer Hilfs- entladungsröhre, angeordnet ist, wobei das Ver- hältnis zwischen den Kapazitäten derart gewählt ist, dass die rückkehrende Schaltspannung im wesentlichen vom Hilfskondensator aufgenommen wird. In der nachstehenden Figurbeschreibung wird darauf noch näher eingegangen.
Die Erfindung wird an Hand der beiliegenden
Zeichnung näher erläutert, in der in den schematisch dargestellten Figuren eine Vorrichtung gemäss der Erfindung beispielsweise dargestellt ist.
In Fig. 1 ist eine Gleichspannungsquelle 1 über einen mechanischen Schalter 2 an die Belastung 3 angeschlossen.
Parallel zum Schalter 2 liegt eine Gas-oder Dampfentladungsröhre 4 mit einer Quecksilberkathode 5 und einem Steuerorgan 6 in der Form einer eingetauchten Zündelektrode hohen Widerstandes oder einer kapazitiven Zündelektrode.
Schliesslich sind parallel zur Röhre 4 noch ein Schalter 7 und ein z. B. bereits vorher mit der angegebenen Polarität aufgeladener Kondensator 8 auf bekannte Weise angeschlossen.
Angenommen, dass die Belastung 3 über den erstgeschlossenen Schalter 2 gespeist wird, ist der Vorgang bei Abschalturg folgender : Wird der Schalter 2 geöffnet, so wird zwischen den Kontakten ein Lichtbogen gezogen. Dann wird die Röhre 4 mit Hilfe der Zündelektrode 6 gezündet, so dass der Lichtbogen am Schalter 2 von der Röhre übernommen wird. Dann wird die Röhre durch Schliessung des Schalters 7 gelöscht, u. zw. erfolgt dies dadurch, dass die Anode der Röhre vom geladenen Kondensator 8 genügend in der Spannung herabgesetzt wird, und wenn erforderlich, sogar eine kurze Zeit ein genügend negatives Potential erhält, um die Röhre zu löschen.
Die Röhre wird erfindungsgemäss innerhalb einer so kurzen Zeitdauer t1 gezündet, dass ein für die Kontakte schädlicher Funken-oder Lichtbogen nicht auftritt. In der Figur ist die in diesem Zusammenhang grösstzulässige Lichtbogenlänge zwischen den Kontakten mit a bezeichnet. Die Maximumzeit t1 wird mithin durch den Quotienten zwischen dem Abstand a und der Öffnungsgeschwindigkeit der Kontakte bestimmt, die gegebenenfalls auf Grund der gestellten Anforderungen einen gewissen Mindestwert besitzen soll, aber anderseits aus baulichem
Gesichtspunkt an ein gewisses Maximum ge- bunden ist.
Die Zündung der Röhre 4 innerhalb der bestimmten Zeit t1 kann z. B. in Abhängigkeit von der Lage des beweglichen Schaltarmes 2 mittels eines zusätzlichen Kontaktes oder bei einer elektromagnetischen Ausschaltung mit Hilfe eines geeignet gewählten Zeitkreises auf bekannte Weise erfolgen. Dies wird an Hand der Fig. 2 noch näher erläutert. Ferner wird gemäss der Erfindung eine Röhre 4 von derart geringen Abmessungen angewendet und diese Röhre nach der Zündung nach einer derart kurzen Zeit t2 wiederum gelöscht, dass Neuzündung der Röhre durch die zurückkehrende Schaltspannung 1 verhindert wird.
Das Verhalten der Schaltröhre lässt sich an Hand der Fig. 3 erklären, die qualitativ den Verlauf der Paschen'schen Durchschlagkurve für ein verdünntes Gas darstellt, wobei die Durchschlagspannung Vd als Funktion des Produktes pd von Gasdruck und Elektrodenabstand aufgetragen ist. Während des Schaltvorganges befindet sich die Röhre in einem Zustand, der durch den links vom Minimum liegenden Kurventeil gekennzeichnet ist. Am Ende der Zeit t1 befindet sich die Röhre in einem Zustand, der durch den Punkt A angegeben ist. Während des Brennens des Lichtbogens während der Zeit t2 nimmt der Druck zu, so dass am Ende dieser Zeit am Punkt B der We1t (pd) 2 erreicht wird. Dieser Punkt entspricht der Spannung VB.
