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Weehselstromschalter.
Die Kontaktöffnung der meisten bekannten Hochleistungsschalter für Wechselstromkreise erfolgt zu einem mit Bezug auf die zeitliche Änderung des Wechselstromes willkürlichen Zeitpunkt.
Man ist nun in neuerer Zeit dazu übergegangen, die Hochleistungsschalter mit hochwertigen Stromunterbrechungseinrichtungen für die Löschung des an den Kontakten auftretenden Lichtbogens auszurüsten, die den Strom in der Regel in dem der Kontakttrennung folgenden ersten oder zweiten Stromnulldurchgang unterbrechen. Die Vorzüge dieser Stromunterbrechungseinrichtungen werden jedoch durch die bekannte Steuerung der Schalter nicht voll ausgenutzt. Die Sehaltarbeit und damit die gesamte Beanspruchung des Schalters ist bei den bekannten Einrichtungen immer noch sehr beträchtlich.
Die Erfindung geht davon aus, dass die Stromunterbrechung an den geöffneten Kontakten eines Wechselstromschalters nur im Stromnulldurchgang möglich und zweckmässig ist und die neueren Stromunterbrechungseinriehtungen durchwegs unter Berücksichtigung dieser Tatsache gebaut sind.
Sie löst die Aufgabe, den zwischen den sich öffnenden Kontakten übergehenden Lichtbogen bzw. Strom nur während des Bruchteiles einer Halbwelle des Wechselstromes bestehen zu lassen, und macht zu diesem Zweck von Auslöseeinrichtungen Gebrauch, die den Auslöseimpuls in Abhängigkeit von der Stromphase erzeugen.
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herbeiführt, dass bis zum Stromnulldurchgang die von den Verhältnissen des Schalters abhängige und für jede Schalterart angebbare Löschdistanz der Kontakte erreicht ist.
Die Löschzeit Ei ist diejenige Zeit, die der Kontakt von der Trennung vom Gegenkontakt an zum Durchlaufen der sogenannten Löschdistanz benötigt, d. h. bis er auf denjenigen Kontaktabstand kommt, bei dem frühestens der Lichtbogen gelöscht werden kann, wobei gleichzeitig die Bedingung erfüllt sein muss, dass der Lichtbogenstrom in diesem Zeitpunkt durch seinen Stromnullwert geht. Die Löschdistanz hängt somit von der Eigenart der Löscheinrichtung und des Lösehmittels sowie von dem zu unterbrechenden Stromkreis (seiner Spannung, Eigenfrequenz, Periodenzahl) ab. Bei jeder bestimmten Kontaktgeschwindigkeit kann die Löschzeit i für einen bestimmten Stromkreis und eine bestimmte Löscheinrichtung als konstant angenommen werden.
Die dem Schaltmechanismus ein- schliesslich der zugehörigen Auslöseorgane eigentümliche Zeit, gerechnet vom Auslöseimpuls des Synchronauslösers bis zur Kontakttrennung, ist im folgenden als Schalterzeit E2 bezeichnet.
Die Löschdistanz der Kontakte und die für die Einhaltung dieser Löschdistanz erforderliche Löschzeit ist für jede Schalterart durch eine Reihe von Eigenschaften des Schalters bzw. seiner Löschvorrichtung festgelegt. Als solche Eigenschaften kommen in Betracht : die Kontakttrennungsgeschwindigkeit, die Kontaktform, die Art der Löschvorrichtung, die Trägheit, mit der die Lösch- mittelströmung in Gang kommt, die Lage der Löschzone in bezug auf die Kontaktstelle und vieles andere. Die Löschzeit kann bei den für die Erfindung angewendeten Loseheinriehtungen unter allen Umständen kleiner gehalten werden als die Halbwellendauer des Wechselstromes.
In neuerer Zeit sind eine ganze Anzahl hiefür geeigneter Stromunterbrechungs-und Lichtbogenlöseheinriehtungen bekanntgeworden, z. B. Düsen für die Löschung des Lichtbogens durch ein gas-oder dampfförmiges strömende oder expandierendes Lösehmittel, Expansionskammern für die Unterbrechung des Lichtbogens durch Erzeugung einer sprunghaft plötzlichen Druckentlastung der vom Lichtbogen aus einer Flüssigkeit gebildeten Dämpfe und andere.
