AT204645B - - Google Patents

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AT204645B
AT204645B AT776656A AT776656A AT204645B AT 204645 B AT204645 B AT 204645B AT 776656 A AT776656 A AT 776656A AT 776656 A AT776656 A AT 776656A AT 204645 B AT204645 B AT 204645B
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AT
Austria
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variable resistor
resistor according
current collectors
resistance
current
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AT776656A
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German (de)
Inventor
Ing. Fritz Kesselring Dr.
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Siemens-Schuckertwerke Aktiengesellschaft
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    • HELECTRICITY
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    • H01C10/32Adjustable resistors the contact sliding along resistive element the contact moving in an arcuate path
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    • H01HELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H33/00High-tension or heavy-current switches with arc-extinguishing or arc-preventing means
    • H01H33/02Details
    • H01H33/04Means for extinguishing or preventing arc between current-carrying parts
    • H01H33/16Impedances connected with contacts

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Current-Collector Devices For Electrically Propelled Vehicles (AREA)

Description

  

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  Veränderbarer Widerstand, insbesondere für Strombegrenzer in Starkstromanlagen 
Zur Durchführung von Schalt- und Regelvorgängen in elektrischen Starkstromanlagen sind veränderbare Widerstände von erheblicher Bedeutung. Für verhältnismässig langsam verlaufende Vorgänge besteht bereits eine grössere Zahl brauchbarer Konstruktionen, insbesondere auch Ausführungen, bei denen eine Anzahl von Widerständen zur Anwendung gelangt. Hingegen verfügt man noch nicht über brauchbare Lösungen, mit Hilfe deren es möglich wäre, den Ohmwert beispielsweise in einigen Millisekunden über mehrere Grössenordnungen zu verändern. 



   Die vorliegende Erfindung befasst sich mit einem derartigen veränderbaren Widerstand, insbesondere Strombegrenzer, mit einer Mehrzahl von als Gleitwiderstände ausgebildeten   Teilwiderständen.. Er   ist gekennzeichnet durch Mittel, die bewirken, dass die die Stromabnehmer antreibende Kraft in Bruchteilen einer Millisekunde wirksam wird und den Stromabnehmern eine mittlere Geschwindigkeit von mindestens 5 m/s erteilt, ferner gekennzeichnet durch eine derartige Anzahl, Bemessung und Schaltungsanordnung der Teilwiderstände, dass in höchstens 5 ms eine Widerstandsänderung im Verhältnis von mindestens 1 : 1000 erreicht wird. 



   Erst durch gemeinsame Anwendung aller vorstehend aufgeführten Erfindungsmerkmale zusammen mit der für langsam bewegte Widerstände an sich bekannten Mehrzahl von als Gleitwiderstände ausgebildeten Teilwiderständen ist die Schaffung eines veränderbaren Widerstandes, insbesondere in Form eines Strombegrenzers für Starkstromanlagen möglich geworden. Dies wird nachstehend im einzelnen näher   begrün-   det :
In grösseren Netzverbänden steigt der Strom bei einem Kurzschluss mit einer   Steilheit von rund lO A/s   an oder anders ausgedrückt, er nimmt in einer Millisekunde um 10000 A zu. Daraus folgt, dass man einen derartig schnell ansteigenden Strom nur begrenzen kann, wenn die die Stromabnehmer des Widerstandes antreibende Kraft bereits in Bruchteilen einer Millisekunde wirksam wird.

   Ein weiter unten beschriebenes Mittel, diese Forderung zu verwirklichen, besteht in der Anwendung des sogenannten elektrodynamischen Antriebes, der, wie Versuche zeigten, bereits nach 0, 1 ms Kräfte bis zu mehreren Tonnen ergibt. Doch eine solche Antriebsanordnung allein genügt noch nicht ; aus rein mechanischen Gründen (Festigkeit der heute zur Verfügung stehenden hochwertigsten Werkstoffe) können Geschwindigkeiten von mehr als 20... 30 m/s, die bereits nach Bruchteilen einer Millisekunde erreicht sein   müssen,   nicht zur Anwendung gelangen.

   Die maximal zulässige Geschwindigkeit wird aber auch dadurch begrenzt, dass die Zeit, welche für die mechanische Überschaltung von einer Widerstandsstufe auf die nächste   verstreicht, grösser   sein muss als die Kommutierungszeit, Genauere Untersuchungen zeigen beispielsweise bei Strömen von 5000 A, dass auch durch diese Bedingung die maximal zulässige Grenze der Geschwindigkeit auf etwa 20... 30 m/s 
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 treten würden. 



   Da es anderseits   erfindungsgemäss   notwendig ist. in höchstens 5 ms eine Widerstandsänderung im Ver-   hältnis   von mindestens 1 : 1000 zu erreichen, müssen in dieser Zeit erhebliche Wege durchlaufen werden. 

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  Wollte man z. B., was einem praktischen Beispiel entspricht, in 2 ms etwa 400 mm   zurücklegen,   so wäre bei Verwendung nur eines Widerstandes hiezu eine mittlere Geschwindigkeit von   v   = 400/2 = 200 mm/ms entsprechend 200 m/s notwendig. Dieser Wert liegt jedoch weit über dem zulässigen Wert von etwa 30 m/s. Werden hingegen statt eines   WideLstandes z.   B.   20'feil widerstände   in Reihen- oder Parallelschaltung verwendet. so kann der gleiche gesamte Schaltweg von 400 mm in 2 ms bereits mit einer mittleren Geschwindigkeit von 10 m/s erreicht werden, ein Wert, der noch wesentlich unterhalb der zulässigen Grenze liegt. 