Neuzündung tritt nicht auf, solange dafür Sorge getragen wird, dass Vu grösser als die rückkehrende Spannung V ist.
Bei einer gegebenen Spannung V lässt sich diese Bedingung, wie sich aus der Figur ergibt, stets genügen, wenn das Produkt pd auf dem Zweig AB unterhalb eines bestimmten kritischen Wertes (pd) 2 bleibt. Im Vorstehenden sind die Massnahmen angegeben, mit deren Hilfe dies gemäss der Erfindung bewerkstelligt werden kann.
Die Löschung der Röhre erfolgt durch Schliessung des Schalters 7, was gleichfalls in Abhängigkeit vom Schalter 2, gegebenenfalls in Abhängigkeit vom Zündimpuls über die Elektrode 6 erfolgen kann.
Schliesslich sind die Zeiten t1 und t2 derart zu wählen, dass im Zusammenhang mit der Öffnungsgeschwindigkeit des Schalters 2 und den gegebenenfalls angewendeten, zusätzlichen Entionisierungsmitteln innerhalb der gesamten Zeitdauer ti+ der in Fig. 1 mit b bezeichnete Abstand zwischen den Kontakten gross genug ist, um nach der Löschung der Röhre eine erneute Lichtbogenbildung zwischen den Kontakten zu verhindern.
Im dargestellten Fall bildet der Abstand b-a, wenn ausschliesslich die Öffnunggeschwindigkeit des Schalters berücksichtigt wird, daher ein Mass für die Zeit dz
Obwohl in Fig. 1 die Abschaltung von Gleichstrom behandelt wurde, was in der Praxis bisher noch immer als am schwersten zu verwirklichen galt, kann auch Wechselspannung an einem
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beliebigen Punkt innerhalb der Periode, z. B. innerhalb eines Zehntels einer Halbperiode, gemäss der Erfindung zwangsläufig abgeschaltet werden.
In Fig. 2 ist eine Vorrichtung gemäss Fig. 1 dargestellt, bei welcher der Schalter 2 aus Fig. 1 aus zwei in Reihe liegenden und miteinander gekuppelten mechanischen Schaltern 9 und 10 besteht. Der Schalter 10 ist mit einem zusätzlichen Hillsschalter 11 versehen, durch welchen der richtige Augenblick der Zündung der Röhre 4 mittels der Batterie 12, des Relais 13 der Kontakte 14 und des geladenen Kondensators 15 festgelegt wird. Die Kontakte 14 und 16 werden so betätigt oder geschlossen, dass einen kurzen, gegebenenfalls regelbaren Augenblick (t2-t1) nach der Schliessung der erstgenannten Kontakte 14 die letztgenannten Kontakte 16 geschlossen werden.
Die Röhre 17 wird infolgedessen mit Hilfe des geladenen Kondensators 18 gezündet, wodurch der von der Vorrichtung 19 aufgeladene Kondensator 8 (siehe auch 1) sich über den Hilfskondensator 20 durch die Röhre 4 entlädt.
Durch diesen Stoss erlischt die Röhre 4. Der Hilfskondensator 20 ist im Verhältnis zum Kondensator 8 derart bemessen, dass ersterer in der Hauptsache die nach der Löschung der Röhre 4 zurückkehrende Schaltspannung aufnimmt. Bei der Schaltung hoher Spannung ist dies besonders vorteilhaft, da der verhältnismässig grosse Löschkondensator nicht für die rückkehrende, hohe Spannung isoliert zu sein braucht, da die Entladung in der Röhre 17 nach der Ladung des Kondensators 20 rechtzeitig abreisst. Bei einer periodisch wirkenden Vorrichtung ist es emp- fehlenswert, den Kondensator 20 mittels eines Ableitungswiderstandes 21 zu überbrücken, wodurch eine genügende Entladung des Kondensators innerhalb der dazu verfügbaren Zeit erzielt werden kann.