Durch die Erfindung ist der Vorteil erzielt, dass die Schaltarbeit auf den überhaupt erreichbaren
Mindestwert herabgesetzt wird, da die Stromunterbrechung in dem der Kontakttrennung folgenden
Stromnulldurchgang zufolge Vorhandenseins der erforderlichen Löschdistanz gewährleistet ist und somit der Lichtbogen bzw. Stromübergang zwischen den geöffneten Kontakten auf den Bruchteil einer Halbwelle beschränkt bleibt.
Man legt z. B. den steuernden Auslösebefehl auf den Stromnulldurchgang fest. Es ist nun möglich. auf Grund der feststehenden Loschzeit Ei der Stromunterbrechungseinrichtung der Ausschalteinriehtung eine solche Schalterzeit E2 zuzuweisen, dass die Summe beider Zeiten Ei + E2 vom Auslösepunkt mit
Bestimmtheit wieder zu einem Stromnulldurchgang führt, wie dies Fig. 1 der Zeichnung veranschaulicht, in der in dem mit A bezeichneten Stromnulldurchgang des Überstromes der Auslösebefehl gegeben wird und in dem mit B bezeichneten Stromnulldurchgang die Unterbrechung vollzogen ist.
Man wird zu diesem Zweck die Kontakte von einer auf Millisekunden genau einstellbaren Ausschalteinriehtung bewegen lassen, deren Schalterzeit E2 so bemessen ist, dass die Kontakttrennung um die Lösehzeit Ei der Stromunterbrechungseinrichtung vor einem auf den Auslöseimpuls folgenden Stromnulldurchgang erfolgt. Wenn Ei für alle Stromstärken konstant ist, kann die Aussehalteinriehtung auf eine unver- änderliche Schalterzeit E2 eingestellt werden.
Ausser der Verminderung der Schaltarbeit besitzt eine derartige Synehronsteuerung noch den Vorteil, dass die Stromunterbrechungseinrichtung selbst wesentlich einfacher und genauer arbeiten kann, weil überflüssige Beanspruchungen dieser Einrichtung fortfallen. Unter Umständen kann man mit wesentlich einfacheren Unterbrechungseinrichtungen auskommen als bisher, bei Druckgas- löscheinrichtungen kann der Blasdruek vermindert werden usw.
Die Löschzeit Ei neuzeitlicher Stromunterbrechungseinrichtungen beträgt den Bruchteil einer Halbwelle. Bei Verwendung solcher Stromunterbrechungseinrichtungen ist es vorteilhaft, den Auslöseimpuls im Stromnulldurchgang zu geben und die Schalterzeit E2 der Ausschalteinriehtung so gross zu bemessen, dass sie sich mit der Löschzeit Ei der Stromunterbrechungseinrichtung zu einer oder einigen wenigen vollen Wechselstromperioden ergänzt. Ist beispielsweise bei 50 Hertz EI = 0. 003 Sekunden, dann wird E2 = 0-017, 0-037 usw. Sekunden. Mit einer derartigen Einstellung erreicht man, dass auch die Unterbrechung eines nicht symmetrisch verlaufenden Kurzschlussstromes, z.
B. des einseitig verlagerten Stosskurzschlussstromes und des Kurzschlussstromes in der zweit-und dritt- löschenden Phase eines Drehstromschalters im richtigen Augenblick eingeleitet wird. Die Verlängerung der Schalterzeit der Ausschalteinrichtung so, dass sie sich mit der Löschzeit Ei zu einem Vielfachen einer vollen Wechselstromperiode ergänzt, lässt sich zum Zwecke selektiver Einstellung mehrerer Schalter verwenden.
Bei Schaltern mit mehreren Polen, die phasenverschobene Ströme führen, müssen die Pole unabhängig voneinander unterbrochen und jeder Pol des Schalters muss mit einer eigenen SynchronAusschalteinrichtung ausgerüstet sein. Bei Drehstromsehalterrn kann es zweckmässig sein, die beiden auf die erstunterbrechende Phase folgenden Phasen in einem bestimmten zeitlichen Abstand von der ersten, jedoch gleichzeitig zu unterbrechen, weil die Ströme in diesen Phasen nach der Lichtbogen- löschung am ersten Pol in Phase kommen. Dies kann z. B. dadurch erzielt werden, dass man durch den
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Auslösebefehl der ersten unterbrechenden Phase die Auslöse der beiden folgenden Phasen beeinflussen lässt.
