DE10218806A1 - Verfahren zur Abschaltung von Gleichströmen und Gleichstrom-Schnellschalteinrichtung für Bahnstromversorgungen - Google Patents

Abstract

Bei Gleichstromschalteinrichtungen wird parallel zur metallischen Schaltstrecke ein Kommutierungsthyristor angeordnet, in den der zu schaltende Strom aus dem Lastkreis kommutiert und danach durch Löschen des Thyristors der Stromfluss unterbrochen wird. Der Nachteil dieser Einrichtung besteht darin, dass eine Vielzahl von schnellen und hochbelastbaren Bauelementen erforderlich ist, wodurch diese Einrichtung sehr teuer ist. DOLLAR A Bei der erfindungsgemäßen Einrichtung ist parallel zur Schaltstrecke ein Löschzweig, bestehend aus einem Löschkondensator und einem Löschthyristor angeordnet. Beim Zünden des Löschthyristors entlädt sich der Löschkondensator über die Schaltstrecke. Die Entladung des Löschkondensators erfolgt in Form eines Umschwingvorgangs, wobei sich der Löschstrom dem über der Schaltstrecke fließenden Gleichstrom überlagert. Bei entsprechender Dimensionierung des Löschkreises weist der Löschstrom einen derartigen Verlauf und eine Größe auf, dass durch die Überlagerung des Betriebsstromes und des Löschstromes der resultierende Schalterstrom zu einem bestimmten Zeitpunkt den Wert "Null" erreicht. Der Zeitpunkt, zu dem der Löschthyristor gezündet wird, wird unter Berücksichtigung der mechanischen Schaltzeiten des Schaltgerätes und in Abhängigkeit des zu schaltenden Stromes so gewählt, dass dieser "Nullwert" des resultierenden Schalterstromes zu einem Zeitpunkt erreicht wird, zu dem die Durchschlagsfestigkeit der Schaltstrecke gewährleistet ist, so dass der Gleichstrom ...

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Abschaltung eines Gleichstromes in einem Gleichrichter-Unterwerk für eine Gleichstrom- Bahnstromversorgung unter Verwendung eines Vakuumschalters und eines Löschkreises.
• Zur Gewährleistung eines störungsfreien und sicheren Betriebs elektrischer Bahnen ist es erforderlich, dass bei ungewollten Betriebszuständen bzw. Havarien die Stromversorgung des gestörten Abgangs schnell und zuverlässig vom Gleichstromnetz getrennt wird. Da ein Gleichstrom durch herkömmliche Schaltgeräte mit metallischen Schaltkontakten schwer abgeschaltet werden kann, wurden in der Vergangenheit verschiedene Lösungen, die eine Kombination aus einer metallischen Schaltstrecke und einer Halbleiter-Schaltstrecke darstellen, sogenannte Hybridschalter, vorgeschlagen und eingesetzt. Hierbei wird grundsätzlich parallel zur metallischen Schaltstrecke, die vorzugsweise durch einen Vakuumschalter realisiert wurde, eine Kommutierungsstrecke mit Thyristoren angeordnet. Bei diesen Schalteinrichtungen wird zeitgleich mit dem Öffnungsbefehl für den Vakuumschalter ein Thyristor im Kommutierungszweig gezündet, so dass der zu schaltende Strom aus dem Lastkreis in den Kommutierungszweig kommutiert und danach durch Löschen der Thyristoren vollständig unterbrochen wird.
• Der Nachteil der bekannten Hybridschalter, wie sie in der DE 37 35 009 A1 bzw. in der EP 0 184 566 beschrieben sind, besteht darin, dass der eingesetzte Kondensator zeitgleich, in einem Schaltzustand, sowohl Antriebs- als auch Löschkondensator ist und zudem die Kapazität durch die Brückenschaltung (beide Stromrichtungen für den metallischen Kontakt) kurzgeschlossen ist.
• In der DE 44 47 439 ist ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung für eine Kommutierungs- und Löscheinrichtung eines Schnellunterbrechers beschrieben, bei der zeitgleich mit dem Schaltbefehl für den Schnellunterbrecher Zündimpulse für zwei Schaltthyristoren im Kommutierungszweig ausgelöst werden, wodurch sich der Kondensator über die Antriebsspulen des Schnellunterbrechers entlädt und die Kontaktöffnung bewirkt. Gleichzeitig kommutiert der Strom in den Kommutierungszweig. Zu einem späteren Zeitpunkt werden zwei Ladethyristoren gezündet, wodurch der Kondensator umgeladen wird und die volle Kondensatorspannung die beiden Schaltthyristoren im Kommutierungszweig löscht.
• Der Nachteil dieser Einrichtung besteht insbesondere darin, dass eine Vielzahl von schnellen und hochbelastbaren Bauelementen, insbesondere Thyristoren erforderlich ist, wodurch diese Einrichtung sehr teuer ist. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass bei diesen Einrichtungen zu einer von den Anwendern geforderten galvanischen Trennung der Strecke von der Sammelschiene eine zusätzliche Trennstelle vorgesehen werden musste.
• Die Aufgabe besteht darin, ein Verfahren und eine Gleichstrom- Schnellschalteinrichtung für Bahnstromversorgungen anzugeben, die eine zuverlässige und schnelle Abschaltung des Betriebsstromes bzw. von Kurzschlußströmen bei gleichzeitiger galvanischer Trennung der Strecke von der Sammelschiene des Gleichrichter-Unterwerks gewährleisten und mit preiswerten Bauelementen realisierbar ist.
• Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren und eine Gleichstrom-Schnellschalteinrichtung mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 und 9 gelöst. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Abschaltung eines Gleichstromes, bei dem eine Einrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 verwendet wird, wird der Abschaltvorgang durch das Öffnen des metallischen Kontakts eines Schaltgerätes, das vorzugsweise ein Vakuumschalter ist, eingeleitet. Dabei bildet sich in der Vakuumschaltkammer über der Schaltstrecke ein Lichtbogen aus. Ein parallel zur Schaltstrecke angeordneter Löschkondensator wird zur Gewährleistung der Betriebsbereitschaft der Schnellschalteinrichtung zwischen den Entladevorgängen ständig aufgeladen. Zu einem definierten Zeitpunkt wird ein Löschthyristor gezündet, wodurch sich der Löschkondensator über die Schaltstrecke des Schaltgerätes entlädt. Durch die im Löschkreis vorhandenen Induktivitäten erfolgt die Entladung des Löschkondensators in Form eines "schwingenden" Wechselstroms/Umschwingvorganges, wobei sich dieser Strom dem über der Schaltstrecke fließenden Gleichstrom überlagert. Bei einer entsprechenden Dimensionierung des Löschkreises, insbesondere des Löschkondensators, wird der Löschstrom/Umschwingstrom einen derartigen Verlauf und eine Größe aufweisen, dass durch die Überlagerung des Betriebsstromes (von der Sammelschiene) und des Löschstromes/Umschwingstromes (vom Kondensator), der resultierende Strom, der über die Schaltstrecke fließende Schalterstrom, zu einem bestimmten Zeitpunkt den Wert "Null" erreicht. Der definierte Zeitpunkt, zu dem der Löschthyristor gezündet wird, wird unter Berücksichtigung der mechanischen Schaltzeiten des Schaltgerätes und in Abhängigkeit des zu schaltenden Stromes so gewählt, dass dieser "Nullwert" des resultierenden Schalterstromes zu einem Zeitpunkt erfolgt, zu dem die Durchschlagsfestigkeit der Schaltstrecke im Schaltgerät gewährleistet ist. Damit die Anlagenbelastung möglichst gering gehalten wird, soll der "Nullwert" des resultierenden Stromes aber zu einem möglichst frühen Zeitpunkt auftreten, also unmittelbar bzw. möglichst frühzeitig nachdem die Schaltstrecke die Durchschlagsfestigkeit erreicht hat. Bei Einhaltung der Voraussetzung, dass der "Nullwert" des resultierenden Stromes zu einem Zeitpunkt auftritt, wenn die Kontakte des Schaltgerätes bereits einen entsprechenden Abstand voneinander haben, dass die nun vorhandene Durchschlagsfestigkeit der Schaltstrecke ein Wiederzünden des Lichtbogens bei der anliegenden Schalterspannung verhindert, ist der Gleichstrom abgeschaltet.
• Der Löschkondensator wird vor jedem Entladevorgang so aufgeladen, dass mit Zünden des ersten Löschthyristors der Löschstrom des Löschkondensator beim ersten Umschwingen entgegen der Vorzugsrichtung des Betriebsstromes über die Schaltstrecke fließt, so dass beim Schalten von Vorwärtsströmen bereits beim ersten Umschwingvorgang ein "Nullwert" des resultierenden Schalterstromes über der Schaltstrecke auftritt.
• Nach dem Zündimpuls für den ersten Löschthyristor wird in jedem Fall zeitlich versetzt, in Abhängigkeit vom zeitlichen Verlauf des Umschwingvorganges des Löschstromes, bevor der Löschstrom am Ende des ersten Umladevorganges den Wert "Null" erreicht, der Zündimpuls für den zweiten Löschthyristor gegeben. Dadurch wird der zweite Umladevorgang des Löschkondensators, jetzt mit umgekehrter Stromrichtung, eingeleitet, sofern zu diesem Zeitpunkt nicht bereits der zu schaltende Betriebsstrom abgeschaltet ist.
• Durch das Steuergerät wird bei Erreichen eingestellter Grenzwerte des Betriebsstromes der Abschaltvorgang selbsttätig ausgelöst.
• Weitere vorzugsweise Ausgestaltungen des Verfahrens können den Unteransprüchen 2 bis 9 entnommen werden.
• Die Gleichstrom-Schnellschalteinrichtung für Bahnstromversorgungen wird charakterisiert durch die Merkmale des Patentanspruchs 9, wobei zwischen der Strecke und der Sammelschiene des Gleichrichter-Unterwerks ein Schaltgerät angeordnet ist. Parallel zu diesem Schaltgerät ist ein Löschkreis angeordnet, der aus einem Löschkondenstor besteht, der mit zwei antiparallel angeordneten Löschthyristoren und einer Induktivität in Reihe geschaltet ist. Zu dem Schaltgerät ist außerdem ein Prüfzweig parallel angeordnet. Der Prüfzweig besteht aus einer Reihenschaltung von einem Prüfthyristor, einem Strommessglied und einem Prüfwiderstand. Die Gleichstrom- Schnellschalteinrichtung weist außerdem einen Freilaufkreis auf, der für jede Stromrichtung jeweils einen Zweig aufweist, von der Sammelschiene zum Rückleiter bzw. von der Strecke zum Rückleiter, in denen jeweils zwei Freilaufdioden, die in Reihe geschaltet sind, angeordnet sind. Jeweils einer Freilaufdiode in jedem Zweig des Freilaufkreises ist parallel eine Sicherung mit Meldung angeordnet. Die Dimensionierung der Freilaufdiode und der Sicherung ist dabei so gewählt, dass jeweils nur ein geringer Teil des Freilaufstromes über die jeweilige Sicherung fließt, während der größte Teil des Freilaufstromes über die zur Sicherung parallel angeordnete Freilaufdiode fließt.