Es bedarf keiner näheren Erläuterung, dass auch andere bekannte Mittel als das dargestellte Relais angewendet werden können, um die richtigen Zeitpunkte der Zündung und Löschung der Röhre 4 zu erhalten.
Bei einer versuchsweise angewendeten Schaltung wurden Spannungen von etwa 20 kV und anderseits Ströme bis zu 200 Amp. mit Hilfe eines mechanischen Schalters und einer Gasentladungsröhre mit einem Elektrodenabstand von einigen cm und einem Volumen von etwa 100 cm3 geschaltet.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Vorrichtung zum Ausschalten von Gleichoder Wechselstrom hoher Spannung von 10 kV und höher, insbesondere grosser Leistungen, die aus einem mechanischen Schalter mit einer oder mehreren parallel zu ihm angeordneten
Gas-oder Dampfentladungsröhren mit Quecksilberkathode besteht, die nach der Öffnung des Schalters selbsttätig gezündet und dann zwangsläufig gelöscht werden, wobei die Röhre von dem Augenblick der Öffnung des Schalters an innerhalb einer bestimmten beschränkten Zeitdauer t1 derart gezündet wird, dass inzwischen ein für die Kontakte schädliches Mass von Funkenoder Lichtbogenbildung verhütet wird, während die Löschung der Röhre innerhalb einer Zeitdauer t2 erfolgt, die derart gewählt wird,
dass nach der Zeit t1 +t2 die Kontakte einen genügenden Abstand voneinander erhalten haben und der Raum zwischen den Kontakten in genügendem Masse entionisiert ist, um eine erneute Funkenoder Lichtbogenbildung an den Kontakten infolge der rückkehrenden Spannung zu verhindern, dadurch gekennzeichnet, dass eine erneute Zündung der Röhre infolge der rückkehrenden Spannung verhindert wird, einerseits durch Anwendung einer Röhre derart geringer Abmessungen und anderseits durch die Wahl einer derart beschränkten Zeit t2 und somit einer beschränkten Druckerhöhung durch Erwärmung der Röhre infolge des Stromdurchganges während der Zeit t2, dass das Produkt von Gasdruck und Elektrodenabstand am Ende der Periode t2 unterhalb des durch die zu schaltende Spannung bestimmten kritischen Wertes liegt.
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Device for switching off direct or alternating currents of high voltage of 10 kV and higher, in particular high powers
The invention relates to a device for switching off direct or alternating current, which consists of a mechanical switch with one or more gas or vapor discharge tubes with mercury cathode arranged parallel to it, which are automatically ignited after the switch is opened and then automatically extinguished. In the case of alternating current, two discharge tubes connected in parallel in opposite directions are generally used, so that switching can take place in both the positive and the negative half-wave.
Although such devices are known in principle, they have failed in practice for switching high voltages of 10 kV and higher and in particular large direct current powers of for example tens of kilovolts and hundreds of amperes, with the exception of the cancellation of alternating current at zero crossing.
The invention is based on the knowledge that such devices can function very well if a number of very specific requirements are met.
The fact that up to now the goal of switching off high voltages, in particular direct voltage and higher powers, was practically impossible to achieve is explained by the fact that on the one hand the property of a gas discharge, that the breakdown voltage, in particular of mercury vapor, assumes very high values when the product Vapor density and electrode spacing has a small value, was not used consciously, and that on the other hand a limitation of the energy developed in the interrupter could not be realized, so that at higher currents there was so extensive evaporation of mercury that the security against breakdown necessarily too low has been.
