DE1091206B

DE1091206B - Elektrischer Leistungsschalter zum Unterbrechen bzw. Begrenzen von Stroemen wechselnder Richtung

Info

Publication number: DE1091206B
Application number: DES42622A
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing Fritz Kesselring
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1953-03-25
Filing date: 1955-02-08
Publication date: 1960-10-20

Description

DEUTSCHES

Es ist bereits bekannt, mit Hilfe eines Impulsstromkreises, der insbesondere von einem Kondensator oder einer anderen Stromquelle gespeist wird und der parallel zum Hauptschalter liegt, künstliche .Stromnulldurchgänge im Hauptschalter zu erzeugen. Hierdurch wird die Lichtbogenlöschung wesentlich erleichtert. Durch Einfügen stromsperrender Mittel, wie Ventile, Schaltdrosseln u. dgl., in Reihe mit dem Hauptschalter kann zudem eine stromschwache Stufe erzeugt werden, wodurch der Hauptschalter sich lichtbogenfrei öffnen läßt. Anschließend fließt nur noch ein Reststrom über den nun in den Strompfad eingefügten Impulsstromkreis. Bei kapazitiven Impulsstromkreisen sinkt der Reststrom in Gleichstromnetzen auf Null ab, während er in Wechselstromnetzen im allgemeinen noch einige Prozent des Nennstromes beträgt. Anordnungen solcher Art sind für Gleichstromnetze, in denen die Stromrichtung nicht wechselt, durchaus geeignet, da der Kondensator immer auf gleiche Polarität aufgeladen und auch in gleichem Sinne entladen wird. Muß jedoch, wie es beispielsweise bei Parallelbetrieb von Gleichstromerzeugern der Fall sein kann, mit einer Umkehr der Stromrichtung gerechnet werden, so müßte sinngemäß entweder ein zweiter Kondensator entgegengesetzter Polarität zur Wirkung gelangen oder der vorhandene Kondensator umgepolt werden. Dies ist in noch viel ausgesprochenerem Maße bei Wechselstromschaltern notwendig, da hierbei die Stromrichtung in jeder Periode wechselt.

Es ist bereits vorgeschlagen worden, die Kondensatorspannung nach Größe und Richtung dem jeweiligen Momentanwert des abzuschaltenden Stromes anzupassen. Dies ist bei Gleichstromnetzen verhältnismäßig leicht möglich, da dort die kapazitive Blindleistung klein bleibt. Bei Wechselstromnetzen treten hingegen unter Umständen beträchtliche Blindleistungen auf. Es wurde daher zusätzlich vorgeschlagen, den Widerstand bzw. den Wellenwiderstand des Impulsstromkreises dem jeweiligen Momentanwert des abzuschaltenden Stromes anzupassen, wobei jedoch für die beiden Stromrichtungen getrennte Impulsstromkreise notwendig sind.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen elektrischen Leistungsschalter zum Unterbrechen bzw. Begrenzen von Strömen wechselnder Richtung, bei dem dem zu unterbrechenden bzw. zu begrenzenden Netzstrom ein entgegengesetzt gerichteter Impulsstrom überlagert wird. Sie besteht darin, daß der den Impulsstromkreis speisende Kondensator an eine Umschalteinrichtung in Form einer Viielfachfunkenstrecke angeschlossen ist, die anspricht, wenn der Momentanwert des Netzstromes vorgegebene, einstellbare positive bzw. negative Auslösewerte erreicht,

Elektrischer Leistungsschalter
zum Unterbrechen bzw. Begrenzen
von Strömen wechselnder Richtung

Anmelder:

Siemens-Schuckertwerke

Aktiengesellschaft,

Berlin und Erlangen,

Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Beanspruchte Priorität:
Schweiz vom 22. Februar 1954

Dr.-Ing. Fritz Kesselring, Zürich (Schweiz),
ist als Erfinder genannt worden

und daß zwei mit dem Netzstrom verkettete, entsprechend dem positiven und negativen Auslösewert entgegengesetzt vormagnetisierte Eisendrosseln vorhanden sind, deren Sekundärwicklung je mit zwei zugehörigen Zündelektroden in Verbindung stehen, so daß die Zündung der zwei jeweils zusammengehör enden Fttnkenstrecken in Abhängigkeit von der bei der Ummagnetisierung in der Sekundärwicklung erzeugten Spannung erfolgt, wodurch der Impulskondensator in der einen bzw. anderen Richtung entladen wird.

