Verfahren zum Prüfen von elektrischen Stromunterbrechern, insbesondere von Hochspannungs-Hochleistungsschaltern
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Prüfen von elektrischen Stromunterbrechern, insbesondere von Hochspannungs-Hochleistungsschaltern, auf ihr Ausschaltvermögen, namentlich auf die für sie noch zulässige höchste Ausschaltleistung im Kurzschlussfall. Da man bei hohen Ausschaltleistungen aus wirtschaftlichen Gründen nicht mit einer einzigen Stromquelle den hohen Kurzschlussstrom und die beim Nullwerden des Kurzschlussstromes auftretende hohe Wiederkehrspannung der Stromquelle nachbilden kann, benutzt man hierfür zwei voneinander getrennte Energiequellen.
Der Kurzschlussstrom wird in diesem Fall als Hochstrom von einer Hochstromquelle von niedriger Spannung und die Wiederkehrspannung wird als Prüfspannung von einer Hochspannungsquelle für kleinere Stromstärken geliefert.
Nun hat aber die niedrige Spannung des Hochstromkreises von einigen kV den Nachteil, dass sie den bei der Ausschaltung des Prüflings, z. B. eines Hochspannungsschalters, sich bildenden Lichtbogen zwischen den Schaltkontakten nicht über den ganzen Schaltweg, das heisst bis zur Endstellung der Kontakte aufrechterhalten kann, wie dies bei der Betriebsspannung geschieht. Der Lichtbogen wird vielmehr nur bis zu einer Entfernung der Schaltkontakte voneinander brennen, die noch nicht die vorgesehene Löschstellung ist. Würde in dem Augenblick des vorzeitigen Erlöschens des Lichtbogens die Prüfspannung an den Schalter gelegt werden, dann würde man als Prüfergebnis eine viel zu kleine Ausschaltleistung erhalten, da die Schaltstrecke infolge des geringen Kontaktabstandes noch nicht genügend spannungsfest sein kann.
Würde anderseits die Prüfspannung erst dann an den Schalter gelegt, wenn die Schaltkontakte in ihre optimale Löschstellung bzw. in ihre End Ausschaltstellung, die hinter der Löschstellung liegen kann, gelangt sind, dann ergibt sich wieder eine andere Ausschaltleistung, als der Schalter in Wirklichkeit besitzt. Für eine ordnungsgemässe Prüfung ist es daher unbedingt erforderlich, dass der Lichtbogen des Hochstromes für eine Reihe von Halbwellen, deren Zahl sich je nach der Stromunterbrechertype ändert, aufrechterhalten wird und jederzeit kurz vor dem Nullwerden einer Hochstromhalbwelle die eigentliche Prüfung begonnen werden kann.
Die Erfindung befasst sich mit der Aufgabe, eine solche Fortzündung des Prüfschalters in einfacher und wirkungsvoller Weise zu erreichen. Es ist bereits bekannt, den Prüfschalter dadurch über mehrere Halbwellen fortzuzünden, dass man die Hochspannung des Prüfspannungskreises zur Wiederzündung der Schaltstrecke bei einem vorzeitigen Erlöschen des Hochstromlichtbogens ausnutzt. Dieses Verfahren hat aber den Mangel, dass die Hochspannungsquelle vorzeitig stark belastet wird. Sie kann daher in dem Augenblick der Spannungsprüfung nicht die volle Prüfspannung zur Verfügung stellen, so dass man ein falsches Prüfergebnis erhält.
Es ist auch schon vorgeschlagen worden, für die Fortzündung des Hochstromlichtbogens einen in einem besonderen Stromkreis liegenden und auf eine hohe Spannung aufgeladenen Kondensator sich in die Schaltstrecke entladen zu lassen, sobald der Lichtbogen zu erlöschen droht. Dabei können, falls mehrere Halbwellen neu zu zünden sind, weitere Zündkondensatoren entladen werden. Ein Kondensator entlädt sich jedoch in wenigen us, auch ist der Zeitpunkt seiner Zuschaltung häufig nicht so genau einzustellen, dass die kurzzeitige Entladung des Kondensators im günstigsten Augenblick einsetzt, um den erlöschenden Hochstromlichtbogen erneut zu zünden.
