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Starkstromschaltgerät für Gleich-und Wechselstrom
Es ist bereits bekannt, zur Abschaltung von Überströmen einen für den Nennstrom des Schaltgerätes bemessenen Schalter vorzusehen, der sich bei Auftreten eines Überstromes in Bruchteilen einer Millisekunde öffnet, wobei der Strom auf eine parallel zum Schalter liegende Impedanz kommutiert wird, deren Widerstandswert sich nach Öffnung des Schalters erhöht, z. B. eine Hochleistungssicherung oder einen Widerstand mit hohem, positivem Temperaturkoeffizienten. Wird als Parallelimpedanz beispielsweise eine Sicherung kleiner Nennstromkstärke (z. B. 10 - 20 A) verwendet und auf diese Sicherung ein Strom von 1000 A kommutiert, so tritt eine ausserordentlich schnelle Erwärmung des Sicherungsdrahtes und damit auch eine Erhöhung des Widerstandswertes auf.
Damit nun die Kommutierung sicher vollzogen wird, muss sie abgelaufen sein, bevor eine nennenswerte Erwärmung der Sicherung zustande kommt. Dies verlangt aber, dass die Kommutierungszeit nur Mikrosekunden beträgt. Sofern es sich um Spannungen bis zu einigen 1000 V und Trennströme bis zu etwa 2000 A handelt, lässt sich diese Bedingung durch Wahl einer sehr kleinen Induktivität der aus Impedanz und Schalter bestehenden Schleife erfüllen. Bei höheren Spannungen muss aber die Impedanz, sofern sie überhaupt wirksam sein soll, schon einen verhältnismässig grossen Anfangswert aufweisen, während bei grösseren Strömen die Induktivität der Schleife und damit die Kommutierungszeit zu gross wird.
Die vorliegende Erfindung befasst sich ebenfalls mit einem Starkstromschaltgerät für Gleich- und Wechselstrom mit einem Schalter und einer von diesem überbrückten Impedanz, deren Widerstandswert sich nach Öffnung des Schalters vergrössert. Sie ermöglicht es, das geschilderte Schaltprinzip auch für sehr grosse Leistungen und hohe Spannungen anzuwenden. Dies wird dadurch erreicht, dass in der Schleife, bestehend aus der Parallelschaltung von Impedanz und Schalter, beim Öffnen des Schalters ausser der zwischen den sich trennenden Kontaktstücken auftretenden Spannung eine gleichzeitig mit der Auslösung des Schalters eingeführte zusätzliche Kommutierungsspannung wirksam ist.
Es ist für die Erfindung wesentlich, dass die Kommutierungsspannung gleichzeitig mit der Auslösung des Schalters in die Parallelschaltung von Impedanz und Schalter eingeführt wird ; würde sie vorher wirksam, so würde die Parallelimpedanz vorzeitig belastet, während bei späterer Einführung der zusätzlichen Spannung die Kommutierung zu langsam abliefe. Die zusätzlich eingeführte Kommutierungsspannung schwächt den Strom im Schalter und vergrössert den Strom in der Parallellmpedanz ; sie unterstützt also die natürliche Kommutierung, die durch den Spannungsabfall an den sich öffnenden Kontakten des Schalters und unter Umständen durch kleine Lichtbögen erzeugt wird.
Eine erste Massnahme zur Verbesserung der Kommutierung besteht darin, dass der Spannungsabfall am Schalter künstlich erhöht wird. Andere Möglichkeiten sind, mit Hilfe eines geeigneten Wandlers gleichzeitig mit der Auslösung des Schalters eine zusätzliche Spannung in der Kommutierungsschleife zu induzieren.
Nach denSchweizer PatentschriftenNr. 282520 und Nr. 302715 ist es bei Kontaktumformern bekannt, den von der Schaltdrossel erzeugten, über die Kontakte fliessenden sogenannten Stufenstrom durch Überlagerung von Spannungen, die Kompensationsströme zur Folge haben, so weit zu verringern, dass der re- sultierende Kontaktstrom auch im Dauerbetrieb ohne Schaden für die Kontaktflächen unterbrochen werden kann. Bei diesen Schaltungsanordnungen haben jedoch die parallel zu den Kontakteinrichtungenliegenden Impedanzen nicht die Eigenschaft, ihren Widerstandswert nach vollzogener Kommutierung zu erhöhen. Bei
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den bekannten Anordnungen war also auch nicht die Aufgabe gestellt, die Kommutierung so zu beschleunigen, dass sie beendet ist, bevor sich der Widerstandswert der Impedanz merklich erhöht hat.