Es ist an sich bekannt, bei einem Vakuumschnellschalter mit einem Vakuumventil, dessen Lichtbogen durch einen dem Lichtbogenstrom entgegengesetzt gerichteten Stromstoß zum Erlöschen gebracht wird, einen Teil des abzuschaltenden Stromes die Primärwicklung eines Transformators durchfließen zu lassen, dessen Sekundärwicklung mit einem Kondensator und einem Dämpfungswiderstand über den zu löschenden Lichtbogen des Vakuumventil zu einem Schwingungskreis geschlossen ist, welcher bei schnellem Anstieg des Primärstromes angeregt wird und dadurch den Lichtbogen zum Erlöschen bringt. Es ist ferner bekannt, einen Verbraucher gegen Überlastung dadurch zu schützen, daß durch Zünden einer Funkenstrecke ein Nebenschluß parallel zum Verbraucher

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eingeschaltet wird, wobei die Zündung der Funkenstrecke vom Anstieg des Stromes abhängig ist.

Gegenüber diesen bekannten, auf die Anstiegsgeschwindigkeit -des Stromes ansprechenden AuslÖseainrichtungen hat die Auslösung in Abhängigkeit vom Momentanwert, wie sie durch die vorliegende Erfindung ermöglicht wird, große Vorteile. Die Erfahrung lehrt, daß insbesondere bei Schaltvorgängen große Stromänderungsgeschwindigkeiten auftreten, ohne daß der Strom dabei gefährliche Werte annimmt. Diese Auslösevorrichtungen bewirken daher unerwünschte Abschaltungen, wodurch der Betrieb stark beunruhigt wird. Zudem ist es nicht möglich, lediglich durch Auswahl nach der Stromsteilheit einen abnehmenden Vorwärtsstrom von einem ansteigenden Rückstrom zu unterscheiden. Die vorgeschlagene Anordnung mit zwei entsprechend vormagnetisierten Eisenkernen gestattet jedoch die Auslösung bei einem großen Momentanwert des Vorwärtsstromes und einem -kleinen Momentanwert des Rückstromes, obwohl die Steilheit des abnehmenden Vprwärtsstrpmes und die des nach dem Stromnulldurchgang ansteigenden Rückstromes genau gleich sind.

Das Wesen der Erfindung soll zunächst an Hand der Fig. 1 und 2, die die Abschaltbedingungen für Gleichstrom bzw. Wechselstrom wiedergeben, erläutert werden. In Fig. 1 bedeutet / einen positiven Gleichstrom; I_n ist der Nennstrom des Schalters, während +/_e den eingestellten positiven Höchstwert der Auslösestromstärke und —I_a die auf einen wesentlich kleineren Wert eingestellte negative Auslösestromstärke bedeutet. Im Zeitpunkt t₁ setzt ein Überstrom I_a ein; er erreicht im Punkte zur Zeit t₂ den Wert +/„, wodurch die Auslösung in der weiter unten erläuterten Weise erfolgt. Der Fall einer Stromumkehr ist gestrichelt eingezeichnet. Es beginnt der Strom J im Zeitpunkt t₃ (Punkt B) zu fallen, er wird im Zeitpunkt i₄ Null und erreicht zur Zeit i₅ den negativen Auslösewert —I_a (Punkt C), wodurch die Auslösung bewirkt wird. Es ist an sich auch möglich, die Unterbrechung bereits im Zeitpunkt t_i herbeizuführen, d. h. —I_a wäre dann praktisch Null oder hätte sogar einen kleinen positiven Wert +//. Man erkennt aus Fig. 1, daß es für die Auslösung durch einen Überstrom I_a gleichgültig ist, ob dieser durch eine Überlastung, einen Kurzschluß oder einen künstlichen Überstrom hervorgerufen wird, beispielsweise dadurch, daß parallel zur Belastung entsprechend dem Strom / noch eine Zusatzlast hinter dem Schalter kurzzeitig eingeschaltet wird. Immer erfolgt die Ausschaltung bei vorgegebenen Werten +I_a bzw. —Ta,. //, denen die Amplitude des Impulsstromes in einfacher Weise angepaßt werden kann. Insbesondere sollen z. B. bei einer Verkleinerung von ±/_a ^auch die zugehörigen Amplituden der Impulsstromstärken in entsprechendem Maße verringert werden.