Selbst Mittel, die dazu dienen, die Entladung des Kondensators hinzuziehen, können keine wesentliche Verbesserung bringen, da der Entladestrom nach seiner Anfangssteilheit sehr schnell abnimmt und kleine Stromwerte ohnehin nicht zur Fortzündung des Lichtbogens ausreichen.
Nach der Erfindung wird dem Hochstrom kurz vor seinem Nulldurchgang ein mittelfrequenter Hochspannungszündstrom mit der gleichen Polarität überlagert, bei dessen Nullwerden die ihn treibende Spannung die Schaltstrecke durchschlägt und der mit neuer Polarität nachfolgende Zündstrom eine neue Halbwelle des Hochstromes einleitet. Die Erfindung hat den Vorteil, dass die Überlagerung des Zündstromes mit dem Hochstrom die Schaltstrecke am Ende der Hochstromhalbwelle stärker belastet, wodurch die sich unmittelbar an das Nullwerden des Zündstromes anschliessende hohe Spannung eine günstige Voraussetzung für die Wiederzündung der Schaltstrecke vorfindet. Der Aufwand für den Zündkreis ist daher sehr gering. Ausserdem ist der zeitliche Einsatz des Zündstromes nicht so kritisch wie bei der Stossentladung eines einzelnen Kondensators.
Die Erfindung lässt sich besonders vorteilhaft mit einem als mittelfrequenten Schwingungskreis ausgebildeten Hochspannungszündkreis durchführen, da sich hier die notwendige Umpolung der elektrischen Grössen von selbst ergibt. Anstelle eines Schwingkreises kann auch eine mittelfrequente Hochspannungsquelle für z. B. 10 kHz zur Lieferung des Zündstromes vorgesehen sein.
Die Zeichnung zeigt in Fig. 1 ein Schaltschema einer Prüfanlage nach der Erfindung. Es ist nur der Hochstromkreis und der Stromkreis mit den Einrichtungen zur Fortzündung des Lichtbogens für zwei Halbwellen des Hochstromes dargestellt, dagegen der zwischen a und Erde angeschlossene Hochspannungskreis nicht weiter gezeigt. Seine Ausbildung ist für die Erfindung unwesentlich.
Von dem Hochstromgenerator G wird über einen als Einschalter und zugleich als Sicherheitsschalter dienenden Schalter SS und eine Strombegrenzungsdrossel Lbl ein Transformator T gespeist. Zur Primärwicklung des Transformators T liegt ein RC Glied Rl, C1 parallel, das dazu dient, etwaige aus dem Sekundärkreis eindringende Überspannungen zu dämpfen. Der Sekundärkreis enthält in Reihenschaltung eine Strom und Überspannungen begrenzende Drossel Lb2, einen Hilfsschalter Sl, zur Abriegelung der hohen Prüfspannung vom Kurzschlussstromkreis, den Prüfschalter Sp sowie einen Stromwandler W.
Parallel zur Sekundärwicklung des Transformators T ist ferner über eine Sicherheitsfunkenstrecke F, ein zweites Dämpfungsglied R2, C2 gegen Überspannungen geschaltet.
Ein weiteres RC-Glied R3, C3 kann der Sekundärwicklung über den Schalter T,,, der als gittergesteuertes Gasentladungsrohr ausgebildet sein kann, kurz vor dem Augenblick, wo die Prüfspannung über die Anschlussklemme a und Erde an den Prüfschalter gelegt wird, parallel geschaltet werden. Würde der Kondensator C3 ständig eingeschaltet sein, so hätte er eine Herabsetzung der Eigenfrequenz des Sekundärkreises zur Folge. Eine niedrige Eigenfrequenz würde aber den Anstieg der Wiederkehrspannung dieses Kreises verlangsamen und dadurch noch mehr zur unerwünschten Unterbrechung des Lichtbogens an den Schaltkontakten der Schalter Sl, und Sp beitragen.
Daher wird der Schalter T11 erst kurz vor der Spannungsprüfung geschlossen, um in diesem Prüfstadium eine unerwünschte Zündung des Hilfsschalters durch eine höhere Wiederkehrspannung des Sekundärkreises sicher zu verhüten.
