Untersuchungen schneller Lichtbogenverlängerungen für die Verwendung in Hochspannungsschaltgeräten [1. Aufl.] 978-3-322-98285-8;978-3-322-98988-8

Table of contents :
Front Matter ....Pages 1-5
Übersicht (Hans Wegesin, Klaus Böttger)....Pages 7-7
Einleitung (Hans Wegesin, Klaus Böttger)....Pages 9-9
Grundlegende Betrachtungen über die Möglichkeiten der schnellen Lichtbogenverlängerung (Hans Wegesin, Klaus Böttger)....Pages 11-19
Versuchsaufbau und Meßeinrichtungen (Hans Wegesin, Klaus Böttger)....Pages 20-21
Durchgeführte Versuche (Hans Wegesin, Klaus Böttger)....Pages 22-47
Zusammenfassung (Hans Wegesin, Klaus Böttger)....Pages 48-48
Back Matter ....Pages 49-55

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FORSCHUNGSBERICHTE DES LANDES NORDRHEIN-WESTFALEN

Nr.1276 Herausgegeben im Auftrage des Ministerpräsidenten Dr. Franz Meyers von Staatssekretär Professor Dr. h. c. Dr. E. h. Leo Brandt

DK 621.3.064.4.001.5

Dr.-Ing. Hans Wegesin, Ratingen Dipl.-Ing. Klaus Böttger, Ratingen

Untersuchungen schneller Lichtbogenverlängerungen für die Verwendung in Hochspannungsschaltgeräten

WESTDEUTSCHER VERLAG· KÖLN UND OPLADEN 1963

ISBN 978-3-322-98285-8 ISBN 978-3-322-98988-8 (eBook) DOI 10.1007/978-3-322-98988-8 Verlags-Ne. 011276

©

1963 by Westdeutscher Verlag, Köln und Gpladen

Gesamtherstellung : Westdeutscher Verlag'

Inhalt

Übersicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Einleitung ........................................................

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1. Grundlegende Betrachtungen über die Möglichkeiten der schnellen Lichtbogenverlängerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 11 1. Axiale und mäanderförmige Verlängerung des Lichtbogens ....... a) Beeinflussung von Lichtbogenteilen durch Anordnung von Blaseisen.... . ..... .... . .... . .... ..... ..... ..... ..... . .... ... b) Beeinflussung des Gesamtlichtbogens in Blaseisenanordnungen ..

12

2. Aufweitung von Lichtbogenschleifen .......................... a) Lichtbogennachbildung im Eigenfeld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. b) Lichtbogennachbildung im Fremdfeld .......................

17 17 18

11. Versuchsaufbau und Meßeinrichtungen ...........................

20

IH. Durchgeführte Versuche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..

22

1. Versuche zur axialen Verlängerung des Lichtbogens in einer magnetischen Rinne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..

22

2. Untersuchung der mäanderförmigen Verlängerung des Lichtbogens in einer Scheibenanordnung ..............................

26

3. Untersuchung über die schleifenförmige Aufweitung des Lichtbogens

35

Zusammenfassung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..

48

Literaturverzeichnis ................................................

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12 15

5

Übersicht

In der vorliegenden Arbeit werden grundsätzliche Untersuchungen der schnellen Lichtbogenverlängerung für die Verwendung in Hochspannungsschaltgeräten durchgeführt. Zunächst werden die Möglichkeiten der schnellen Lichtbogenverlängerung durch axiale und mäanderförmige Verlängerung des Lichtbogens sowie die Aufweitung von Lichtbogenschleifen behandelt. Es wird dann über eingehende Versuche berichtet, auf experimentellem Wege Aufschlüsse über die Vorgänge bei der schnellen Lichtbogenverlängerung zu gewinnen. Die verwendeten Versuchs- und Meßeinrichtungen werden beschrieben. Die Untersuchungen erfolgen an Lichtbögen, die in einer Anordnung axial verlängert werden. Es werden ferner Versuche geschildert, den Lichtbogen in einer Scheibenanordnung mäanderförmig zu verlängern; außerdem werden Ergebnisse einer schleifenförmigen Aufweitung des Lichtbogens wiedergegeben.