   So betrachtet erscheint die an sich bekannte Verwendung mehrerer Teilwiderstände bei Anwendung auf sehr schnelle   Regelvorgänge, insbesondere Strombegrenzer,   in einem ganz neuen Licht. Sie gestattet nämlich mit zwar hohen, jedoch nicht unzulässigen   Geschwindigkeiten das erfindungsgemässe Ziel einer   Widerstandsänderung im Verhältnis von mindestens 1 : 1000 in höchstens 5 ms zu erreichen. Im Interesse eines einfachen, wirtschaftlichen und betriebssicheren Aufbaus eines derartigen veränderbaren Widerstandes wird man anderseits die mittlere Geschwindigkeit der Stromabnehmer auch nicht zu tief ansetzen. Hieraus ergibt sich das weitere   Erfindungsmerkmal. dass   diese Geschwindigkeit mindestens 5 m/s betragen soll.

   Die hohe Änderungsgeschwindigkeit des Widerstandes ist anderseits notwendig, damit beim Auftreten eines Kurzschlusses der Höchstwert des reduzierten Stromes nur noch etwa das 2-bis 3-fache des Nenn- 
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 reits nach Bruchteilen einer Millisekunde wirksam ist. 



   Die weitere Forderung, dass der maximale Gesamtwiderstand mindestens tausendmal grösser sein soll als der minimale Gesamtwiderstand, ist, wie eingangs erwähnt, eine für Starkstromwiderstände wesentliche Forderung, denn derartige Widerstände müssen im allgemeinen einen kleinen Anfangswiderstand von beispielsweise 10 Milliohm aufweisen. Sollen sie aber einen merkbaren Einfluss auf die Grösse des Stromes ausüben, so muss ihr Endwert mindestens einige Ohm betragen. Es würde sich somit ein derartiger Widerstand z. B. von 0, 01 auf 10 Ohm ändern, womit bereits ein grosser Teil von Regel- und auch Schaltaufgahen beherrschbar ist. Noch ausgeprägter ist dies der Fall, wenn die obere Grenze bei gleichem Minimalwert 100 oder gar 1000 Ohm beträgt. So würde z.

   B. ein Widerstand von 1000 Ohm Endwert in einer 10 kV-Starkstromanlage einen Strom von zunächst 1000 A auf etwa 
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In den Fig. 1-4 sind   einige Widerstandsac. ordnungen   nach der Erfindung schematisch   dargestellt, wäh-   rend die Fig. 5-8 drei beispielsweise Ausführungsformen derartiger Widerstände in Verwendung als Schalter oder Strombegrenzer zeigen. 



   In Fig. 1 bedeuten 1 die   Teilwiderstände,   2 die Stromabnehmer, die einerseits längs der Widerstände   l,   anderseits längs der Stromzuführungen 3 gleiten ; 4 sind gut leitende Verbindungen, 5 und 6 die äusseren Anschlüsse. In der untersten Stellung der Stromabnehmer 2 ist der Widerstand sehr gering, da er im wesentlichen nur durch die Kontaktwiderstände der Stromabnehmer gegeben ist. Werden nun die Stromabnehmer gleichzeitig und synchron nach oben bewegt, so vergrössert sich der Ohmwert aller Teilwiderstände   gleichmässig. Die Stromabnehmer. können   entweder in der punktiert gezeichneten Lage stehen bleiben oder auch noch weiter nach oben bewegt werden, wobei dann der über die Teilwiderstände flie- ssende Strom unter geringer Lichtbogenbildung vollständig unterbrochen wird. 



   Fig. 2 zeigt eine Anordnung, bei der jedem Stromabnehmer 12 je zwei   Teilwiderstände 11   zugeordnet sind. 14 bedeuten elektrisch gut leitende Verbindungen zwischen den   Teilwiderständen.   15 und 16 sind die Anschlüsse. Bei gleichem Weg kann hiebei der doppelte Widerstandswert wie bei der Anordnung nach Fig. 1 ein-bzw. ausgeschaltet werden. 



   Fig. 3 zeigt eine Anordnung mit zwei Gruppen von in Reihe geschalteten halbkreisförmig angeordneten Teilwiderständen 21 und 22, wobei die beiden Gruppen parallel geschaltet sind. Die Teilwiderstände selbst sind als Widerstandszylinder   (z. B.   aus Titanoxyd, Karborund, kolloidalem Graphit mit   Bindemit-   teln) ausgeführt. zwischen denen in der Ebene kleinsten Abstandes die Stromabnehmer 23 und 24 angeordnet sind. Sie werden beispielsweise durch einen Isolierzylinder 25, der sich senkrecht zur Papierebene bewegt, auf und abwärts verschoben. Der Strom zwischen den Anschlüssen 26 und 27 teilt sich in zwei gleiche Teilströme auf, wodurch insbesondere bei grossem Anfangsstrom die Einschaltung der Teilwiderstände erleichtert wird. 