According to the invention, the time t1 'that elapses between the opening of the switching contacts and the ignition of the parallel discharge through the discharge tube, as well as the time t2 in which the discharge tube is live, must be measured correctly.
For switching (as mentioned above) larger currents at high currents
In the sense of the invention, the following conditions are set for the times t1 and t2, some of which are opposed to one another: a) t1 must be short: 1. to avoid contact damage, 2. to avoid ionization, vapor formation and heating, which all reduce the security against breakdown between the switch contacts, to limit. b) t2 must be long: in order to achieve sufficient deionization and cooling of the space between the contacts. c) t, + t, must be long:
in order to achieve a sufficient distance between the switching contacts, the speed of which for technical reasons is limited to a few hundred cM / is limited. d) t2 must be short: in order to limit the formation of vapor in the tube due to the heating and evaporation of mercury from the cathode spot, which would reduce the safety against breakdown due to the heating and evaporation.
With regard to the dimensions of the discharge tube to be used, the requirements to be set are generally opposed to one another: e) the tube must be small: in order to achieve a high level of protection against breakdown [high breakdown voltage with small values of the product p. d on the known Paschen's breakdown curve, where p represents the vapor pressure and d represents the electrode spacing; see also point d, on which the vapor pressure p depends]. f) The tube must not be too small: because of the limitation of the maximum vapor density (see also point d) through evaporation of the mercury; in the non-steady state in which the tube is while the current is being conducted, the same amount of vaporized mercury gives a smaller density in a large volume than in a small tube.
The device according to the invention makes use of the favorable properties of the discharge at a small value of p. d on the left-hand part of Paschen's curve to determine a
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charge with mercury cathode within a very short time.
It turns out that a compromise between the mentioned requirements a) to f) including the switching off of voltages and currents is possible in a very wide range, even with direct current, for which there was no solution in the art.
For the purposes of the invention, the first condition that must be met is that the tube is within a certain limit from the moment the switch is opened
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Arcing is prevented. In this regard, it should be mentioned that with the mechanical switches previously used in practice for high
Voltage and high power the contacts are usually burned in after a shutdown in such a way that they have to be replaced with new contacts.
The second condition is that the tube is erased within a time period t2, which is chosen so that within the time <i + the contacts of the switch are spaced sufficiently from one another and that the space between the contacts is sufficiently deionized is to prevent new sparks or arcing on the contacts as a result of the voltage returning after switching off - the consumer.
According to the invention, a reignition of the tube as a result of the returning voltage is prevented in a device which corresponds to the above conditions, on the one hand by using a tube of such small dimensions and on the other hand by choosing such a limited time t2 and thus a limited pressure increase by heating the tube as a result of the passage of current during time t2, that the product of gas pressure p and electrode spacing d is below a certain critical value at the end of period t2.
A certain critical value "is to be understood here as a value of the product pd which lies in the range in which the breakdown voltage increases with a decreasing value of pd (Paschen's curve) and whose size depends on the value of the returning voltage.
Since t2 is selected to be very small, the condition f) does not apply and the discharge tube can also be very small.
With regard to conditions a), b) and c) it is noted that compared to normal switches, in which the harmful effects are eliminated by air currents or oil cooling, the load on the contacts during the time tl according to the invention of much shorter duration than usual, so that the switch can be made much lighter, which facilitates the use of high mechanical speeds of the contacts, whereby the condition c) with regard to the absolute size of the time period tl + t2 is omitted. As a result of the slight cooling of the contact space with known means, condition b) no longer needs to be imperative, while condition a) is already met.
It follows from the above that the device according to the invention largely facilitates the requirements to be placed on the switch, so that a greater effect can be achieved with fewer resources and the switching of direct current of high voltage and high power is basically made possible. It can in general-
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It should also be mentioned that the practical possibility of switching off a high current intensity at a low voltage according to the invention, which results from experiments, also opens up the possibility of switching off short-circuit power in electrical high-voltage networks. When switching off, the high voltage is not due to the switch, but to the load, so that primarily only the high amperage is to be expected.