• Die erfindungsgemäße Schnellschalteinrichtung hat den Vorteil, dass sie mit preiswerten Bauelementen, insbesondere Thyristoren und Kondensatoren realisiert werden kann, da keine hohen Anforderungen an die Schaltgeschwindigkeit und die dynamischen Eigenschaften gestellt werden. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass mit dieser Schnellschalteinrichtung die galvanische Trennstrecke nicht durch Halbleiterbauelemente überbrückt wird, die infolge von Blitzüberspannungen eine unbeabsichtigte Stromführung übernehmen könnten. Somit gewährleistet diese Anordnung stets die Anlagensicherheit.
• Da bei Beginn des Abschaltvorgangs zwischen den Schaltkontakten des Schaltgerätes ein Lichtbogen ausgebildet wird, wird ständig die Schaltfestigkeit der Vakuumschaltkammer regeneriert.
• Durch den erfindungsgemäß ausgeführten Freilaufkreis ist stets gewährleistet, dass auch bei einer durch hohe Spannungsbelastung (z. B. Blitzschlag) ausgefallenen Freilaufdiode die Freilauffunktion erhalten bleibt und gleichzeitig der Defekt angezeigt wird.
• Zur Verarbeitung der ermittelten Betriebswerte und Ausgabe der Steuerbefehle ist eine an sich bekannte aber entsprechend der Verfahrensschritte speziell programmierte Steuerbaugruppe vorgesehen.
• Die Erfindung wird nachstehend an Hand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die zugehörigen Zeichnungen stellen dar:
• Fig. 1 Prinzipschaltung der Schnellschalteinrichtung
• Fig. 2 Stromverläufe und Zeitpunkte für Öffnung des Schaltgerätes und Zündung des Löschthyristors für große Ströme
• Fig. 3 Stromverläufe und Zeitpunkte für Öffnung des Schaltgerätes und Zündung des Löschthyristors für kleine Ströme
• Fig. 4 Stromverläufe und Zeitpunkte für Öffnung des Schaltgerätes und Zündung des Löschthyristors für Rückströme
• Die Fig. 1 zeigt die prinzipielle Schaltungsanordnung für die Schnellschalteinrichtung, wobei als Schaltgerät ein Vakuumschalter VS eingesetzt ist. Die Schnellschalteinrichtung ist über einen zweipoligen Trennschalter SBT einerseits mit der Sammelschiene SS der Bahnstromversorgung und andererseits mit der Strecke ST verbunden. Im abgeschalteten Zustand wird die Strecke mittels des zweipoligen Trennschalters SBT galvanisch von der Sammelschiene getrennt.
• Der Vakuumschalter VS ist zwischen Sammelschiene SS der Bahnstromversorgung und der Strecke ST angeordnet und dient einerseits dem Führen von Betriebsströmen, Last- oder Kurzschlussströmen in beiden Stromrichtungen und andererseits zur schnellen Herstellung einer galvanischen Trennstrecke. Der Antrieb des Vakuumschalters VS erfolgt mittels eines elektromagnetischen Antriebes.
• Im Strompfad des Vakuumschalters ist ein Stromerfassungsglied T angeordnet, welches die Betriebs- und Fehlerströme erfasst.
• Parallel zum Vakuumschalter VS ist ein Löschkreis zwischen Sammelschiene SS der Bahnstromversorgung und der Strecke ST angeordnet. Dieser Löschkreis besteht aus einem Löschkondensator LK, zwei mit diesem in Reihe liegenden antiparallel angeordnete Löschthyristoren LT1, LT2 und einer in Reihe geschalteten Induktivität L.
• Ein Prüfkreis ist ebenfalls parallel zum Vakuumschalter VS angeordnet, der vor der Wiederzuschaltung der Strecke diese auf ihren aktuellen Zustand überprüft. Der Prüfkreis besteht aus einer Reihenschaltung von einem Prüfthyristor Vp, einem Strommessglied Tp und einem Prüfwiderstand PW. Zur Streckenprüfung wird der Prüfthyristor Vp gezündet und mit dem Strommessglied Tp der durch den Prüfwiderstand PW fließende Strom erfasst.