   Fig. 4 zeigt Teilwiderstände 31 und   sol',   die nach Art von Drehpotentiometern toroidförmig ausgebildet sind und durch rotierende Stromabnehmer 32 und 32'zu-und abgeschaltet werden.   33   ist eine isolierende Achse, die in den Lagern 34, 35 geführt ist ; 36 und 37 sind die Anschlüsse. Derartige Drehwiderstände können im allgemeinen mit kleinerer bewegter Masse ausgeführt werden. Zudem kann die Zentri- 

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 fugalkraft dazu ausgenutzt werden, die Stromabnehmer zusätzlich an die Kontaktbahnen anzupressen. 



   Die Ausbildung der Widerstände in Form von isolierenden temperaturfesten Zylindern, die beispiels- weise mitWiderstandsdraht von konstantem oder auch kontinuierlich abnehmendem Querschnitt bewickelt sind, ist einfach, hat aber den Nachteil, dass die einzelnen Stufen der Teilwiderstände bereits eine merkbare Induktivität aufweisen, wodurch die funkenfreie Ein- und Ausschaltung erschwert wird. Es ist daher vorteilhafter, die Widerstände aus mäanderartig angeordnetem Bandmaterial herzustellen. Eine derartige Ausführungsform zeigt Fig. 5. Darin bedeuten 41 und   41'die   aus isoliertem Widerstandsband,   z. B.   



  Chromnickelband, Eisenband, aufgebauten Teilwiderstände, wobei der Ohmwert je Widerstandsstufe bei der Ausschaltung zunächst etwas abnimmt, um später dann laufend zuzunehmen. Die Stromabnehmer 42   sind als 0 -förmige   Kontaktfedern ausgebildet und an den isolierenden Betätigungsstücken 43 befestigt. Im allgemeinen wird es zweckmässig sein, weitgehend plane Kontaktbahnen 45 und 45'vorzusehen, damit auch bei sehr grosser Schaltgeschwindigkeit eine einwandfreie Berührung zwischen Stromabnehmern und Kontaktbahnen gesichert ist. Zusätzlich ist anzustreben, Stromabnehmer mit hoher mechanischer Eigenfrequenz und ausreichender Dämpfung zu verwenden und darauf zu achten, dass die Masse der Stromabnehmer 42 und der isolierenden Betätigungsstücke 43 einschliesslich der Kolben 44 möglichst klein ist.

   In der untersten Stellung der Stromabnehmer 42 sind die Anschlüsse 47 und 47'unmittelbar miteinander elektrisch gut leitend verbunden. 



   Die Widerstandszunahme je Stufe kann z. B. lediglich durch Vergrösserung der Schleifen bewirkt werden. Es ist aber auch möglich, den Werkstoff im Sinne eines zunehmenden spezifischen Widerstandes zu ändern. Ferner kann der Querschnitt des Widerstandsmaterials stufenweise oder stetig verringert werden. 



  Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass ein Band aus zunächst überall gleichem Querschnitt in ein geeignetes Lösungsmittel langsam eingetaucht wird derart, dass die zuerst eingetauchte Stelle die grösste Querschnittsminderung erleidet, während das andere Ende den ursprünglichen Querschnitt beibehält. Man kann aber auch umgekehrt vorgehen, indem man beispielsweise auf ein geeignetes Isolierband oder ein sehr hochohmiges Metallband einen kontinuierlich zunehmenden Widerstandsbelag galvanisch oder durch Aufdampfen aufbringt. Diese Methode hat den Vorteil, dass auch sehr dünne Schichten mit hohen Widerstandswerten je cm ausführbar sind. Mit Vorteil werden die Teilwiderstände aus Widerstandsmaterial mit hohem positivem Temperaturkoeffizienten, z. B.

   Eisenband, hergestellt, wodurch die Wirkung des ver- änderbaren Widerstandes im Sinne einer Widerstandserhöhung noch verstärkt wird. 



   Die Betätigung der Stromabnehmer 42 erfolgt durch Pressgas. Die Isolierstücke 43 tragen zu diesem Zweck an ihrem unteren Ende einen Kolben 44, beispielsweise aus Filz, der sich in dem schachtartigen Raum, gebildet aus den Kontaktbahnen 45, 45' und den benachbarten Isolierplatten 46, bewegt. Zwischen den Anschlüssen 47, 47' befindet sich ein   Pressgas-Verteilungsgehäuse 48   aus Isolierstoff, an das sich die Druckluftzuleitung 49 anschliesst. Das Ventil 50 ist als dynamischer Auslöser ausgebildet mit dem Kupferteller 51 und der in das Isolierrohr 49 eingegossenen feststehenden Wicklung 52.53 ist die Ventilfeder, die sich gegen die Speichen 54 abstützt. Unterhalb der Zuleitung 49 ist ein kleiner Druckkessel 55 angeordnet, der in Verbindung mit einer nicht dargestellten Pressgas-Erzeugungsanlage steht.

   Sollen nun die Stromabnehmer betätigt werden, so erhält zunächst die Wicklung 52 aus einer nicht dargestellten Energiequelle einen Stromimpuls, worauf sich der Kupferteller 51 entgegen der Wirkung der Feder 53 nach oben bewegt. Das Pressgas tritt nun über einen grossen Querschnitt in das Verteilungsgehäuse 48 ein und wirkt momentan auf die Kolben 44 ein, wodurch die Stromabnehmer 42 mit grosser Beschleunigung nach oben bewegt werden. Das Einschalten erfolgt durch Öffnen des Ventils 56, worauf das Pressgas über die isolierende Leitung 57 zu dem oberen Verteilungsgehäuse 58 fliesst. Die Kolben 44 und damit die Stromabnehmer 42 bewegen sich nun nach unten, wodurch der Widerstand überbrückt wird. 