Zur Steuerung des Zünd-Schwingungskreises werden vom Wandler W in einem Impulswandler 1W, der einen hochgesättigten Kern und eine Gleichstromvormagnetisierung besitzt, zu jedem Nulldurchgang des Hochstromes k phasenverschobene Spannungsimpulse erzeugt und den Geräten V, Stel, St2 usw. zugeführt. Das Gerät V ist ein Verzögerungsgerät, das die für die Abgabe jeweils eines Impulses eingerichteten Steuergeräte Stel, St2 und St erst dann freigibt, wenn eine vorbestimmte Anzahl von Hochstromhalbwellen, bei denen eine Zündung des Lichtbogens aus dem Hochstromkreis noch mit Sicherheit erfolgt, vergangen ist.
Nach diesen ersten Halbwellen wird zunächst das Steuergerät St1 freigegeben, welches nun kurz vor dem Nulldurchgang einen Zündimpuls auf die mit einer Hilfszündeinrichtung versehenen Funkenstrecken F1 und F'1 gibt. Nach dem Ansprechen fliesst über den Kondensator C,, die Funkenstrecke F'1, die Zünddrossel Lz, den Hilfsschalter S,,, den Prüfschalter 5 und die Funkenstrecke F, ein Strom i. Dieser Strom überlagert sich dem über die beiden Schalter S und Sp fliessenden Hochstrom, so dass sich durch das Zusammenwirken beider Ströme eine erhöhte Beanspruchung dieser Schaltstrecken ergibt.
Beim Nulldurchgang des Stromes 4 erfolgt jedoch im Verein mit der Spannung des Zünd-Schwingungskreises eine Neuzündung des Zündstromes, der den Hochstrom für eine weitere Halbwelle mitreisst. Muss infolge des Prüfergebnisses am Ende dieser Hochstromhalbwelle die Prüfung fortgesetzt werden, so wird bei der nächsten Prüfserie das Steuergerät St2 freigegeben, welches nun über die Funkenstrecke F2, den Prüfschalter Sjj den Hilfsschalter Si), die Zünddrossel L,, die Funkenstrecke F'2 und den Kondensator Cz den Zündstrom zum zweiten Mal mit entsprechender Polarität fliessen lässt, so dass eine neue Halbwelle des Hochstromes folgen kann. Den Funkenstrecken F1 und F2 sind RC-Glieder RF, CF zur Schalterleichterung parallel geschaltet.
Es sei angenommen, dass während dieser Zeit die Kontakte des Prüfschalters Sp in ihrer Löschbzw. Endstellung angelangt sind, so dass die Spannungsprüfung einsetzen kann. Zuvor muss jedoch die jetzt nicht mehr benötigte hohe Eigenfrequenz des Hochstromkreises herabgesetzt werden. Dies wird dadurch erzielt, dass der gleiche Steuerimpuls, der die Zündung der Funkenstrecken F2 und F'2 bewirkt hat, auch den Schalter T11 nach einer bestimmten Verzögerung schliesst.
Damit die Schaltkontakte bereits ohne zusätzliche elektrische Zündeinrichtungen weit in die optimale Löschstellung gelangen, sind am Draufschalter 5s (normalerweise im Spannungsmaximum schaltenden Höchststromschalter) einstellbare Hilfskontakte vorgesehen. Mit ihnen kann die Auslösung des Hilfsschalters S, und des Prüfschalters Sp in eine zeitliche Abhängigkeit zur Einschaltung des Hochstromes gebracht werden. Man bewirkt damit eine gesteuerte Phasenverschiebung zwischen dem Hochstrom und der Bewegung der Schaltkontakte. Diese gelangen dann trotz einer kleinen, den Hochstrom treibenden Spannung weit in die optimale Löschstellung, ohne dass dabei der Ausschaltlichtbogen unter der Löschmitteleinwirkung erlischt.
In Fig. 2 ist ein Stromdiagramm dargestellt, aus dem der zeitliche Verlauf der Schalterprüfung hervorgeht. Darin erhält der Hilfs- bzw. Prüfschalter bzw. 5, bei t,, l bzw. t < ,2 den Aus -Impuls. Im Zeit- punkt t1 gibt der Draufschalter 5 Kontakt, so dass der Hochstrom i, ! ; zu fliessen beginnt. Aus den Schalterdaten ist bekannt, dass die Schaltkontakte in 4 cs nahezu in die Löschstellung gelangt sind. Bis zum Erreichen der endgültigen Ausschaltstellung der Kontakte muss der Hochstrom noch 1 cs lang fliessen.