• Vervollständigt wird die Schnellschalteinrichtung durch einen Freilaufkreis FK, der zwei Zweige aufweist, von denen einer zwischen der Sammelschiene SS der Bahnstromversorgung und dem Rückleiter RL und der andere zwischen der Strecke ST und dem Rückleiter RL angeordnet ist. Der Freilaufkreis FK gewährleistet, dass nach der Herstellung der galvanischen Trennstrecke im Vakuumschalter VS die in den Induktivitäten der Strecke vorhandene Energie durch Freilaufströme I_F schnell abgebaut wird. Dieser Freilaufkreis FK ist derart aufgebaut, dass für jeden Zweig, von der Sammelschiene SS zum Rückleiter RL bzw. von der Strecke ST zum Rückleiter RL, jeweils zwei in Reihe geschaltete Freilaufdioden FD1, FD2 bzw. FD3, FD4 angeordnet sind. Parallel zur jeweiligen mit der Sammelschiene SS bzw. bzw. mit der Strecke ST verbundenen Freilaufdiode FD1, FD4, ist jeweils eine Sicherung Si1, Si2 mit Meldung angeordnet. Die Sicherung Si1, Si2 ist so dimensioniert, dass der Spannungsabfall über der parallelen Freilaufdiode FD1, FD4 auch bei maximalem Freilaufstrom I_F den Spannungsabfall der Sicherung bei doppeltem Nennstrom nicht überschreitet. Dadurch wird gewährleistet, dass normalerweise nur ca. 0,1% bis 1% des Freilaufstromes I_F über die jeweilige Sicherung Si1 bzw. Si2 fließt. Der größte Teil des Freilaufstromes I_F fließt stets über die Freilaufdiode FD1 bzw. FD4.
• Die Steuerbaugruppe SG verarbeitet die erfassten Messwerte und gibt die entsprechenden Steuerbefehle an den Vakuumschalter VS sowie die Löschthyristoren LT1, LT2 aus. Durch die Auswertung des Stromsignals vom Stromerfassungsglied T und der Stromanstiegsgeschwindigkeit wird entsprechend der eingestellten Grenzwerte der Öffnungsvorgang des Vakuumschalters VS selbsttätig eingeleitet. In Abhängigkeit vom zu schaltenden Betriebsstrom I_B, der Dimensionierung des Löschkreises, insbesondere der Kapazität des Löschkondensators LK und der Induktivität L, erfolgt die zeitoptimierte Ansteuerung der Löschthyristoren LT1, LT2. Durch die Steuerbaugruppe SG wird auch die Streckenprüfung durchgeführt, bei der unter Einbeziehung der aktuellen Abgangsspannung die Berechnung des Streckenwiderstandes erfolgt. Eine Zuschaltung der Strecke ST ist nur möglich, wenn der bei der Streckenprüfung ermittelte Streckenwiderstand größer als der vorgegebene Grenzwert ist.
• Die Sicherungsüberwachung der Sicherungen Si1, Si2 des Freilaufkreises FK erfolgt auch durch die Steuerbaugruppe SG, die auch weitere sicherheitsrelevante Größen, wie beispielsweise die Ladespannung des Löschkondensators LK überwacht.
• Nachfolgend soll das erfindungsgemäße Verfahren zur Abschaltung von Betriebs- oder Fehlerströmen mit der zuvor beschriebenen Einrichtung gem. Fig. 1 näher an Hand von drei typischen/kritischen Betriebszuständen beschrieben werden. Dazu werden auch die Stromverläufe gem. der Fig. 2 bis Fig. 4 herangezogen.
• In Fig. 2 ist ein erstes Beispiel gewählt, bei dem ein auftretender Kurzschlussstrom I_K in Vorzugsrichtung abgeschaltet werden soll, d. h. ein Kurzschluss auf der Strecke ST wird durch die Bahnstromversorgung über die Sammelschiene SS gespeist. Der ansteigende Kurzschlussstrom I_K wird durch das Stromerfassungsglied T im Strompfad des Vakuumschalters VS erfasst. Bei Erreichen eines einstellbaren Betriebsstromes von beispielsweise 4 kA wird zum Zeitpunkt t₁ der Ausschaltbefehl für den Vakuumschalter VS gegeben und der Antrieb beginnt die Kontakte des Vakuumschalters VS nach ca. 0,3 ms zum Zeitpunkt t₂ zu öffnen. Die Kontaktöffnung verläuft über den Kontaktweg KW gleichmäßig, der maximale Kontaktabstand beträgt 2 mm. Der Kurzschlussstrom I_K fließt über den sich beim Abheben des Kontaktes innerhalb der Vakuumkammer ausbildenden Schaltlichtbogen weiter. Um den Schaltlichtbogen zwischen den Kontakten des Vakuumschalters VS zu löschen, muss der fließende Strom den Wert "Null" annehmen, da der verwendete Vakuumschalter nicht in der Lage ist, einen fließenden Kurzschlussstrom abzuschalten. Um dies zu erreichen wird zum Zeitpunkt t₃ der Steuerbefehl zum Zünden des Löschthyristors LT1 gegeben. Dadurch wird die im Löschkondensator LK gespeicherte Energie freigegeben, es fließt ein Löschstrom I_L vom Löschkondensator LK über die Schaltstrecke des Vakuumschalters VS entgegen der Stromrichtung des Kurzschlussstromes I_K. Da sich in diesem Löschkreis Induktivitäten befinden, weist der Löschstrom I_L die Form eines schwingenden Wechselstromes auf. Auf Grund des gewählten Maßstabes ist in der Fig. 2 nicht der gesamte Verlauf des Löschstromes I_L dargestellt, sondern lediglich der Ausschnitt, der für die Löschung des Lichtbogens relevant ist. Die beiden Ströme, der Kurzschlussstrom I_K und der Löschstrom I_L überlagern sich im Strompfad des Vakuumschalters VS und damit über der Schaltstrecke zum resultierenden Schalterstrom I_S. Zum Zeitpunkt t₄ weisen die