   Da insbesondere bei einer grossen Zahl von Teilwiderständen eine ebenso grosse Anzahl von Kontaktstellen in Reihe liegt, macht es unter   Umständen Schwierigkeiten, einen genügend   kleinen Anfangswiderstandswert von beispielsweise 1 Milliohm oder weniger zu erreichen. Dieser Nachteil kann durch entsprechend   hohenKontaktdruck   der Stromabnehmer und kleinen Widerstand der Verbindungen zwischen den Teilwiderständen vermieden werden. Noch günstiger ist aber in dieser Hinsicht die Lösung nach den Fig. 6 und 7. Sie zeigen im Grundriss und Schnitt eine im Prinzip ähnliche Ausführungsform eines veränderbaren Widerstandes wie in Fig. 5, bestehend aus den Teilwiderständen 61 und 61', die durch Isolierplatten 62, beispielsweise aus Glimmer, voneinander getrennt sind.

   Als Stromabnehmer dienen in diesem Falle Quecksilberpakete 63, die in der Anfangsstellung (s. Fig. 7) zunächst einen zusammenhängenden Necksilberleiter   63'bilden,   der in einer Gummirinne 64 liegt und die Anschlüsse 65 und 66 unmittelbar miteinander verbindet. Gibt man nun auf die Gummirinne 64 einen Impuls, wie er durch die Pfeile in Fig. 7 angedeutet ist, s. o wird der   QueclSilberleiter'33'nach   oben geschleudert und durch die Isolierplatten 62 

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 in Quecksilberpakete 63 zerschnitten, die sich nun in den Kammern 68, gebildet durch die Kontaktbahnen 67 und 67'einerseits und die beiden benachbarten Isolierscheiben 62 anderseits, nach oben bewegen. 



  Die Anordnung wird zweckmässig so getroffen, dass das Quecksilber aus den Kammern 68 oben herausgeschleudert und in einem nichtdargestellten Behälter gesammelt wird, während es nachher durch Öffnen eines ebenfalls nicht dargestellten Schiebers wieder in die Rinne 64 zurückfliesst. Die Verwendung von Quecksilber hat den   Vorteil. dass   weder an den Kontaktbahnen 67,67', noch an den Stromabnehmern aus Quecksilber eine Abnützung auftritt. Zudem kann der Widerstand zwischen den Anschlüssen 65 und 66 in der Anfangsstellung durch passende Wahl des Quecksilberquerschnittes beliebig klein gemacht werden. 



   Für die Realisierung der Erfindung ist es von grosser Bedeutung, dass die Einschaltung der Widerstandsstufen der Teilwiderstände praktisch lichtbogenfrei erfolgt. Als Regel kann gelten, dass in atmosphärischer Luft bei Anfangsströmen bis zu etwa 2000 A der Spannungsabfall bei Einschaltung einer Stufe 15-30 V nicht überschreiten sollte. Setzt man die ganze Anordnung unter Überdruck, z. B. vun 6 at, so sind höhere Spannungsabfälle bis 50 V zulässig, sofern die Stufenwiderstände auch hiebei praktisch induktionsfrei   sind (10-SH und weniger). Schliesslich kann man die Wid rstände auch in einem Vakuum von   mindestens   10-4   Torr anordnen, wobei Spannungsabfälle bis zu 1000 V und mehr zulässig sind. 



   Zum Antreiben der Stromabnehmer können   Z. B. Pressgas   oder die Detonationswellen chemischer Umsetzungen (Explosionen) Verwendung finden. Bei   Pressgasbetätigung   muss, wie bereits an Hand von Fig. 5 erläutert wurde, dafür gesorgt   werden, dass eine Zuleitung   mit grossem Querschnitt und   grossf1ächigemVen-   til zur Anwendung gelangt und möglichst in der Nähe des veränderbaren Widerstandes noch ein zusätzlicher kleiner Druckbehälter vorgesehen wird ; denn nur dann ist es möglich, die antreibende Kraft in Bruchteilen einer Millisekunde wirksam werden zu lassen. 



   Im Prinzip ist auch eine hydraulische Bewegung der Stromabnehmer,   z. B.   mittels Isolieröl, möglich, durch das die Funkenlöschung noch zusätzlich begünstigt wird. Es muss jedoch darauf geachtet werden, dass die Strömungsgeschwindigkeiten relativ klein bleiben, damit nicht ein zu grosser Teil der Antriebskraft in kinetische Energie der bewegten Isolierflüssigkeit umgewandelt werden muss. 



   Besonders zweckmässig ist es, den Antrieb der Stromabnehmer mit Hilfe eines elektrodynamischen Systems vorzunehmen. Fig. 8 zeigt die Anwendung eines solchen veränderbaren Widerstandes auf einen Hochspannungs-Strombegrenzer mit Impulsübertrager in Topfbauweise und doppeltwirkendem elektrodynamischem Antrieb. Im einzelnen bedeutet 81 einen keramischen Freilufthohlstützer mit den Ansätzen 82 und 83, durch die die Stromzuführungen 84 und 85 eingeführt werden. 86 und 87 sind Metallkappen, die sowohl auf den Porzellanansätzen 82,83 als auch den Stromzuführungen 84,85 vakuumdicht verlötet sind. 88 ist das bewegliche ringförmige Schaltstück, das an dem Isolierbolzen 89 befestigt ist.