Der Synchronauslöser kann von einer auf den Stromnulldurchgang des Überstromes ansprechenden Vorrichtung, z. B. einem eine Funkenstrecke, eine Elektronenröhre od. dgl. auslösenden gesättigten Stromwandler, gebildet werden. Der gesättigte Stromwandler hat den Vorteil, im Stromnulldurchgang sehr scharf ausgeprägte Spannungsspitzen für die Auslösung zu liefern.
Die Schalterzeit der Ausschalteinrichtung setzt sich in der Hauptsache aus der Eigenzeit folgender Glieder zusammen :
1. Dem Totgang bzw. der Überdeckung des Schalterkontaktes bzw. seiner Antriebsvorrichtung,
2. dem Kontaktantrieb selber (z. B. der Eigenzeit eines Druekluftantriebes),
3. der Eigenzeit des mechanischen Absperr-oder Verriegelungsorgans für die Kontaktantriebskraft (z. B. eines Druekluftventils) und
4. der Eigenzeit der elektrischen Steuerung dieses mechanischen Absperr-oder Verriegelungsorgans, die sich wieder zusammensetzt aus der Eigenzeit des elektrischen Steuerrelais und der magnetischen Zeitkonstanten des induktiven Steuerstromkreises.
Man sieht zweckmässigerweise eine leichte Regelbarkeit dieser Eigenzeiten vor, indem man beispielsweise die Eigenzeit der Elektromagneten durch Änderung ihrer Erregung und die Eigenzeit von Organen mit Druckluftsteuerung durch Änderung der Druckluftzufuhr veränderlich macht.
Um die Summe dieser Eigenzeiten auf Millisekunden genau abstimmen zu können, ist es vorteilhaft, alle mechanischen Glieder der Steuereinrichtung mit so starken Auslösekräften anzutreiben, dass die auftretenden Reibungskräfte neben den Beschleunigungskräften vemachlässigbar klein sind.
Zweckmässigerweise werden alle mechanischen Glieder mit einem gasförmigen Druckmittel angetrieben, welches gegebenenfalls gleichzeitig als Stromunterbrechungsmittel verwendet wird. Durch das gasförmige Druckmittel erhält man immer gleichbleibende Beschleunigungskräfte, ausserdem ist die Trägheit einer solchen Einrichtung sehr klein.
Es ist wesentlich, dass ein Teil der Schalterzeit E2 der Aussehalteinriehtung von einem bestimmten Kontakttotgang gebildet wird, mit welchem die Kontakte selbst oder deren Bewegungseinrichtung ausgerüstet ist, um eine bestimmte Kontakttrennungsgeschwindigkeit sicherzustellen.
Fig. 2 der Zeichnung stellt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dar. Dem Ausführungsbeispiel liegt 50periodiger Wechselstrom zugrunde. 1 ist ein Hartpapierrohr, das gleichzeitig als Durchführung dient und welches den Stromwandler 2 trägt, der einen gesättigten Eisenkern hat. 3 ist der feststehende rohrförmige Kontakt des Sehalters, 4 der bewegliche Kontakt, welcher um eine bestimmte Strecke e in den feststehenden Kontakt 3 eingreift und durch den Kolben 5 bewegt wird. Unter Umständen kann zwischen dem Kolben 5 und dem Kontakt 4 noch ein besonderer Totgang dazwischengeschaltet sein, indem z. B. der Kolben den Kontakt nicht unmittelbar, sondern über einen Anschlag mitnimmt.