beiden Ströme, der Kurzschlussstrom I_K und der Löschstrom I_L jeweils einen solchen Wert auf, so dass der resultierende Schalterstrom I_S den Wert "Null" erreicht. Zu diesem Zeitpunkt t₄ erlischt somit auch der Schaltlichtbogen zwischen den Kontakten des Vakuumschalters VS. Mit dem Erlöschen des Schaltlichtbogens steht über der Schaltstrecke die momentan vorhandene Spannung des Löschkondensators LK an. Übersteigt diese Spannung die zu diesem Zeitpunkt t₄ bestehende Durchschlagsfestigkeit der Schaltstrecke nicht, zündet der Lichtbogen nicht wieder und der Kurzschlussstrom I_K ist abgeschaltet. Ist dagegen zu diesem Zeitpunkt t₄, wie im gewählten Beispiel (der Kontaktabstand beträgt ca. 0,2 mm) die Durchschlagsfestigkeit der Schaltstrecke des Vakuumschalters VS noch nicht gegeben, kommt es zu einer Wiederzündung des Lichtbogens und der Kurzschlussstrom I_K fließt weiter über die Schaltstrecke. Der Löschstrom I_L vom Löschkondensator LK fließt ebenfalls weiter über die Schaltstrecke des Vakuumschalters VS entgegen der Stromrichtung des Kurzschlussstromes I_K. Da der Löschstrom I_L einer Sinushalbwelle entspricht, weist der resultierende Schalterstrom I_S zum Zeitpunkt t₅ zum zweiten Mal den Wert "Null" auf. Zu diesem Zeitpunkt erlischt der Lichtbogen über der Schaltstrecke des Vakuumschalters VS (der Kontaktabstand beträgt nun ca. 1 mm), da jetzt die die erforderliche Durchschlagsfestigkeit besteht, kann kein Lichtbogen wieder gezündet werden. Somit ist der Kurzschlussstrom I_K endgültig abgeschaltet. Die noch im Streckennetz vorhandene Energie wird durch einen fließenden Freilaufstrom I_F über den entsprechenden Zweig des Freilaufkreises FK, die Freilaufdioden FD3, FD4 in Richtung auf den Rückleiter RL abgebaut.
• Da die Dimensionierung des Löschkreises bekannt ist, kann auch für jeden zu schaltenden Kurzschlussstrom I_K der Löschstrom I_L und somit auch der resultierende Schalterstrom I_S in Abhängigkeit vom Zündzeitpunkt t₃ des Löschkondensators LK ermittelt werden. Der definierte Zeitpunkt t₃ zum Zünden des Löschthyristors LT1 ist so gewählt, dass das Maximum des schwingenden Löschstromes I_L in jedem Falle größer ist als der zu diesem Zeitpunkt fließende Kurzschlussstrom I_K. Dadurch wird gewährleistet, dass der resultierende Schalterstrom I_S zweimal den Wert "Null" aufweist. Spätestens zum Zeitpunkt t₅, wenn der resultierende Schalterstrom I_S zum zweiten Mal den Wert "Null" aufweist, hat die Schaltstrecke die erforderliche Durchschlagsfestigkeit. Da die beiden "Nullwerte" des Schalterstromes I_S bei t₄ und t₅ einen zeitlichen Abstand von maximal 0,6 ms aufweisen, ist die Anlagenbelastung durch ein Abschalten des Kurzschlussstromes I_K erst beim zweiten "Nullwert" durchaus zu vertreten.
• In einem weiteren Beispiel gem. Fig. 3 soll ein kleiner Betriebsstrom I_B abgeschaltet werden. Beim Abschalten kleiner Ströme besteht die Möglichkeit, dass der Lichtbogen im sich öffnenden Kontakt selbsttätig vor der Einleitung des Löschvorganges abreißt. Dies könnte durch die im Kreis befindlichen Induktivitäten zu einer hohen Spannungsbelastung der Anlage führen, darüber hinaus würde dann mit Zünden des Löschthyristors LT1 über der Trennstrecke zusätzlich die Kondensatorspannung anstehen. Damit würde über der Trennstrecke bis zum Umladen des Löschkondensators LK über die Strecke ST eine im Betrag der Addition von Sammelschienenspannung und Kondensatorspannung entsprechende Spannung anliegen. Um dies zu verhindern wird der Zündimpuls zum Zünden des Löschthyristors LT1 im Zeitpunkt t₃ bereits vor dem Zeitpunkt t₂, dem Beginn der Kontaktöffnung gegeben, so dass keine galvanische Trennstrecke im Vakuumschalter VS entstehen kann. Somit erfolgt eine definierte Umladung des Löschkondensators LK über die noch geschlossene Kontaktstrecke bzw. den sich ausbildenden Lichtbogen zwischen den Kontakten des Vakuumschalters VS und die Überspannung wird vermieden. Zum Abschalten eines kleinen Betriebsstromes wird zum Zeitpunkt t₁ der Ausschaltbefehl für den Vakuumschalter VS gegeben und der Antrieb beginnt die Kontakte des Vakuumschalters VS zum Zeitpunkt t₂ zu öffnen, wobei der Löschstrom I_L vom Löschkondensator LK bereits fließt. Analog zum vorigen Beispiel fließt der Löschstrom I_L vom Löschkondensator LK ebenfalls in entgegengesetzter Richtung zum Betriebsstrom I_B durch die Schaltstrecke des Vakuumschalters VS. Da in diesem Fall der erste "Nullwert" zum Zeitpunkt t₄ erreicht wird, der vor dem Zeitpunkt t₂ liegt, d. h. die Kontaktöffnung hat noch nicht begonnen, ist die Schaltstrecke noch leitend. Daraus folgt, dass der Lichtbogen erst zum Zeitpunkt t₅, die Durchschlagsfestigkeit der Schaltstrecke ist jetzt auch gewährleistet, beim Erreichen des zweiten "Nullwertes" des Schalterstromes I_S erlischt und der Betriebsstrom I_B abgeschaltet ist. Jetzt beginnt der Freilaufstrom I_F zu fließen.