Weiterhin ist aus der franz. Patentschrift Nr. 1. 097. 181 ein Verfahren zu Abschaltung von Gleich- und Wechselströmen bekannt, bei dem durch einen überlagerten Impulsstrom künstliche Stromnulldurchgänge erzeugt werden, zu dem Zweck, die Unterbrechung durch den Schalter zu erleichtern. Impedanzen, die nach Öffnung des Schalters ihren Widerstandswert stark erhöhen. sind auch hier nicht vorgesehen ; dementsprechend ist auch bei diesem Abschaltverfahren die Einführung des Impulsstromes zeitlich nicht an die Auslösung des Schalters gebunden.
Die Fig. 1 bis 3 zeigen drei beispielsweise Ausführungsformen erfinaungsgemässer Starkstromschaltgeräte in schematischer Darstellung. In Fig. 1 bedeuten 1 die veränderbare Impedanz in Form einer Hochleistungssicherung üblicher Bauart, 2 den Überbrückungsschalter mit den Hauptkontakten 3, 4 und den Vorkontakten 5,6, die über Widerstände 8,9 möglichst induktionarm mit den Hauptkontakten 3,4 verbunden sind. 10 ist das bewegliche Schaltstück, das bei der Einschaltung zunachst die Vorkontakte 5,6 berührt und sich nachher auf die Hauptkontakte 3,4 aufsetzt. Der Ausschaltvorgang vollzieht sich nun folgendermassen : Zunächst tritt eine galvanische Trennung zwischen dem beweglichen Schaltstück 10 und den Hauptkontakte. 3, 4 auf, während die Vorkontakte 5,6 noch in gut leitender Verbindung mit dem beweglichen Schaltstück 10 stehen.
Der Strom fliesst nun über den Widerstand 8, den Vorkontakt 5, das beweglicheSchaltstück 10, den Vorkontakt b und den Widerstand 9. Die Widerstände 8,9 sind nun so bemessen, dass die Trennung von den Hauptkontakten praktisch lichtbogenfrei vor ich geht. Es entsteht nun aber ? n den WiderHXpdpn 8,9 ein Spannungsabfall, der bewirkt, dass der Strom von dem Schalter 2 auf die Sicherung 1 kommutiert wird. Bei der Trennung zwischen den Vorkontakten 5,6 und dem beweglichen Schaltstück 10 treten noch zwei Lichtbögen auf, die eine zusätzliche Kommutierungsspannung erzeugen. Die Erfahrung zeigt, dass mit Hilfe der Anordm'ng nach Fig. 1 derartige Starkstromschaltge rate für wesentlich grössere Spannungen und Stromstärken als bisher gebaut werden können.
Im allgemeinen ist es zweckmässig, die Vorkontakte 5,6 und die entsprechenden, damit in Berührung kommenden Stellen des beweglichen Schaltstückes aus gegenüber Lichtbögen abbrandfestem Material herzustel- len, wie Wplfram oder Wolframsinterkörper, dessen Poren mit Kupfer oder Silber im Vakuum gefüllt werden. Anderseits wird man insbesondere bei Hochstromschaltern für die Hauptkontakte möglichst gut leitende Werkstoffe, z. B. Silber oder Kupfer, verwenden. Die Widerstände 8,9 werden mit Vorteil aus einem Material mit hohem positivem Temperaturkoeffizienten hergestellt, z. B. Eisen.
Fig. 2 zeigt eine Anordnung eines erfindungsgemässen Starkstromschaltgerätes für Gleichstrom, das sich besonders zum Abschalten von ansteigendem Überstrom eignet. Mit 21 ist ein veränderbarer Widerstand bezeichnet, dessen Gehäuse 22 aus einem Widerstandsmaterial mit hohem spezifischem Widerstand besteht und das in seinem Inneren eine aufgedampfte Merallschicht 23 aufweist, die bei Stromdurchgang mindestens teilweise verdampft und hiebei ihren Widerstand erhöht.
Nach Abkühlung schlägt sich das verdampfte Metall wieder im Innern des Widerstandskörpers 22 als dünne Schicht nieder. 24 ist der Überbrückungsschalter mit den feststehendenschaltstücken 25, 26 und der beweglichen Strombrücke 27.28 ist ein Wandler mit der Primärwicklung 29, der Sekundärwicklung 30 und dem Eisenkern 31, der einen Luftspalt 32 aufweist. Im normalen Zustand fliesst der Strom über die Primärwicklung 29 und den Schalter 24, ohne dass dabei in der Sekundärwicklung 30 eine nennenswerte Spannung induziert wira. Tritt jedoch ein Überstrom mit grosser Anstiegsgeschwindigkeit auf, so wird in der Wicklung 30 eine Spannung induziert, die einen Strom in der durch den Umlaufpfeil gekennzeichneten Richtung erzeugt.