   Dieser ist am unteren Ende mit dem Kupferteller 90 des dynamischen Auslösers verschraubt. 91 und 92 sind die feststehenden Spulen des dynamischen Auslösers, die in den Isolierkörper 93 mit den Rippen 94 eingegossen sind. Der Kupferteller 90 kann durch nichtdargestellte horizontale Schlitze in den Isolierkörper 93 eingeführt werden. Auf den Kupferteller 90 wirken sowohl die Zugfeder 95 als auch die bandförmige Druckfeder 96. Am oberen Ende ist der Isolierbolzen 89 geschlitzt und mit der isolierenden Betätigungsplatte   97,   die zur Verminderung der bewegten Masse Aussparungen 98 aufweist. fest verbunden. An   der Betä-   tigungsplatte 97 sind die in der Zeichnung nicht sichtbaren Stromabnehmer des veränderbaren Widerstandes 99 in ähnlicher Weise wie in Fig. 5 befestigt.

   Die Enden des Widerstandes 99 sind durch die Leiter 99a und 99 b   mit den Stromzuffihrungen 84 bzw. 85 verbunden. Die Teilwiderstände sind mitHilfe der WinkellOO und 101    auf   der Isolierplatte102 befestigt. Diese   weist für den Durchtritt der   Betätigungsplatte97   einen Schlitz 103 auf.   Der Schaltraum 104 ist durch. einen Deckel 105   gasdicht abgeschlossen. Die beiden feststehenden Spulen   91 und 92 des dynamischen Auslösers   sind parallel   geschaltetund ihreEnden mitderHochspannungswick-   
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 ist. Der   Stützer   81 ruht auf einem allseitig abgeschlossenen Topf   111,   der seinerseits auf einem fahrbaren Gestell 114 mit Rädern 112 gelagert ist.

   Der untere Teil des Stützers 81 wird zweckmässig mit einem festen oder flüssigen Isoliermittel 113 gefüllt, während die Schaltkammer 104 ein Druckgas enthält. 



   Die Wirkungsweise der Anordnung ist folgende : Wird z. B. in der Umgebung des Stromnulldurchganges des abzuschaltenden Stromes über die Primärwicklung 108 des Impulswandlers 107   einKondensator   entladen, so fliesst auf der Sekundärseite der Impulsstrom vornehmlich über die Wicklung 91, da diese infolge der engen Kopplung mit dem Kupferteller 90 eine gegenüber der Wicklung 92 wesentlich kleinere   recul-   tierende Induktivität aufweist. Dies hat zur Folge, dass der Teller 90 einen starken mechanischen Impuls nach oben erhält, wodurch zunächst das bewegliche Schaltstück 88 sich von den noch niederohmig überbrücken Anschlüssen 84,85 trennt. Unmittelbar darauf beginnt die Zuschaltung des veränderbaren Widerstandes 99 mit entsprechender Reduktion des Stromes.

   In der Ausschaltstellung ist aie Bandfeder 96 

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  Variable resistance, especially for current limiters in high-voltage systems
In order to carry out switching and control processes in electrical power systems, variable resistances are of considerable importance. There is already a large number of usable constructions for processes that run relatively slowly, in particular also designs in which a number of resistors are used. In contrast, one does not yet have usable solutions with the help of which it would be possible to change the ohmic value, for example in a few milliseconds, over several orders of magnitude.



   The present invention is concerned with such a variable resistor, in particular a current limiter, with a plurality of partial resistances designed as sliding resistors. It is characterized by means that cause the force driving the pantographs to be effective in fractions of a millisecond and the pantographs an average Speed of at least 5 m / s, further characterized by such a number, dimensioning and circuit arrangement of the partial resistances that a change in resistance in a ratio of at least 1: 1000 is achieved in a maximum of 5 ms.



   It was only through the joint application of all of the above-mentioned features of the invention together with the plurality of partial resistances designed as sliding resistors, which are known per se for slowly moving resistors, that a variable resistor, in particular in the form of a current limiter for high-voltage systems, has become possible. This is explained in more detail below:
In larger network associations, the current increases with a steepness of around 10 A / s in the event of a short circuit, or in other words, it increases by 10,000 A in one millisecond. It follows that such a rapidly increasing current can only be limited if the force driving the current collector of the resistor becomes effective within a fraction of a millisecond.

   A means, described below, for realizing this requirement consists in the use of the so-called electrodynamic drive, which, as tests have shown, gives forces of up to several tons after 0.1 ms. But such a drive arrangement alone is not enough; For purely mechanical reasons (strength of the highest quality materials available today), speeds of more than 20 ... 30 m / s, which must be reached after a fraction of a millisecond, cannot be used.

   However, the maximum permissible speed is also limited by the fact that the time which elapses for the mechanical switching from one resistance level to the next must be greater than the commutation time. More detailed investigations show, for example, with currents of 5000 A, that this condition also results in the maximum permissible speed limit to about 20 ... 30 m / s
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 would kick.