Im Zeitpunkt t2 setzt jedoch bereits eine Lichtbogenspannung uX ein. Eine Aufrechterhaltung des Lichtbogens am Ende dieser Halbwelle ist nicht zu erwarten. Daher wird von dem Verzögerungsgerät v, das bereits auf die erste Halbwelle des Hochstromes angesprochen hat, die Entsperrung des Steuergerätes Stt nach 3 cs bewirkt, damit es kurz darauf vor dem Nullwerden der vierten Hochstromhalbwelle im Zeitpunkt t. über die Funkenstrecken F'1, F, den Zündstrom 4 auslöst, der sich dann in der gezeigten Weise dem Hochstrom überlagert und seine Wiederzündung bewirkt. Infolge der grösseren Entfernung der Schaltkontakte voneinander hat sich in der fünften Halbwelle die Lichtbogenspannung vergrössert.
Gegen Ende dieser Halbwelle wird der Prüfspannungskreis zugeschaltet. Es sei jedoch angenommen, dass der Prüfschalter wieder zündet, trotzdem sich die Kontakte in der optimalen Löschstellung befinden.
Die Lichtbogenzeit des Schalters muss noch über eine weitere Halbwelle verlängert werden. Von dem Steuergerät V ist inzwischen das Steuergerät St2 entsperrt worden, das nun am Ende der fünften Halbwelle zur Zeit t4 einen Zündimpuls auslöst, der zu einem Zündstrom über die Funkenstrecken F2, F'2 führt. Dieser Strom hat eine sechste Halbwelle des Hochstromes zur Folge. Mit dem Ansprechen des Steuergerätes St2 war wiederum die Sperrung des Steuergerätes St aufgehoben worden, das nunmehr am Ende der sechsten Hochstromhalbwelle im Zeitpunkt t5 den zum zweiten Mal aufgeladenen Hochspannungskreis nochmals auslöst.
Die Hochspannung treibt einen Strom i8 über den Schalter Sp, bei dessen Nullwerden dann die treibende Spannung als Prüfspannung uw am Prüfschalter einschwingt. Falls keine neue Zündung des Prüfschalters eintritt, ist damit die Prüfung erfolgreich abgeschlossen.
Die Fig. 3 zeigt einen vergrösserten Ausschnitt des Stromdiagrammes nach Fig. 2 zum Zeitpunkt t3.
Man erkennt hieraus deutlicher die Überlagerung des Zündstromes 4 mit dem Hochstrom k In das Stromdiagramm ist noch der Strom i1 der Hilfszündeinrichtung an der Schaltfunkenstrecke F, oder F2 eingetragen. Dieser Strom setzt sich aus einem sinusförmig und einem exponentiell verlaufenden Teil zusammen, die beide zusammen einen steilen Stromeinsatz ergeben. Der exponentielle Teil rührt von der zusätzlichen Entladung eines Kondensators her, wie weiter unten ausgeführt ist.
Ein schematisch gehaltenes Ausführungsbeispiel für die Ausbildung der Schaltfunkenstrecke F1 oder F2 zeigt die Fig. 4 in einem Schnitt. In einer düsenförmigen Hülle A, die die eine Hauptelektrode bildet, befindet sich eine rohrförmige zweite Hauptelektrode B. Ein Stift C dient als Hilfselektrode im Zusammenwirken mit der Hauptelektrode B. Durch einen Hilfsfunken b wird ein Überschlag zwischen den Elektroden B und A erzielt. Damit der Zündstrom 4 nicht länger als notwendig fliesst, werden diese Elektroden gemäss den eingezeichneten Pfeilen beblasen, wodurch die Löschung des Zündstromes bei seinem Nulldurchgang zum gewünschten Zeitpunkt bewirkt werden kann.