Gleichzeitig erhält der Schalter 24, beispielsweise mit Hilfe einer Einrichtung, wie sie an Hand von Fig. 3 erläutert wird, einen Ausschaltimpuls. Der über den Schalter 24 und die zwischen seinen Kontakten auftretenden kleinen Lichtbögen fliessende Strom verringert sich, während anderseits der Strom im Widerstand 21 sich entsprechend erhöht ; mit andern Worten, es wird der Strom durch die zusätzlich eingeprägte Spannung vom Schalter 24 auf den Widerstand 21 kommutiert und anschliessend durch den Widerstand Sl weitgehend
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durch eine fremde Energiequelle erzeugt wird.
Im einzelnen bedeuten 41 eire- ; l veränderlichen Widerstand, bestehend aus Teilwiderständen 42 mit Stromabnehmern 43, die L ! ber e:n I : olierstück 44, das mit dem Überbrückungsschalter 45 gekuppelt ist, betätigt werden. 46 ist ein dynamischer Auslöser mit der Primärwicklung 47 und der Sekundärwicklung 48, die über ein Isolierstück 49'rit dem Schalter 45 ver-
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bunden ist. 50 bedeutet einen elektrischen Energiespeicher in Form eines aufgeladenen Kondensators, 51 eine Funkenstrecke und 52 ein Wandler mit der Primärwicklung 53 und der Sekundärwicklung 54. Soll abgeschaltet werden, so wird als erstes die Funkenstrecke 51 gezündet.
Der Kondensator 50 entlädt sich über die Primärwicklung 53 des Wandlers 52 und die Primärwicklung 47 des dynamischen Auslösers 46. Hiedurch wird sowohl in der Sekundärwicklung 54 des Wandlers als auch in der Sekundärwicklung 48 des dynamischen Auslösers eine Spannung und dementsprechend ein Strom erzeugt. Der Sekundärstrom des Wandlers 52 hat die Richtung des Pfeiles 55 und bewirkt somit die Kommutation vom Schalter 45 auf den veränderbaren Widerstand 41.
Der Strom in der Sekundärwicklung 48 des dynamischen Auslösers 46 erzeugt eine hohe abstossende Kraft, durch die zunächst der Schalter 45 geöffnet wird, wobei allfällige Lichtbögen beim Stromnulldurchgang des resultierenden, über den Schalter fliessenden Stromes gelöscht werden, so dass der Strom nun über den Widerstand 41 fliesst, dessen Ohmweit bei Weiterbewegung des mit dem Schalter 45 gekuppelten Isolierstücke 44 sich laufend erhöht. Die Stromabnehmer 43 können entweder in der obersten Stellung stehen bleiben, wobei der Strom auf einen ungefährlichen Reststrom verringert ist. Sie können aber auch darüber hinaus bewegt werden, wobei dann unter geringer Lichtbogenbildung und Vielfachunterbrechung auch noch der Reststrom abgeschaltet wird.
Es ist selbstverständlich auch möglich, den Wandler 52 über die Leitung 56 unmittelbar vom Kondensator 50 aus zu speisen, was den Vorteil hat, dass die Induktivität im Kommutierungskreis kleiner ist. Die Anordnung nach Fig. 3 ist im Prinzip für Gleich- und Wechselstrom brauchbar. Ändert jedoch der Hauptstrom seine Richtung, so muss entweder auch der Entladestrom des Kondensators 50 umgepolt werden, was mit Hilfe einer Vierfachfunkenstrecke in an sich bekannter Weise leicht durchführbar ist, oder es ist die Anordnung so zu treffen, dass ein nur schwach gedämpfter Impulskreis zur Anwendung gelangt, wobei dann unter Umständen die erste Stromhalbwelle in entgegengesetzter Richtung des Pfeiles 55 wirkt und erst die zweite Halbwelle die Kommutation herbeiführt ;
Im allgemeinen ist es zweckmässig, wenn der Sekundärstrom des Wandlers 52 eine gewisse Phasennacheilung gegenüber dem Primärstrom aufweist, damit das Maximum des Sekundärstromes zeitlich etwas später liegt als das Maximum des Sekundärstromes in der Wicklung 48. Dies ist notwendig, damit der Impulsstrom nach Erlöschen der Lichtbögen im Schalter 45 nicht vorzeitig geschwächt wird.
PATENTANSPRÜCHE ;
1. Starkstromschaltgerät für Gleich- und Wechselstrom mit einem Schalter und einer von diesem überbrückten Impedanz, deren Widerstandswert sich nach Öffnung des Schalters vergrössert, dadurch gekennzeichnet, dass in der Schleife, bestehend aus der Parallelschaltung von Impedanz und Schalter, beim Öffnen des Schalters ausser der zwischen den sich trennenden Kontaktstücken auftretenden Spannung eine gleichzeitig mit der Auslösung des Schalters eingeführte zusätzliche Kommutierungsspannung wirksam ist.