   On the other hand, it is necessary according to the invention. To achieve a change in resistance in a ratio of at least 1: 1000 in a maximum of 5 ms, considerable distances have to be covered in this time.

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  Would you like B., which corresponds to a practical example, cover about 400 mm in 2 ms, then if only one resistor is used, an average speed of v = 400/2 = 200 mm / ms corresponding to 200 m / s would be necessary. However, this value is far above the permissible value of around 30 m / s. If, however, instead of a WideLstand z. B. 20'feil resistors used in series or parallel connection. the same total switching path of 400 mm can be achieved in 2 ms with an average speed of 10 m / s, a value that is still significantly below the permissible limit.



   Viewed in this way, the use of several partial resistors, known per se, appears in a completely new light when applied to very fast control processes, in particular current limiters. This is because it allows the aim according to the invention of a resistance change in the ratio of at least 1: 1000 to be achieved in a maximum of 5 ms at high, but not impermissible speeds. On the other hand, in the interest of a simple, economical and operationally reliable construction of such a variable resistor, the average speed of the pantographs will not be set too low. This results in the further feature of the invention. that this speed should be at least 5 m / s.

   On the other hand, the high rate of change of the resistance is necessary so that when a short circuit occurs, the maximum value of the reduced current is only about 2 to 3 times the nominal
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 is effective within a fraction of a millisecond.



   The additional requirement that the maximum total resistance should be at least a thousand times greater than the minimum total resistance is, as mentioned above, an essential requirement for high-voltage resistors, because such resistors generally have to have a low initial resistance of, for example, 10 milliohms. However, if they are to have a noticeable influence on the magnitude of the current, their final value must be at least a few ohms. It would be such a resistance z. B. change from 0.01 to 10 ohms, with which a large part of control and switching operations can be managed. This is even more pronounced when the upper limit is 100 or even 1000 ohms with the same minimum value. So z.

   B. a resistance of 1000 ohm end value in a 10 kV high voltage system a current of initially 1000 A to about
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In Figures 1-4 are some resistors ac. orders according to the invention are shown schematically, while FIGS. 5-8 show three exemplary embodiments of such resistors in use as switches or current limiters.



   In FIG. 1, 1 denotes the partial resistances, 2 denotes the current collectors, which slide on the one hand along the resistors 1, on the other hand along the power supply lines 3; 4 are good conductive connections, 5 and 6 are the outer connections. In the lowest position of the pantograph 2, the resistance is very low, since it is essentially only given by the contact resistances of the pantograph. If the current collectors are now moved upwards simultaneously and synchronously, the ohmic value of all partial resistances increases evenly. The pantograph. can either remain in the position shown in dotted lines or can also be moved further upwards, in which case the current flowing through the partial resistors is completely interrupted with a slight arc formation.



   FIG. 2 shows an arrangement in which two partial resistances 11 are assigned to each current collector 12. 14 mean connections with good electrical conductivity between the partial resistors. 15 and 16 are the connections. In the same way, double the resistance value as in the arrangement according to FIG. turned off.



   3 shows an arrangement with two groups of semi-circularly arranged partial resistors 21 and 22 connected in series, the two groups being connected in parallel. The partial resistances themselves are designed as resistance cylinders (e.g. made of titanium oxide, carborundum, colloidal graphite with binding agents). between which the current collectors 23 and 24 are arranged in the plane of the smallest distance. For example, they are moved up and down by an insulating cylinder 25 which moves perpendicular to the plane of the paper. The current between the terminals 26 and 27 is divided into two equal partial currents, which makes it easier to switch on the partial resistors, especially when the initial current is large.



   4 shows partial resistors 31 and sol 'which are designed in the form of a toroidal type of rotary potentiometers and which are switched on and off by rotating current collectors 32 and 32'. 33 is an isolating shaft which is guided in the bearings 34, 35; 36 and 37 are the connections. Such rotary resistors can generally be designed with a smaller moving mass. In addition, the centrifugal

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 fugalkraft can be used to additionally press the pantograph against the contact tracks.



   The formation of the resistors in the form of insulating, temperature-resistant cylinders, which are wrapped, for example, with resistance wire of constant or continuously decreasing cross-section, is simple, but has the disadvantage that the individual stages of the partial resistances already have a noticeable inductance, which means that the spark-free on - and deactivation is made more difficult. It is therefore more advantageous to manufacture the resistors from strip material arranged in a meandering manner. Such an embodiment is shown in FIG. 5. In it, 41 and 41 'denote those made of insulated resistance tape, e.g. B.



  Chromium-nickel strip, iron strip, built-up partial resistances, the ohmic value of each resistance level initially decreasing slightly when switched off and then increasing continuously later. The current collectors 42 are designed as 0 -shaped contact springs and are attached to the insulating actuating pieces 43. In general, it will be expedient to provide largely flat contact tracks 45 and 45 'so that perfect contact between current collectors and contact tracks is ensured even at very high switching speeds. In addition, the aim is to use pantographs with a high mechanical natural frequency and sufficient damping, and to ensure that the mass of the pantographs 42 and the insulating actuating pieces 43 including the piston 44 is as small as possible.

   In the lowermost position of the current collectors 42, the connections 47 and 47 ′ are directly connected to one another in an electrically conductive manner.



   The increase in resistance per level can, for. B. can only be effected by increasing the size of the loops. But it is also possible to change the material in terms of an increasing specific resistance. Furthermore, the cross section of the resistance material can be reduced in steps or continuously.