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Einleitung

Bei Hochspannungsschaltern wird die Löschung des Lichtbogens gewöhnlich durch die Verwendung von flüssigen oder gasförmigen Löschmitteln (Öl, Druckluft, Wasser, Hartgas usw.) erreicht. Seit einiger Zeit werden in der ausländischen Industrie Hochspannungsschalter gebaut, die ohne ein besonderes Löschmittel arbeiten. Der Lichtbogen wird dabei durch die elektrodynamischen Kräfte im Magnetfeld verlängert, gekühlt und dadurch zum Erlöschen gebracht. Im Gegensatz zu Hochspannungsschaltern mit fremden Löschmitteln muß die Lichtbogenspannung bei Schaltern mit magnetischer Blasung \Verte in der Größenordnung der treibenden Spannung erreichen, damit eine Löschung erzielt wird. Die Löschung wird um so günstiger, je schneller hohe Werte der Lichtbogenspannung erreicht werden. Eine schnelle Erhöhung der Lichtbogenspannung ist hierbei nur durch rasche Bewegung und vor allem durch entsprechende Verlängerung des Lichtbogens zu erzielen. Untersuchungen über eine schnelle Lichtbogenverlängerung sind deshalb von grundsätzlicher Bedeutung.

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1. Grundlegende Betrachtungen über die Möglichkeiten der schnellen Lichtbogenverlängerung

Die Verlängerung eines Lichtbogens bedeutet zunächst eine Erhöhung des Energiezustandes des Bogens. Diese Erhöhung wird dadurch hervorgerufen, daß der Lichtbogen auf den stärkeren Energieentzug infolge der Verlängerung mit einer Erhöhung seiner Längsfeldstärke reagiert. Nun ist aber nach dem Minimumprinzip der Lichtbogen stets bestrebt, den niedrigsten Energiezustand anzunehmen. Um den Lichtbogen in einen höheren Energiezustand zu überführen, ist die Aufbringung äußerer Kräfte erforderlich. Bevor daher die Möglichkeiten der schnellen Lichtbogenverlängerung näher betrachtet werden, sollen zunächst die dazu notwendigen Kräfte untersucht werden. Der Stromtransport erfolgt in einem Lichtbogen durch Elektronen und Ionen, die sich unter dem Einfluß des elektrischen Feldes bewegen. Erfolgt diese Bewegung in einem Magnetfeld mit der magnetischen Induktion ~, so wirkt auf jeden Ladungsträger die Lorentzkraft

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q(o X

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q = Ladung des Ladungsträgers o = Geschwindigkeit des Ladungsträgers

(1)

Wegen der unterschiedlichen Polarität der Ladungen und der entgegengesetzten Richtung der Geschwindigkeiten wirkt die Kraft auf alle Ladungsträger des Lichtbogens in die gleiche Richtung. Diese Kräfte haben zur Folge, daß eine Bewegung des gesamten Lichtbogens entsprechend ihrer Wirkungs richtung erfolgt. Eine genaue Berechnung der auf den Lichtbogen wirkenden Kräfte ist nicht möglich, da die Entladungsstrecke aus einem Gemisch von drei Gasarten : dem Elektronengas, dem Ionengas und dem Neutralgas besteht. Der ungeordneten thermischen Bewegung der Teilchen jeden Gases wird nur beim Ionen- und Elektronengas eine im Mittel gerichtete Bewegung durch das elektrische und magnetische Feld überlagert. Auf das Neutralgas übt das elektrische und magnetische Feld keine Wirkung aus. Eine gerichtete Bewegung des Neutralgases kann daher nur indirekt durch Zusammenstöße zwischen Atomen und Ionen bzw. Atomen und Elektronen zustande kommen. Bei Beschränkung auf eine grobe Abschätzung der auftretenden Kräfte ist es möglich, den Lichtbogen als einen stromdurchflossenen Leiter zu betrachten. Man kann dann an einer derartigen Lichtbogennachbildung den unterschiedlichen Einfluß verschiedener Anordnungen ermitteln.

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1. Axiale und mäanderfärmige Verlängerung des Lichtbogens Eine axiale Verlängerung des Lichtbogens kann durch Vergrößerung des Elektrodenabstandes erfolgen. Da hierzu die mechanische Bewegung der Kontaktstücke, also eine Bewegung von Massen, erforderlich ist, ist auf diese Weise eine sehr schnelle Verlängerung nicht möglich. Eine schnelle axiale Verlängerung gelingt jedoch, wenn man den Lichtbogen zwischen ruhenden Elektroden bewegt, deren Achsen gegeneinander geneigt sind, so daß der Abstand nach außen größer wird. Die Bewegung des Lichtbogens erfolgt dabei unter dem Einfluß des Magnetfeldes der Laufschienen. Eine derartige Anordnung hat den Nachteil, daß die magnetischen Kräfte mit zunehmendem Laufschienenabstand immer geringer werden und dadurch die weitere Verlängerung des Lichtbogens schließlich in Frage gestellt wird.

a) Beeinflussung von Lichtbogenteilen durch Anordnung von Blaseisen Eine wesentlich schnellere Lichtbogenverlängerung läßt sich dadurch erreichen, daß man den Lichtbogen nicht auf seiner ganzen Länge magnetisch ablenkt, Gegenelek,rodc

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Auswertung von Abb. 9a und b (Legende s. Text)

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