The shutdown is now possible due to the above. Only the high voltage that returns after the switch has been opened and the parallel tube has been extinguished is important in this context, which means that measures must be taken to prevent the re-formation of an arc between the contacts and possibly in the tube. Such measures are known, however, and can be applied analogously here.
According to a further feature of the invention, the mechanical switch consists in a manner known per se of two or more mechanical switches that are in series and can be opened at the same time, for example coupled to one another, whereby, especially when switching high currents at high voltage, the security that when returning Switching voltage arcing between the switching contacts is prevented, is obtained even with smaller distances between the contacts. In connection with the switch-off speed of mechanical switches, which is bound to certain maximum limits, this is of particular importance when using the invention, with very short times having to be combined in the correct way to form a predetermined program.
The fact that the total voltage of two arcs in series can be higher than the voltage of a single arc of the same length as that of the two together, the advantage is obtained that the anode voltage of the parallel tube caused by the total arc voltage is higher, whereby the latter can be ignited more easily at the right moment. The security of a
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correct ignition increases practically up to 100% with the use of two switches.
According to a suitable embodiment of
Invention is the ignition of the tube with
With the help of means controlled by the position of the already open switch. This measure simplifies the circuit, which benefits operational reliability.
According to the invention, to extinguish the tube, in particular a circuit is used in which a series connection of a quenching capacitor, an auxiliary capacitor and a switch, preferably an auxiliary discharge tube, is arranged parallel to the tube, the ratio between the capacitances being selected such that that the returning switching voltage is essentially absorbed by the auxiliary capacitor. This is discussed in more detail in the following figure description.
The invention is based on the enclosed
Drawing explained in more detail, in which a device according to the invention is shown, for example, in the schematically shown figures.
In FIG. 1, a DC voltage source 1 is connected to the load 3 via a mechanical switch 2.
A gas or vapor discharge tube 4 with a mercury cathode 5 and a control element 6 in the form of an immersed ignition electrode of high resistance or a capacitive ignition electrode is located parallel to the switch 2.
Finally, a switch 7 and a z. B. previously charged with the specified polarity capacitor 8 connected in a known manner.
Assuming that the load 3 is fed via the first closed switch 2, the process at disconnection is as follows: If the switch 2 is opened, an arc is drawn between the contacts. Then the tube 4 is ignited with the aid of the ignition electrode 6, so that the arc at the switch 2 is taken over by the tube. Then the tube is deleted by closing the switch 7, u. This is done in that the anode of the tube is sufficiently reduced in voltage by the charged capacitor 8 and, if necessary, even receives a sufficiently negative potential for a short time to extinguish the tube.
According to the invention, the tube is ignited within such a short period of time t1 that a spark or arc which is harmful to the contacts does not occur. In the figure, the maximum permissible arc length between the contacts in this context is denoted by a. The maximum time t1 is therefore determined by the quotient between the distance a and the opening speed of the contacts, which should possibly have a certain minimum value due to the requirements set, but on the other hand for structural reasons
Point of view is tied to a certain maximum.
The ignition of the tube 4 within the certain time t1 can, for. B. depending on the position of the movable switching arm 2 by means of an additional contact or in an electromagnetic switch-off with the help of a suitably selected time circuit in a known manner. This is explained in more detail with reference to FIG. Furthermore, according to the invention, a tube 4 of such small dimensions is used and, after ignition, this tube is again extinguished after such a short time t2 that re-ignition of the tube by the returning switching voltage 1 is prevented.
The behavior of the interrupter can be explained with reference to FIG. 3, which qualitatively represents the course of Paschen's breakdown curve for a dilute gas, the breakdown voltage Vd being plotted as a function of the product pd of gas pressure and electrode spacing. During the switching process, the tube is in a state that is indicated by the part of the curve to the left of the minimum. At the end of the time t1 the tube is in a state indicated by point A. While the arc is burning during time t2, the pressure increases, so that at the end of this time at point B the value (pd) 2 is reached. This point corresponds to the voltage VB.