Der Kolben 5 gleitet in dem Metallzylinder 6. 7 ist ein Trennschalter, welcher über ein Gestänge 8 von dem im Zylinder 23 sich bewegenden Druckluftkolben 9 betätigt wird, dem die Druckluft beim Ausschalten über eine Leitung 10 von sehr kleinem Querschnitt, beim Einschalten über eine Leitung 11 und das Steuerventil ? zugeführt wird. 13 ist die Hauptdruckluftleitung, von der über das Ventil 14 die Druckluft in das Rohr 1 gelangt. 15 ist ein zwischen die Druckluftleitung 16 und das
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Diese kann zweckmässig mit erhöhter Spannung, z. B. der 1-5-2faehen Spannung, betätigt werden, um ein genaues Arbeiten des Ventils zu erreichen. 18 ist eine Gleichstrombatterie, welche für den die Spule 17 enthaltenden Steuerstromkreis 30 den Steuerstrom liefert. In den Steuerstromkreis 30 ist die Sekundärspule des Stromwandlers 2 sowie die Funkenstrecke 19 eingeschaltet. Der Steuerstromkreis 30 für die elektrische Auslösung der Kontaktantriebskraft-hier der Druckluft-ist ausser durch den Synchronauslöser 2, 19 durch ein gewöhnliches Überstrom-bzw. Selektivrelais 21 mittels des Kontaktes 20 gesteuert, derart, dass der Auslösestrom im Kreis 30 erst fliessen kann, wenn beide Relais, die Funkenstrecken 19 und das Relais 20/21, angesprochen haben.
Die vom Synchronauslöser 2 erzeugte Auslösespannung wird dabei unmittelbar in den Auslösestromkreis 30, welcher das darauf ansprechende Relais 19 (Funkenstrecke oder Eletkronenröhre od. dgl.) enthält, induziert. Anstatt einer Funkenstrecke 19 mit feststehenden Elektroden kann man auch eine solche mit Elektroden verwenden, die synchron mit dem Wechselstrom schwingen, wobei die Schwingungen z. B. so abgepasst sein können, dass sich die Elektroden im Stromnulldurchgang am nächsten stehen, daher überschlagen werden und den Steuerstromkreis schliessen. 22 ist ein Handsehalter, welcher für das willkürliche Ausschalten des Schalters dient. 28 ist ein regelbarer Parallelwiderstand zur Spule 17.
Die Stromunterbrechungseinrichtung besteht aus den mit Druckluft gespeisten Rohren 1 und 3 und dem das Schaltstück 4 bewegenden Kolben 5, wobei die Rohre die Druckluft und den Lichtbogen so führen und der Kolben dem Kontakt 4 eine solche Kontakttrennungsgeschwindigkeit erteilt, dass die Unterbrechung des zwischen den geöffneten Kontakten fliessenden Stromes durch eine 3 Millisekunden vor dem Stromnulldurchgang erfolgende Kontakttrennung gewährleistet ist. Die Zeit von 3 Millisekunden ist dann die Löschzeit Ei der Stromunterbrechungsvorrichtung. Innerhalb dieser Zeit gelangt der Kontakt 4 in eine solche Entfernung, dass die zwischen den geöffneten Kontakten
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nach dem Stromnulldurchgang auftretende Spannung die durch die Druckluftbeblasung entstehende
Isoliertrennstrecke nicht mehr durchschlagen kann.
Das Rohr 1 wird aus der Druckluftleitung 13 mit Druckluft von einigen, z. B. Ei Atm., gespeist. Von diesem Druck ist die Löschzeit ebenfalls abhängig.
Die Schalterzeit der Ausschalteinrichtung setzt sich zusammen aus : 1. der für das Zurücklegen der Überdeckung e des Kontaktes 4 erforderlichen Zeit,
2. aus der Eigenzeit, welche für das Anfüllen des vom Rohr 1, Kontaktstück 29 und Kolben 5 sowie der Rohrleitung 15, 16 umschlossenen Raumes mit Druckluft vom Augenblick der Öffnung des Ventils 14 an erforderlich ist,
3. der Eigenzeit des Ventils 14, welche dieses braucht, um vom Augenblick der Erregung der Spule 17 an in die ganz geöffnete Stellung zu gelangen,
4. der magnetischen Zeitkonstanten des die Spule 17 enthaltenden Steuerstromkreises und
5. der Ansprechverzögerung der Funkenstrecke 19.
Für die Berechnung der Schalterzeit ist noch zu berücksichtigen, dass sämtliche Glieder der Steuerung ihren Endzustand nicht plötzlich, sondern allmählich erreichen.