  This can be done, for example, by slowly immersing a strip of initially the same cross-section in a suitable solvent in such a way that the first immersed point suffers the greatest reduction in cross-section, while the other end retains the original cross-section. But you can also proceed the other way around, for example by applying a continuously increasing resistance coating galvanically or by vapor deposition to a suitable insulating tape or a very high-resistance metal tape. This method has the advantage that very thin layers with high resistance values per cm can be made. The partial resistors are advantageously made of resistance material with a high positive temperature coefficient, e.g. B.

   Iron tape, made, whereby the effect of the changeable resistance in the sense of an increase in resistance is increased.



   The current collectors 42 are actuated by compressed gas. For this purpose, the insulating pieces 43 carry at their lower end a piston 44, for example made of felt, which moves in the shaft-like space formed from the contact tracks 45, 45 'and the adjacent insulating plates 46. Between the connections 47, 47 'there is a compressed gas distribution housing 48 made of insulating material, to which the compressed air feed line 49 connects. The valve 50 is designed as a dynamic trigger with the copper plate 51 and the fixed winding 52.53 cast into the insulating tube 49 is the valve spring, which is supported against the spokes 54. A small pressure vessel 55 is arranged below the supply line 49 and is connected to a compressed gas generation system, not shown.

   If the current collectors are to be operated, the winding 52 first receives a current pulse from an energy source (not shown), whereupon the copper plate 51 moves upwards against the action of the spring 53. The compressed gas now enters the distribution housing 48 over a large cross section and acts momentarily on the pistons 44, as a result of which the current collectors 42 are moved upwards with great acceleration. It is switched on by opening the valve 56, whereupon the compressed gas flows via the insulating line 57 to the upper distribution housing 58. The pistons 44 and thus the current collectors 42 now move downwards, as a result of which the resistance is bridged.



   Since, particularly with a large number of partial resistances, an equally large number of contact points are in series, it may be difficult to achieve a sufficiently small initial resistance value of, for example, 1 milliohm or less. This disadvantage can be avoided by a correspondingly high contact pressure of the current collectors and a low resistance of the connections between the partial resistors. However, the solution according to FIGS. 6 and 7 is even more favorable in this respect. In plan and section, they show an embodiment of a variable resistor that is basically similar to that in FIG. 5, consisting of the partial resistors 61 and 61 ', which are supported by insulating plates 62 , for example made of mica, are separated from one another.

   In this case, mercury packets 63 serve as current collectors, which in the initial position (see FIG. 7) initially form a coherent neck silver conductor 63 ′, which lies in a rubber channel 64 and directly connects the connections 65 and 66 with one another. If you now give an impulse to the rubber channel 64, as indicated by the arrows in FIG. 7, see FIG. o The Quecl silver conductor '33 'is thrown upwards and through the insulating plates 62

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 cut into mercury packets 63, which now move upward in the chambers 68 formed by the contact tracks 67 and 67 'on the one hand and the two adjacent insulating washers 62 on the other.



  The arrangement is expediently made such that the mercury is thrown out of the chambers 68 at the top and collected in a container (not shown), while it subsequently flows back into the channel 64 by opening a slide (also not shown). There is an advantage in using mercury. that neither the contact tracks 67, 67 'nor the mercury pantographs are worn. In addition, the resistance between the connections 65 and 66 in the initial position can be made as small as desired by suitable selection of the mercury cross section.



   For the implementation of the invention it is of great importance that the switching on of the resistance stages of the partial resistances takes place practically without arcing. As a rule, in atmospheric air with initial currents of up to about 2000 A, the voltage drop when switching on a stage should not exceed 15-30 V. If you put the whole arrangement under pressure, z. B. vun 6 at, higher voltage drops of up to 50 V are permissible, provided that the step resistors are practically induction-free (10-SH and less). Finally, the resistors can also be arranged in a vacuum of at least 10-4 Torr, with voltage drops of up to 1000 V and more being permissible.



   For example, compressed gas or the detonation waves of chemical reactions (explosions) can be used to drive the current collectors. When actuating compressed gas, as has already been explained with reference to FIG. 5, it must be ensured that a feed line with a large cross-section and large-area valve is used and an additional small pressure vessel is provided as close as possible to the variable resistance; because only then is it possible to let the driving force take effect in a fraction of a millisecond.



   In principle, a hydraulic movement of the pantograph, e.g. B. by means of insulating oil, by which the spark extinction is further promoted. However, it must be ensured that the flow velocities remain relatively low so that too large a part of the driving force does not have to be converted into kinetic energy of the moving insulating liquid.



   It is particularly useful to drive the pantograph with the help of an electrodynamic system. FIG. 8 shows the application of such a variable resistor to a high-voltage current limiter with a pulse transmitter in a pot construction and a double-acting electrodynamic drive. In detail, 81 means a ceramic open-air hollow support with the projections 82 and 83, through which the power supply lines 84 and 85 are introduced. 86 and 87 are metal caps that are soldered vacuum-tight on both the porcelain attachments 82, 83 and the power supply lines 84, 85. 88 is the movable ring-shaped contact piece which is attached to the insulating bolt 89.