An die Elektrode A ist über die Zünddrossel Lz der eine Pol des Zündkondensators Cz angeschlossen, während sein anderer Pol mit der Elektrode B verbunden ist. In dem umrandeten Teil sind die in den Steuergeräten Stl und St2 befindlichen Schaltelemente enthalten. Sie umfassen einen Zündtransformator ZT, eine Zünddrossel 4, einen trägheitslos steuerbaren Schalter s und einen aufgeladenen Zündkondensator cz.
Der von dem Gerät V freigegebene Zündimpuls u,, ruft zunächst über den Zündtransformator ZT einen schwächeren Hilfsfunken zwischen den Elektroden B und C hervor und bewirkt gleichzeitig die Schliessung des Schalters s. Dadurch überlagert sich dem schwachen Hilfsfunken sofort ein stärkerer Strom 4, den die Spannung uz2 des Kondensators cz über die Drossel 4 treibt. Dieser Strom leitet durch seinen Lichtbogen b den Überschlag zwischen den Hauptelektroden A und B ein. Zur Verbesserung der Hilfszündung kann dem Strom ih noch ein exponentiell verlaufender Strom aus einem sich entladenden Kondensator überlagert sein.
Dieser zusätzliche Kreis liegt parallel zum Kondensator Cz dem Schalter s und der Drossel 4 und wird zugleich mit dem Kondensator cz eingeschaltet.
Während das Schaltbild nach Fig. 1 eine Prüfanordnung für die Fortzündung von zwei Hochstromhalbwellen wiedergibt, zeigt Fig. 5 ein Teilschaltbild einer Einrichtung, die für die wirtschaftliche Fort zündung einer grösseren Anzahl von Hochstromhalbwellen geeignet ist.
In dieser Figur bedeuten Lb2 wieder die Schutzdrossel, S,, und Sp den Hilfs- bzw. Prüfschalter, W einen Stromwandler und St, ein Steuergerät.
Zwischen der Klemme a und Erde wird die Prüfspannung angelegt. Lz ist die Zünddrossel und F5 eine steuerbare Schaltfunkenstrecke, die so ausgebildet ist, dass sie den Zündstrom nach zwei Halbwellen löscht. Cz ist der Zündkondensator, R5 ein Widerstand und T5 ein Transformator, dessen Primärwicklung an dem Hochstromgenerator angeschlossen ist, so dass die Primärspannung synchron mit dem Hoch strom schwingt. Ausserdem ist die Sekundärwicklung mit dem Widerstand R5 und dem Kondensator Cz so abgestimmt, dass die Spannung U, am Kondensator Cz um 909 gegen den Hochstrom phasenverschoben wird.
Kurz vor dem Nulldurchgang des Hoch stromes ik (siehe Fig. 6) wird durch Ansprechen des Steuergerätes St5 über den Wandler W die Funkenstrecke F5 gezündet. Dadurch kann die Spannung Uz den Zündstrom iz über den Zünd-Schwingungskreis treiben. Der Strom iz überlagert sich dem Hochstrom ik.
Beim Nullwerden des Stromes iz tritt eine hohe Spannung an den Schaltern Sl, und Sp auf, so dass eine Wiederzündung des Hochstromlichtbogens erfolgt. Dadurch, dass die Funkenstrecke F5 zwei Halbwellen des Stromes iz durchlässt, geht die Spannung an dem Kondensator Cz wieder in eine stationäre Spannung über, so dass am Ende der zweiten Hochstromhalbwelle der inzwischen umgeladene Kondensator Cz erneut für die Zündung einer weiteren Hochstromhalbwelle bereitsteht.
Eine weitere Möglichkeit zur Erzeugung einer Impulsreihe zeigt die Fig. 7. Hier ist in den Hochstromkreis mit dem Hilfsschalter 5', und dem Prüfschalter Sp eine mittelfrequente Hochspannungsquelle MG über einen Transformator T8 eingeschaltet. Die Frequenz dieser Energiequelle beträgt zweckmässig etwa 10 kHz. Durch ein vom Wandler W gesteuertes Gerät St8 wird dafür gesorgt, dass im gewünschten Augenblick vor dem Nulldurchgang des Hochstromes der mittelfrequente Zündstrom mit der jeweils rich- tigen Polarität eingeschaltet wird. Dieser Zündstrom erzeugt im Verein mit der bei seinem Nullwerden auftretenden hohen Spannung eine Wiederzündung der Schaltstrecken Sl, und Sp.