• In einem dritten Beispiel gem. Fig. 4 soll ein Rückstrom I_R, der von der Strecke ST zur Sammelschiene SS fließt, abgeschaltet werden. Da in diesem Fall ein Strom abgeschaltet werden soll, der entgegen der "Vorzugsrichtung" fließt, wird auch in diesem Fall der Löschthyristor LT1, wiederum zu einem anderen Zeitpunkt gezündet, wodurch ein "Nullwert" des Schalterstromes I_S zu einem möglichst frühen Zeitpunkt nach Bestehen der Durchschlagsfestigkeit der Schaltstrecke erreicht wird.
• In diesem Fall wird der Zündimpuls im Zeitpunkt t₃ für den Löschthyristor LT1 sofort nach dem Zeitpunkt t₁, dem Ausschaltbefehl für den Vakuumschalter VS gegeben. Damit erfolgt ein definiertes Umladen des Löschkondensators LK über den geschlossenen Kontakt des Vakuumschalters VS. Der Löschstrom I_L des Löschkondensators LK und der Rückstrom I_R haben im Vakuumschalter VS für den Zeitraum zwischen den Zeitpunkten t₃ und t₇, der Zeitdauer des ersten Umschwingvorganges, die gleiche Stromrichtung und addieren sich. Dadurch ergibt sich beim ersten Stromanstieg des Löschstromes I_L kein "Nullwert" des resultierenden Schalterstromes I_S.
• Zum Zeitpunkt t₆ wird der Zündimpuls für den zweiten Löschthyristor LT2 gegeben, wodurch zum Zeitpunkt t₇ der zweite Umladevorgang des Löschkondensators LK eingeleitet wird. Nun weisen die beiden Ströme, der Löschstrom I_L und der Rückstrom I_R unterschiedliche Stromrichtungen auf, wodurch der Schalterstrom I_S zum Zeitpunkt t₄ den Wert "Null" erreicht. Zu diesem Zeitpunkt weist die Schaltstrecke des Vakuumschalters VS die erforderliche Durchschlagsfestigkeit auf, so dass der zwischen den Kontakten des Vakuumschalters VS stehende Lichtbogen gelöscht wird und der Rückstrom ist abgeschaltet. Der Freilaufstrom I_F beginnt zu fließen.
• Die drei zuvor beschriebenen Beispiele entsprechen typischen/kritischen Betriebsströmen, die durch die Gleichstrom-Schnellschalteinrichtung abgeschaltet werden sollen. Entsprechend der Dimensionierung insbesondere des Löschkreises und des verwendeten Vakuumschalters VS können die Zeitpunkte t₁ bis t₇ in der Steuerbaugruppe SG vordefiniert werden.
• Damit auch in außergewöhnlichen Situationen ein fließender Gleichstrom sicher und zuverlässig abgeschaltet wird, kann vorgesehen werden, dass die Löschthyristoren LT1, LT2 wiederholt gezündet werden, so dass die Entladung des Löschkondensators LK analog der zuvor beschriebenen Verfahrensschritte wiederholt wird. Da spätestens bei Erreichen eines dritten "Nullwertes" des Schalterstromes I_S die Durchschlagsfetigkeit gewährleistet ist, kommt es dann nicht zum Wiederzünden eines Lichtbogens über der Schaltstrecke und der zu schaltende Betriebsstrom ist auch spätestens zu diesem Zeitpunkt abgeschaltet.