Re-ignition does not occur as long as care is taken to ensure that Vu is greater than the returning voltage V.
At a given voltage V, as can be seen from the figure, this condition can always be satisfied if the product pd on the branch AB remains below a certain critical value (pd) 2. In the above, the measures are indicated with the help of which this can be achieved according to the invention.
The tube is extinguished by closing the switch 7, which can also take place as a function of the switch 2, possibly as a function of the ignition pulse via the electrode 6.
Finally, the times t1 and t2 are to be selected in such a way that, in connection with the opening speed of the switch 2 and any additional deionization agents used, within the entire time period ti + the distance between the contacts denoted by b in FIG. 1 is large enough to quenching the tube to prevent re-arcing between the contacts.
In the case shown, the distance b-a, if only the opening speed of the switch is taken into account, therefore forms a measure for the time dz
Although the disconnection of direct current was dealt with in FIG. 1, which has hitherto been considered to be the most difficult to achieve in practice, alternating voltage can also be applied to one
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any point within the period, e.g. B. be switched off automatically within a tenth of a half cycle according to the invention.
In FIG. 2 a device according to FIG. 1 is shown, in which the switch 2 from FIG. 1 consists of two mechanical switches 9 and 10 which are arranged in series and are coupled to one another. The switch 10 is provided with an additional Hills switch 11, by which the correct moment of ignition of the tube 4 by means of the battery 12, the relay 13 of the contacts 14 and the charged capacitor 15 is determined. The contacts 14 and 16 are actuated or closed in such a way that a short, optionally controllable moment (t2-t1) after the first-mentioned contacts 14 have closed, the last-mentioned contacts 16 are closed.
The tube 17 is consequently ignited with the aid of the charged capacitor 18, as a result of which the capacitor 8 charged by the device 19 (see also FIG. 1) is discharged through the tube 4 via the auxiliary capacitor 20.
The tube 4 is extinguished by this shock. The auxiliary capacitor 20 is dimensioned in relation to the capacitor 8 in such a way that the former mainly absorbs the switching voltage returning after the tube 4 has been extinguished. When switching high voltage, this is particularly advantageous, since the relatively large quenching capacitor does not need to be isolated for the returning high voltage, since the discharge in the tube 17 breaks off in good time after the capacitor 20 has been charged. In the case of a periodically acting device, it is advisable to bypass the capacitor 20 by means of a discharge resistor 21, whereby a sufficient discharge of the capacitor can be achieved within the time available for this.
There is no need to explain in more detail that known means other than the relay shown can also be used in order to obtain the correct times for the ignition and extinction of the tube 4.
In an experimental circuit, voltages of around 20 kV and, on the other hand, currents of up to 200 Amp. Were switched with the aid of a mechanical switch and a gas discharge tube with an electrode spacing of a few cm and a volume of around 100 cm3.
PATENT CLAIMS:
1. Device for switching off direct or alternating current of high voltage of 10 kV and higher, in particular large powers, consisting of a mechanical switch with one or more parallel to it
Gas or vapor discharge tubes with a mercury cathode, which are automatically ignited after the switch is opened and then automatically extinguished, with the tube being ignited within a certain limited time period t1 from the moment the switch is opened in such a way that in the meantime one is harmful to the contacts The amount of sparks or arcing is prevented, while the tube is extinguished within a time period t2 which is selected in such a way that
that after the time t1 + t2 the contacts have been sufficiently spaced apart and the space between the contacts is sufficiently deionized to prevent renewed sparks or arcing at the contacts as a result of the returning voltage, characterized in that the Tube as a result of the returning voltage is prevented, on the one hand by using a tube of such small dimensions and on the other hand by choosing such a limited time t2 and thus a limited pressure increase by heating the tube as a result of the passage of current during time t2 that the product of gas pressure and electrode spacing at the end of period t2 is below the critical value determined by the voltage to be switched.