Fig. 2 zeigt die entsprechenden Zusammenhänge für Wechselstrom. Es können Abschaltungen im Punkt D auftreten infolge eines Kurzschlusses mit positiver Stromrichtung oder im Punkt B infolge einer Überlastung. Im Punkt F ist der Fall einer Ausschaltung bei Kurzschluß mit negativer Stromrichtung dargestellt. Während in Fig. 1 angenommen wurde, daß die Auslösestromwerte +I_a bzw. —I_a ein für allemal fest eingestellt sind und eine willkürliche Ausschaltung durch Zusatzlast bewirkt wird, ist im Gegensatz dazu in Fig. 2 vorgesehen, daß die willkürliche Abschaltung durch Verringerung der Werte von +J₀ beispielsweise auf +// bzw. +//' erfolgt, wobei dann Ausschaltungen bei G bzw. H auftreten. In genau der gleichen Weise ist dies auf der negativen Seite der Fall; es treten dann Abschaltungen in G* bzw. H* auf.

In Fig. 3 ist eine beispielsweise Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Es bedeutet 1 eine Wechselstromquelle, 2 und 3 die Belastung, 4 den Hauptschalter mit den feststehenden Kontakten 5 und 6, der beweglichen Schaltbrücke 7 und der Ausschaltwicklung 8. 9 ist der Impulskondensator, der über die

ίο punktierten Zuleitungen und entsprechend hohe, nicht dargestellte Widerstände dauernd an einer ebenfalls nicht gezeichneten Ladeeinrichtung angeschlossen ist. 10 ist eine Mehrfachfunkenstrecke mit den Hauptelektroden 11, 12, 13 und 14, den Hilfselektroden 15, 16, 17 und 18. 19 und 20 sind zwei mit dem Hauptstrom / verkettete Eisenkerne, die eine möglichst rechteckförmige Magnetisierungskurve aufweisen. Sie sind mit Hilfe der Wicklungen 21 und 22 vormagnetisiert. 23 und 24 sind Sekundärspulen, von denen die Spule 23 mit den Hilfsfunkenstrecken 15 und 17, die Spule 24 mit den Hilfsfunkenstrecken 16 und 18 verbunden ist. 25 ist ein kleiner Leistungsschalter, der in der Lage ist, den über die Hilfsbelastung 26 fließenden Strom abzuschalten. Bei einem Wechselstrom I<CI_a werden weder der Ring 19 noch der Ring 20 infolge der eingestellten Vormagnetisierung ummagnetisiert. Es erhalten somit die Hilfsfunkenstrecken 15, 17 bzw. 16, 18 keine Spannung. Erreicht jedoch beispielsweise die positive Halbwelle des Stromes I einen Höchstwert, der größer ist als die eingestellte entgegengesetzt gerichtete Vormagnetisierung, so wird der Kern 19 ummagnetisiert, wobei in der Spule 23 eine hohe Spannung entsteht, die zur Zündung der Hilfsfunkenstrecke 15 und 17 führt. Dabei entlädt sich der Kondensator 9 von seinem Pluspol über die Funkenstrecke 14, die Ausschaltspule 8, die Schaltbrücke 7, die Elektrode 12 nach seinem Minuspol. Der Impulsstrom fließt also im Schalter 4 dem Strom / entgegen, wodurch die Unterbrechung in einfacher Weise zustande kommt. Erreicht hingegen die negative Halbwelle einen Wert, der größer ist als die entsprechende Vormagnetisierung, so wird der Kern 20 ummagnetisiert, und es werden dann die Hilfsfunkenstrecken 16 und 18 gezündet, wobei sich der Kondensator in umgekehrter Richtung über den Hauptschalter 4 entlädt. Wesentlich ist, daß das Abschalten praktisch immer beim gleichen Strom I_a erfolgt, der durch die Vormagnetisierung der Kerne 19 und 20 eingestellt werden kann. Dadurch paßt sich der Impulsstrom automatisch dem Momentanwert des abzuschaltenden Stromes an. Auch - die Durchfhitung der Spule 8 und damit die beschleunigende Kraft auf die Schaltbrücke 7 sind immer gleich. Um diesen großen Vorteil auch bei willkürlicher Abschaltung sicherzustellen, erfolgt die Ausschaltung in diesem Fall durch Schließen des Schalters 25. Der Widerstand 26 ist nun so gewählt, daß mindestens ein Strom entsteht, der in einem der beiden Kerne 19 und 20 je nach der momentanen Stromrichtung eine Ummagnetisierung bewirkt. Falls eine eindeutige Netzspeisung wie in Fig. 3 vorliegt, wird der Kreis praktisch vollkommen unterbrochen, und der Schalter 25 braucht nur noch einen sehr kleinen Reststrom abzuschalten, Liegt auf der rechten Seite ebenfalls eine Stromquelle, so muß der Schalter 25 in der Lage sein, einen praktisch ohmschen Strom von der Größe des ein- bis zweifachen Nennstromes zu unterbrechen, was im allgemeinen ohne besondere Schwierigkeiten möglich ist. Der Widerstand 26 wird infolge der sehr kurzen Belastungsdauer selbst bei großen Leistungen nur relativ klein.