• Abschließend soll die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Freilaufkreises näher erläutert werden. Der Freilaufkreis FK gewährleistet, dass nach der Herstellung der galvanischen Trennstrecke die in den Induktivitäten der Strecke ST vorhandene Energie, durch die fließenden Freilaufströme I_F in der einen oder der anderen Richtung, abgebaut wird. Dieser Freilaufkreis FK ist derart aufgebaut, dass er für jede Stromrichtung einen Zweig, von der Sammelschiene SS zum Rückleiter RL bzw. von der Strecke ST zum Rückleiter RL aufweist. In jedem Zweig sind zwei Freilaufdioden FD1, FD2 bzw. FD3, FD4 in Reihe geschaltet. Jeweils einer Freilaufdiode FD1, FD4, ist eine Sicherung Si1, Si2 mit Meldung parallel geschaltet, wobei der größte Teil des Freilaufstromes I_F stets über die Freilaufdiode FD1 bzw. FD4 fließt. Durch auftretende sehr hohe Spannungsbelastungen, wie beispielsweise Blitzüberspannungen, werden nur die jeweils nicht beschalteten Freilaufdioden FD2, FD3 beansprucht. Dadurch können sie ihre Sperrfähigkeit verlieren. Da die beiden anderen Freilaufdioden FD1, FD4 durch die jeweilige Sicherung Si1, Si2 quasi kurzgeschlossen sind, werden sie durch die Überspannung nicht beansprucht und bleiben funktionsfähig. Der Ausfall der Freilaufdiode FD2 bzw. FD3 hat einen Kurzschlussstrom über die Sicherung Si1 bzw. Si2 zur Folge, wodurch diese anspricht und diesen Kurzschlussstrom abschaltet. Nach dem Ansprechen der Sicherung Si1 bzw. Si2 ist der Freilaufkreis FK wegen der funktionsfähig gebliebenen Freilaufdioden FD1, FD4 wieder spannungsfest. Die jeweilige Sicherung Si1, Si2 meldet diesen Zustand an die Steuerbaugruppe SG. Somit bleibt der Freilaufkreis FK stets funktionstüchtig.

Claims (10)

1. Verfahren zur Abschaltung von Gleichströmen in einem Gleichrichter- Unterwerk für Bahnstromversorgungen mit einer Gleichstrom- Schnellschalteinrichtung unter Verwendung eines Schaltgerätes und eines parallel zur Schaftstrecke des Schaltgerätes angeordneten Löschkreises, bestehend aus einem Löschkondensator, der mit zwei antiparallel geschalteten Löschthyristoren und einer Induktivität in Reihe geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Abschaltvorgang durch einen Schaltbefehl zum Öffnen des metallischen Kontakts des Schaltgerätes (VS) zum Zeitpunkt (t₁) eingeleitet wird und zu einem definierten Zeitpunkt (t₃), der von Betrag und Richtung des zu schaltenden Betriebsstromes (I_B) abhängt, der erste Löschthyristor (LT1) und in Abhängigkeit vom zeitlichen Verlauf des Löschstromes (I_L) des Löschkondensators (LK) zeitlich verzögert, zum Zeitpunkt (t₆), der zweite Löschthyristor (LT2) gezündet wird, wodurch sich der Löschkondensator (LK) über die Schaltstrecke des Schaltgerätes (VS) entlädt, wobei durch die Überlagerung des Betriebsstromes (I_B), von der Sammelschiene (SS) und des Löschstromes (I_L) vom Löschkondensator (LK) zum resultierenden Schalterstrom (I_S) über der Schaltstrecke, bei einer entsprechenden Dimensionierung des Löschkreises, mindestens einmal der Schalterstrom (I_S) den Wert "Null" annimmt und der definierte Zeitpunkt (t₃) zum Zünden des Löschthyristors (LT1) so gewählt wird, dass ein "Nullwert" des Schalterstromes (I_S) zu einem Zeitpunkt (t₄, t₅) erreicht wird, bei welchem die Durchschlagsfestigkeit der Schaltstrecke im Schaltgerät (VS) gewährleistet ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Löschkondensator (LK) stets so vorgeladen ist, dass mit Zünden des ersten Löschthyristors (LT1) der Löschstrom (I_L) des Löschkondensator (LK) beim ersten Umschwingen entgegen der Vorzugsrichtung des Betriebsstromes (I_B) fließt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Abschaltung eines in der Vorzugsrichtung fließenden großen Betriebsstromes (I_B), insbesondere eines Kurzschlussstromes (I_K), bei Erreichen eines einstellbaren Grenzwertes zum Zeitpunkt (t₁) der Ausschaltbefehl für das Schaltgerät (VS) gegeben wird, danach zum Zeitpunkt (t₃) der Steuerbefehl zum Zünden des Löschthyristors (LT1) gegeben wird, wodurch der Löschstrom (I_L) über die Schaltstrecke des Schaltgerätes (VS) entgegen der Stromrichtung des Kurzschlussstromes (I_K) fließt und der Schalterstrom (I_S) zu den Zeitpunkten (t₄, t₅) jeweils den Wert "Null" erreicht, und bei Bestehen der Durchschlagsfestigkeit der Schaltstrecke zu einem der beiden Zeitpunkte (t₄, t₅) der Betriebsstrom (I_B) bzw. der Kurzschlussstrom (I_K) zu diesem Zeitpunkt abgeschaltet ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Abschaltung eines kleinen in der Vorzugsrichtung fließenden Betriebsstromes (I_B) zum Zeitpunkt t₁ der Ausschaltbefehl für das Schaltgerät VS gegeben und der Zündimpuls zum Zünden des Löschthyristors LT1 im Zeitpunkt t₃, vor dem Zeitpunkt t₂, dem Beginn der Kontaktöffnung, gegeben wird, so dass eine definierte Umladung des Löschkondensators LK über die noch geschlossene Kontaktstrecke bzw. den sich ausbildenden Lichtbogen zwischen den Kontakten des Schaltgerätes VS erfolgt, wobei der Löschstrom I_L vom Löschkondensator LK entgegengesetzt der Richtung des Betriebsstromes I_B über die Schaltstrecke des Schaltgerätes (VS) fließt und der Betriebsstrom (I_B) zum Zeitpunkt t₄ zum ersten mal den Wert "Null" erreicht zu dem die Schaltstrecke noch leitend ist und der Betriebsstrom (I_B) zum Zeitpunkt t₅ zum zweiten mal den Wert "Null" erreicht und da jetzt die Durchschlagsfestigkeit der Schaltstrecke gewährleistet ist, der Betriebsstrom I_B abgeschaltet ist.

5. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Abschaltung eines entgegen der Vorzugsrichtung fließenden Rückstromes (I_R) der Zündimpuls im Zeitpunkt (t₃) für den Löschthyristor (LT1) sofort nach dem Zeitpunkt (t₁), zu dem der Ausschaltbefehl für das Schaltgerät (VS) gegeben wird, wodurch ein definiertes Umladen des Löschkondensators (LK) über den noch geschlossenen Kontakt des Schaltgerät (VS) erfolgt und sich der Löschstrom (I_L) und der Rückstrom (I_R), da sie die gleiche Stromrichtung haben im Betrag addieren und zum Zeitpunkt (t₆) der Zündimpuls für den zweiten Löschthyristor (LT2) gegeben wird, wodurch der zweite Umladevorgang des Löschkondensators (LK) mit umgekehrter Stromrichtung eingeleitet wird und nun der Löschstrom (I_L) entgegen der Stromrichtung des Rückstromes (I_R) über die Schaltstrecke des Schaltgerätes (VS) fließt und somit der Schalterstrom (I_S) zum Zeitpunkt (t₄) den Wert "Null" aufweist, zu dem die Schaltstrecke des Schaltgerätes (VS) die erforderliche Durchschlagsfestigkeit aufweist, so dass der Rückstrom (I_R) abgeschaltet ist.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in jedem Fall zum Zeitpunkt (t₆), der durch den zeitlichen Verlauf des Umschwingvorganges des Löschstromes (I_L) bestimmt ist, der Zündimpuls für den zweiten Löschthyristor (LT2) gegeben wird, wodurch der zweite Umladevorgang des Löschkondensators (LK) mit umgekehrter Stromrichtung eingeleitet wird, sodass nun der Löschstrom (I_L) in der Vorzugsrichtung des Betriebsstromes (I_B) über die Schaltstrecke des Schaltgerätes (VS) fließt, sofern zu diesem Zeitpunkt nicht bereits der zu schaltende Betriebsstrom (I_B) abgeschaltet ist.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei Erreichen eingestellter Grenzwerte des Betriebsstromes (I_B) durch das Steuergerät (SG) der Abschaltvorgang selbsttätig ausgelöst wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Abschalten eines Betriebsstromes (I_B) unter extremen Bedingungen die Löschthyristoren (LT1, LT2) abwechselnd wiederholt gezündet werden, so dass sich der Löschkondensator (LK) mehrfach hintereinander über die Schaltstrecke des Schaltgerätes (VS) entlädt, bis bei Erreichen eines "Nullwertes" des Schalterstromes (I_S) die erforderliche Durchschlagsfestigkeit der Schaltstrecke gewährleistet ist und der Betriebsstrom (I_B) endgültig abgeschaltet ist.

9. Schnellschalteinrichtung zur Löschung eines Gleichstromes in einem Gleichrichter-Unterwerk für eine Gleichstrom-Bahnstromversorgung unter Verwendung eines Schnellunterbrechers und eines Löschkreises, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Strecke (ST) und der Sammelschiene (SS) des Gleichrichter-Unterwerks ein Schaltgerät (VS), das mit einem Stromerfassungsglied (T) in Reihe geschaltet ist, angeordnet ist, zu dem parallel ein Löschkreis, bestehend aus einem Löschkondenstor (LK) zu dem zwei antiparallel angeordnete Löschthyristoren (LT1, LT2) und eine Induktivität (L) in Reihe geschaltet sind, angeordnet ist und zu dem Schaltgerät (VS) ebenfalls parallel ein Prüfzweig angeordnet ist, der aus einer Reihenschaltung von einem Prüfthyristor (Vp), einem Strommessglied (Tp) und einem Prüfwiderstand (PW) besteht und weiterhin ein Freilaufkreis bestehend aus zwei Zweigen, von denen einer zwischen der Sammelschiene SS und dem Rückleiter RL und der andere zwischen der Strecke ST und dem Rückleiter RL angeordnet ist, die jeweils zwei in Reihe geschaltete Freilaufdioden FD1, FD2 bzw. FD3, FD4 aufweisen und parallel zur jeweiligen mit der Sammelschiene SS bzw. mit der Strecke ST verbundenen Freilaufdiode FD1, FD4, jeweils eine Sicherung Si1, Si2 mit Meldung angeordnet ist.

10. Schnellschalteinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Dimensionierung der Freilaufdiode (FD1, FD4) und der dazu parallel angeordneten Sicherung (Si1, Si2) dabei so gewählt ist, dass jeweils nur ein geringer Teil des Freilaufstromes (I_F) über die jeweilige Sicherung (Si1, Si2) fließt, während der größte Teil des Freilaufstromes (I_F) über die zu dieser Sicherung (Si1, Si2) parallel angeordnete Freilaufdiode (FD1, FD4) fließt.