Die Abschaltung infolge einer Überlastung oder eines Kurzschlusses in der Leitung 25, 26 vollzieht sich folgendermassen :
In der Sekundärspule des gesättigten Stromwandlers 2 sind bei normalem Betriebsstrom nur ganz kleine Spannungen vorhanden, die die Funkenstrecke 19 nicht zum Ansprechen bringen. Im Falle eines Auslöseüberstromes treten jedoch im Stromnulldurchgang des Überstromes sehr ausgeprägte hohe Spannungsspitzen U gemäss Fig. 3 in der Sekundärwicklung des Stromwandlers auf. Diese erzeugen, sobald der Kontakt 20 durch das Überstromrelais 21 geschlossen wurde, beim Stromnull-
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Batterie 18 nach, und es fliesst daher ein Gleichstrom über die Spule 17, wodurch das Ventil 14 mit der ihm eigentümlichen Eigenzeit aufgerissen wird.
Nun fliesst die Luft aus der Druckluftleitung 1. 3 in die Leitung 15, 16 und das Rohr 1 und drückt auf den Kolben 5. Der Kolben setzt sich mit wachsender Geschwindigkeit in Bewegung. Die Kontakttrennung erfolgt jedoch erst, wenn der Kolben 4 den Überdeekungsweg e zurückgelegt hat. Auf diesem Weg wird der Kolben mit dem Schaltstück 4 so stark beschleunigt, dass die Geschwindigkeit im Augenblick der Kontakttrennung ausreicht, um der Kontakttrennungsstrecke innerhalb der Eigenzeit von 3 Millisekunden die für die Unterbrechung erforderliche Länge zu geben, z. B. bei 5 Atm.
Druck und 16 kV effektiver Betriebsspannung eine Länge von 1 CM. Die Steuerung wurde nun so eingestellt, dass vom Überschlag der Funkenstrecke 19 an bis zur Kontakttrennung eine Zeit von 17 Millisekunden verflossen ist. Diese Einstellung kann z. B. durch
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des Ventils 14 oder der Kontaktüberdeckung e oder des Kontakttotganges erfolgen. Der Kontakt 4 steht daher 17 + 3 = 20 Millisekunden, d. i. bei 50periodigem Wechselstrom eine volle Periodendauer nach dem Überschlag der Funkenstrecke 19 in jener Stellung, in der die Stromunterbrechung möglich ist.
Da der Überschlag der Funkenstrecke im Augenblick eines Stromnulldurchganges erfolgte, so erreicht der Kontakt diese Stellung gerade wieder im Stromnulldurehgang. Im Stromnulldurchgang kann nun die geschaffene Unterbrechungsstrecke von 1 mon durch die Druckluftblasung vollkommen durchsehlagsfest gemacht werden. Hiedurch ist die Unterbrechung mit dem kleinsten möglichen Lichtbogen vollzogen.
Der Kolben 5 bewegt sich noch weiter. Inzwischen hat auch der Zylinder 23 über das dünne Rohr 10 Druckluft erhalten, so dass sich der Kolben 9 nach rechts bewegt und über das Gestänge 8 den Trennschalter 7 öffnet. Hiedurch wird eine sichtbare Lufttrennstrecke in den Stromkreis eingeschaltet.
Das Wiedereinschalten des Schalters kann entweder mit Hilfe der Kontakte J, 4 erfolgen oder mit Hilfe des Schalters 7. Im ersten Fall muss zunächst der Schalter 7 geschlossen werden, indem durch Öffnen des Ventils 12 über die Leitung 11 die rechte Seite des Kolbens 9 unter Druck gesetzt wird. Sodann wird der Kontakt 4 durch die Feder 24, z. B. nach Lösung einer Sperrvorrichtung mit dem Rohr 3, wieder in Eingriff gebracht. Im zweiten Fall wird der Schalter 7 erst nach Herstellung des Konta1.'tschlusses zwischen 3 und 4 geschlossen.
Als Stromunterbrechungseinrichtungen lassen sich auch solche verwenden, bei denen die Kontakte unter einer stromleitenden Flüssigkeit getrennt und der Strom lichtbogenfrei durch Einschaltung von Flüssigkeitswiderstand unterbrochen wird.
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