   This is screwed at the lower end to the copper plate 90 of the dynamic trigger. 91 and 92 are the fixed coils of the dynamic release, which are cast in the insulating body 93 with the ribs 94. The copper plate 90 can be inserted into the insulating body 93 through horizontal slots (not shown). Both the tension spring 95 and the band-shaped compression spring 96 act on the copper plate 90. At the upper end, the insulating bolt 89 is slotted and with the insulating actuating plate 97, which has recesses 98 to reduce the moving mass. firmly connected. The current collectors of the variable resistor 99, which cannot be seen in the drawing, are attached to the actuation plate 97 in a manner similar to that in FIG.

   The ends of the resistor 99 are connected by the conductors 99a and 99b to the power supply leads 84 and 85, respectively. The partial resistors are fastened to the insulating plate 102 with the help of the angles 100 and 101. This has a slot 103 for the actuating plate 97 to pass through. The control room 104 is through. a cover 105 sealed gas-tight. The two fixed coils 91 and 92 of the dynamic release are connected in parallel and their ends are connected to the high-voltage
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 is. The support 81 rests on a pot 111 which is closed on all sides and which in turn is mounted on a mobile frame 114 with wheels 112.

   The lower part of the support 81 is expediently filled with a solid or liquid insulating agent 113, while the switching chamber 104 contains a compressed gas.



   The mode of operation of the arrangement is as follows: If z. If, for example, a capacitor discharges in the vicinity of the current zero crossing of the current to be switched off via the primary winding 108 of the pulse converter 107, the pulse current flows on the secondary side primarily via the winding 91, as this is much smaller than the winding 92 due to the close coupling with the copper plate 90 Has recurrent inductance. This has the consequence that the plate 90 receives a strong mechanical impulse upwards, as a result of which the movable contact piece 88 is initially separated from the connections 84, 85 which are bridged with low resistance. Immediately thereafter, the connection of the variable resistor 99 begins with a corresponding reduction in the current.

   The band spring 96 is in the switch-off position

 <Desc / Clms Page number 5>

 
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Claims (1)

<Desc/Clms Page number 6> <Desc / Clms Page number 6> 13. Veränderbarer Widerstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er in einem gasdichten Gehäuse eingebaut ist und unter einem Überdruck von mindestens 6 at steht. 13. Variable resistor according to claim 1, characterized in that it is installed in a gas-tight housing and is under an overpressure of at least 6 at. 14. Veränderbarer Widerstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er in einem vakuumdichten Gehäuse eingebaut ist, das einen Druck von höchstens 10-4 Torr aufweist. 14. Variable resistor according to claim 1, characterized in that it is installed in a vacuum-tight housing which has a pressure of at most 10-4 Torr. 15. Veränderbarer Widerstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass alle Stromabnehmer synchron bewegt werden. 15. Variable resistor according to claim 1, characterized in that all current collectors are moved synchronously. 16. Veränderbarer Widerstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromabnehmer (42) als Kolben (44) ausgebildet sind und sich in den schachtartigen Räumen, gebildet durch die Kontaktbahnen (45, 45') und die Isolierwände (46) zwischen benachbarten Teilwiderständen, bewegen (Fig. 5). 16. Variable resistor according to claim 1, characterized in that the current collectors (42) are designed as pistons (44) and are located in the shaft-like spaces formed by the contact tracks (45, 45 ') and the insulating walls (46) between adjacent partial resistors , move (Fig. 5). 17. Veränderbarer Widerstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die als Kolben (44) ausgebildeten Stromabnehmer (42) durch ein komprimiertes Gas angetrieben und in schachtartigen Räumen bewegt werden, die durch je zwei gegenüberliegende Kontaktbahnen (45, 45') einerseits und die Isolierwände (46) zwischen benachbarten Teilwiderständen (41, 41') anderseits gebildet werden. 17. A variable resistor according to claim 1, characterized in that the current collectors (42) designed as pistons (44) are driven by a compressed gas and moved in shaft-like spaces, which are each provided by two opposite contact tracks (45, 45 ') on the one hand and the Insulating walls (46) are formed on the other hand between adjacent partial resistors (41, 41 '). 18. Veränderbarer Widerstand nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolben (44) durch die von einer chemischen Umsetzung erzeugte Detonation betätigt werden. 18. Variable resistor according to claim 17, characterized in that the pistons (44) are actuated by the detonation generated by a chemical reaction. 19. Veränderbarer Widerstand nach Anspruch l, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Betätigung der Stromabnehmer dienenden Kräfte durch mindestens einen dynamischen Auslöser freigegeben werden (Fig. 5). 19. Variable resistor according to claim l, characterized in that the forces used to actuate the current collectors are released by at least one dynamic trigger (Fig. 5). 20. Veränderbarer Widerstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromabnehmer elektrodynamisch betätigt werden (Fig. 8). 20. Variable resistor according to claim 1, characterized in that the current collectors are actuated electrodynamically (Fig. 8). 21. Veränderbarer Widerstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er durch einen für den vollen Nennstrom bemessenen Schalter (42, 47, 47'in Fig. 5 ; 84, 85, 88 in flag. 8) überbrückt ist, der spätestens bei der Betätigung der Stromabnehmer (42) geöffnet wird. 21. The variable resistor according to claim 1, characterized in that it is bridged by a switch (42, 47, 47 'in FIG. 5; 84, 85, 88 in flag. 8) which is dimensioned for the full rated current and which is activated at the latest when Operation of the pantograph (42) is opened.
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