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Man erkennt somit, daß durch Verwendung der beiden kleinen Wandler 19 und 20 zusammen mit der Funkenstrecke 10 und dem Hilfsschalter 25 in einfacher Weise eine Abschaltung unter immer gleichen Strombedingungen und bei automatischer Anpassung an die jeweilige Richtung des Hauptstromes erreicht wird.

Ein besonderer Vorteil der Lösung gemäß Fig. 3 ist darin zu erblicken, daß der Impulskondensator 9 im normalen Betrieb vom Netz galvanisch getrennt ist. Es bestehen daher insbesondere zwischen den drei Phasen des Drehstromnetzes im normalen Betrieb keine unmittelbaren Verbindungen. Dies aber heißt, daß für alle Schalter einer Station und sämtliche Phasen des Übertragungssystems ein einziges Gleichstromladesystem verwendet werden kann, das nicht nur zur Aufladung der Impulskondensatoren, sondern indirekt auch zur Betätigung der Hauptschalter dient.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: ao

1. Elektrischer Leistungsschalter zum Unterbrechen bzw. Begrenzen von Strömen wechselnder Richtung, bei dem dem zu unterbrechenden bzw. zu begrenzenden Netzstrom ein entgegengesetzt gerichteter Impulsstrom überlagert wird, dadurch. gekennzeichnet, daß der den Impulsstromkreis speisende Kondensator an eine Umschalteinrichtung in Form einer Vielfachfunkenstrecke angeschlossen ist, die anspricht, wenn der Momentanwert des Netzstromes vorgegebene, einstellbare positive bzw. negative Auslösewerte erreicht, und daß zwei mit dem Netzstrom verkettete, entsprechend dem positiven und negativen Auslösewert entgegengesetzt vormagnetisierte Eisendrosseln vorhanden sind, deren Sekundärwicklung je mit zwei zugehörigen Zündelektroden in Verbindung stehen, so daß die Zündung der zwei jeweils zusammengehörenden Funkenstrecken in Abhängigkeit von der bei der Ummagnetisierung in der Sekundärwicklung erzeugten Spannung erfolgt, wodurch der Impulskondensator in der einen bzw. anderen Richtung entladen wird.

2. Elektrischer Leistungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die einstellbare Vormagnetisierung der Eisendrosseln mit Hilfe permanenter Magnete bewirkt wird.

3. Elektrischer Leistungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die einstellbare Vormagnetisierung der Eisendrosseln mit Hilfe einer getrennten Gleichstromquelle bewirkt wird.

4. Elektrischer Leistungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Impulsstrom über die Ausschaltwicklung des Hauptschalters fließt.

5. Elektrischer Leistungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die willkürliche Ausschaltung durch Zuschalten einer Last bewirkt wird, die mindestens so groß ist, daß der über den Hauptschalter fließende Strom die Auslösestromstärke erreicht.

6. Elektrischer Leistungsschalter nach Anspruch 5, insbesondere für zweiseitig gespeiste Netzstellen, dadurch gekennzeichnet, daß der für die Einschaltung der Zusatzlast vorgesehene Schalter in der Lage ist, den zusätzlichen fließenden Laststrom zu unterbrechen.

7. Elektrischer Leistungsschalter nach Anspruch 1, insbesondere als Rückstromschalter, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslösung des Impulskreises kurz vor dem Stromnulldurchgang des seine Richtung wechselnden Gleichstromes bewirkt wird.

8. Elektrischer Leistungsschalter nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine derartige Ausbildung der Umschalteinrichtung, daß bei Strömen, die unterhalb der eingestellten Auslösestromstärken liegen, der Impulskondensator von dem zu unterbrechenden Gleich- bzw. Wechselstromnetz galvanisch getrennt ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 728 587, 712 498,
368, 521 636, 514 346, 473 336, 260 903.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen