DE1107318B

DE1107318B - Elektrischer Schalter

Info

Publication number: DE1107318B
Application number: DES67801A
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing Fritz Kesselring
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1960-03-30
Filing date: 1960-03-30
Publication date: 1961-05-25

Description

Die Beanspruchung der Schaltkammern elektrischer Schalter ist je nach ihrer Bauart durch die maximale Lichtbogenleistung oder die maximale Lichtbogenarbeit gegeben. Der letztere Fall tritt dann auf, wenn der durch den Lichtbogen erzeugte Druck sich nicht fortwährend ausgleichen kann, wie dies z. B. für Ölschalter zutrifft. Bekanntlich ist die Schaltarbeit As gegeben durch den Ausdruck:

As = J Ub i dt.

Darin bedeutet w& den Momentanwert der Lichtbogenspannung, i den Momentanwert des Stromes und tb die Lichtbogendauer. ¹S

Man hat nun versucht, durch Synchronsteuerung den Mittelwert des Stromes i, vor allem aber die Lichtbogendauer tb zu verringern. Bei Einphasenschaltern wird die Synchronsteuerung mit Vorteil angewandt; hingegen bestehen bei Mehrphasenschaltern für eine Netzfrequenz von 50 oder 60 Hz noch sehr große Schwierigkeiten. Sie sind einmal darin zu erblicken, daß die bei größeren Nennströmen notwendigen Massen des beweglichen Systems nicht in genügend kurzer Zeit von beispielsweise einer Milli-Sekunde auf die Löschdistanz gebracht werden können; andererseits ist der Stromverlauf nicht wie in Einphasennetzen eindeutig vorgegeben. Wenn z. B. ein zweipoliger Lichtbogenkurzschluß sich kurz vor dem Stromnulldurchgang in einen dreipoligen Kurzschluß verwandelt, ändert sich der Stromverlauf erheblich, was zu Fehlschaltungen führen kann. Ferner macht die Beherrschung sogenannter Umschlagsstörungen infolge der dann anfallenden außerordentlich hohen Lichtbogenleistung nach wie vor große Schwierigkeiten.

Es ist bekannt, daß die Größe der Lichtbogenspannung sehr stark von der Art der Beeinflussung des Lichtbogens durch das Löschmittel abhängig ist. Brennt ein Lichtbogen in ruhender Atmosphäre, so ergibt sich ein Lichtbogengradient von etwa 20 bis 30 V/cm. Wird hingegen ein Lichtbogen z. B. axial intensiv beblasen oder erfolgt in der den Lichtbogen unter hohem Druck umgebenden Gas-Dampf-Atmosphäre eine plötzliche Expansion, so erreicht der Lichtbogengradient Werte von 200 V/cm und mehr. Beim Übergang vom nicht oder nur schwach beeinflußten Lichtbogen auf den stark beeinflußten Lichtbogen ändert sich somit der Lichtbogengradient und dementsprechend die Lichtbogenspannung w& um etwa den Faktor 10. 5"

Es ist bekannt, bei Wechselstromschaltern mit Lichtbogenlöschung durch ein strömendes gas- oder Anmelder:
Siemens-Schuckertwerke Aktiengesellschaft

Berlin und Erlangen,
Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Dr.-Ing. Fritz Kesselring, Küsnacht, Zürich

(Schweiz),
ist als Erfinder genannt worden

dampfförmiges Löschmittel zur Verringerung der Lichtbogenleistung die Zuführung des Löschmittels in den Lichtbogenraum in den Zeiten zwischen den aufeinanderfolgenden Stromnulldurchgängen praktisch zu unterbrechen. Hierbei ist also das Löschmittel in einem Intervall in der Umgebung des Stromnulldurchganges wirksam.

Die vorliegende Erfindung befaßt sich mit einem elektrischen Schalter für Wechselstrom mit stromabhängigen Steuermitteln, durch die die Zuführung des Löschmittels zwischen den aufeinanderfolgenden Stromnulldurchgängen praktisch unterbrochen wird. Sie zielt darauf ab, die Schaltarbeit gegenüber den bekannten Schaltern noch weiter zu verringern. Dies wird dadurch erreicht, daß die Steuermittel außer vom zu unterbrechenden Strom von dessen Änderungsgeschwindigkeit derart beeinflußt sind, daß sie die Löschmittel nur bei unterschiedlichen Vorzeichen der Momentanwerte beider Größen, insbesondere erst 0,5 bis 2 Millisekunden vor dem Stromnulldurchgang, wirksam werden lassen. Gegenüber dem bekannten Schalter, bei dem das Löschmittel in einem Zeitintervall in der Umgebung des Stromnulldurchganges wirksam ist, hat der neue Schalter den Vorteil, daß, falls der Lichtbogen im Nulldurchgang nicht erlischt, keine weitere, überflüssige Schaltarbeit durch Beblasung des Lichtbogens erzeugt wird. Außerdem wird der Löschmittelverbrauch annähernd auf die Hälfte herabgesetzt. Im allgemeinen verringert sich zudem der Kontaktabbrand, da die Temperatur des Lichtbogens, sofern er nicht beblasen wird, bedeutend tiefer liegt.

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Die Wirkungsweise des Schalters nach der Erfindung Luftverbrauch bei normalen Betriebsschaltungen stark

sei an Hand von Fig. 2 erläutert, und zwar in Gegen- herabgesetzt wird.

überstellung zu der Wirkungsweise eines Schalters Fig. 3 zeigt eine beispielsweise Ausführungsform mit stromunabhängiger Lichtbogenbeblasung (Fig. 1). eines Schalters- nach der Erfindung in Form eines In den beiden Figuren bedeutet i den abzuschaltenden 5 Preßgasschalters. Darin bedeutet 1 die Schaltkammer Strom, tib die Lichtbogenspannung und i& die Licht- in Form eines 'Isolierzylinders. Sie trägt oben die bogendauer. Die Kontakttrennung erfolge willkürlich Schaltdüse 2 mit dem Anschluß 3 und ist unten durch im Zeitpunkt t₀. Zur Zeit t_x wird der erste Strom- die Kappe 4 mit dem Anschluß 5 abgeschlossen, nulldurchgang durchlaufen. Der Kontaktabstand ist 6 ist ein Gleitkontakt, der den Stromübergang vom aber noch so gering, daß eine Löschung des Licht- io Anschluß 5 zum Schaltstift 7 vermittelt. Das Druckgas bogens nicht eintritt. Im Zeitpunkt t_s hingegen soll wird über das Ventil 8 und das isolierende Rohr 9 der die Löschdistanz erreicht sein und somit die Licht- Schaltkammer 1 zugeführt. 10 ist ein in Durchlaßbogenlöschung erfolgen, wobei angenommen ist, stellung gezeichneter Drehschieber. Er ist mit der daß in beiden Fällen eine maximale Lichtbogen- Drehspule 11 gekuppelt, die sich in dem vom zu spannung 0t> auftritt. Die Schalter bisheriger Bauart 15 unterbrechenden Strom erregten Feld des Magnetweisen kurz nach der Kontakttrennung schon eine systems 12 dreht. Mit 13 ist ein Zylinder, der über das hohe Löschintensität auf, was zu erhöhter Lichtbogen- Rohr 14 mit dem Isolierrohr 9 in Verbindung steht, spannung lib führt. Beim Schalter nach der Erfindung mit 15 ein Kolben und mit 16 eine Feder bezeichnet, hingegen ist lediglich in den Zeitabschnitten i_o~^?i Di^e im Drehpunkt 17 gelagerte Isolierstange 18 ist und i₂—h ^eme intensive Lichtbogenbeeinflussung 20 über die Lasche 19 mit dem Kolben 15 gekuppelt vorhanden. Die Lichtbogenspannung bleibt daher und über den Stift 20 mit dem Schaltstift 7 verbunden, bis zum Zeitpunkt t_ä sehr klein und wächst erst gegen In der gestrichelt angedeuteten Ausschaltstellung den Stromnulldurchgang t₃ entsprechend an. Dies wird die Isolierstange 18 durch die Klinke 21 enthat zur Folge, daß die Schaltarbeit, gegeben durch die gegen der Feder 16 festgehalten,
schraffierte Fläche A₂ (s. Fig. 2), nur einen Bruchteil 25 Die Wirkungsweise der Anordnung ist folgende: der Schaltarbeit A₁ (s. Fig. 1) — im vorliegenden Zu einem willkürlichen Zeitpunkt t₀ (s. Fig. 2) wird der Praxis entnommenen Beispiel ein Fünftel—beträgt. das Ventil 8 geöffnet. Damit wird auch der Kolben 15 Zudem tritt auch eine wesentlich kleinere maximale beaufschlagt und bewegt sich entgegen der Feder 16 Lichtbogenleistung N₂ auf, die rund die Hälfte von N₁ nach unten, bis der Schaltstift 7 die gezeichnete Löschbeträgt. Dementsprechend ist die Druckbeanspruchung 30 stellung erreicht hat. Steigt nun der Strom während bei Schaltern nach der Erfindung bedeutend geringer, dieses Vorganges an, so fließt in der Drehspule 11 ein was eine leichtere Bauart der Kammer ermöglicht und Induktionsstrom, der zusammen mit der vom Magnetzu geringeren Herstellkosten führt. system 12 erzeugten Luftspaltinduktion ein Dreh-

Man kann nun noch eine weitere Verbesserung moment ergibt, durch das der Drehschieber 10 in die dadurch erzielen, daß die Löschintensität abhängig 35 Schließstellung geht. Die Luft kann daher zunächst gemacht wird von der Größe der Abnahmegeschwindig- nicht in die Schaltkammer 1 einströmen; der Lichtkeit {—dijdi) des zu unterbrechenden Stromes. bogen 22 brennt mit sehr kleiner Lichtbogenspannung. Bekanntlich muß die Löschintensität um so größer Beginnt nun der Hauptstrom zu fallen, so ändert der gemacht werden, je größer die zeitliche Änderungs- Induktionsstrom in der Drehspule sein Vorzeichen, geschwindigkeit des zu unterbrechenden Stromes 40 Das Drehmoment kehrt sich um, und der Schieber 10 unmittelbar vor dem Stromnulldurchgang und je geht in die gezeichnete Offenstellung. Durch Ausgrößer die Steilheit der wiederkehrenden Spannung ist. nutzung der Sättigung des Magnetsystems 12 kann Letztere ist im allgemeinen durch die Netzverhältnisse erreicht werden, daß der Induktionsstrom in der und durch die zu unterbrechende Kurzschlußstrom- Drehspule 11 erst 0,5 bis 2 Millisekunden vor dem stärke gegeben. Einer größeren^ Kurzschlußstrom- 45 Stromnulldurchgang zu fließen beginnt. Die Luft stärke und damit einer größeren Änderungsgeschwin- kann nun vom Rohr 9 in die Schaltkammer 1 eindigkeit des Kurzschlußstromes entspricht meist auch strömen und wirkt in der Düse 2 intensiv auf den eine größere Steilheit der wiederkehrenden Spannung, Lichtbogen 22' ein, wodurch die Löschung herbeida die im Schwingungskreis vorhandene Induktivität geführt wird.

bei großer Kurzschlußstromstärke entsprechend kleiner 50 Wird hingegen ein leer laufender Transformator

ist. Macht man also die Löschintensität um so größer, abgeschaltet und tritt infolge Überspannungsbildung

je größer die Abnahmegeschwindigkeit des zu unter- kurz vor dem Stromnulldurchgang des Leerlauf stromes

brechenden Stromes ist, so kann erwartet werden, durch Überschlag ein Kurzschluß auf, so steigt der

daß die Lichtbogenlöschung über den ganzen Strom- Strom sofort wieder steil an. Dies hat zur Folge, daß

bereich von sehr kleinen Stromstärken bis zur vollen 55 der Drehschieber 10 durch die Drehspule 11 augen-

Kurzschlußstromstärke mit geringstmöglichem Auf- blicklich in die Schließstellung bewegt wird, wodurch

wand und auch kleinster Überspannung zustande die Beeinflussung des Lichtbogens durch das strömende

kommt. Bekanntlich können beispielsweise beim Gas verschwindet. Der Lichtbogen weist zwar eine

Abschalten leer laufender Transformatoren sehr hohe hohe Stromstärke, jedoch sehr kleine Brennspannung

Überspannungen auftreten, weil die Löschintensität 60 auf. Erst wenn der Strom wieder zu fallen beginnt,

relativ zu dem kleinen Leerlaufstrom von beispielsweise öffnet sich der Schieber 10, worauf die Löschung

nur 10 A viel zu groß ist. Der Lichtbogen reißt dann erfolgt.

vorzeitig ab, was ein sofortiges Freiwerden der großen Verbindet man die Achse, auf der der Dreh-

im Transformator aufgespeicherten magnetischen schieber 10 und die Drehspule 11 befestigt sind, mit

Energie unter starker Überspannungsbildung zur 65 einer Rückstellfeder, so kann auf einfache Weise

Folge hat. Bei Preßgasschaltern hat eine Anpassung erreicht werden, daß der Drehschieber 10 sich um so

der Löschintensität an die Stromsteilheit kurz vor dem weiter öffnet, je steiler der Strom auf Null abfällt.

Stromnulldurchgang den weiteren Vorteil, daß der Hierdurch ist es möglich, die Löschintensität der

abzuschaltenden Stromstärke, insbesondere der Steilheit, mit der der Strom durch Null geht, anzupassen. Es kann hierbei zweckmäßig sein, den Drehschieber in der Ruhestellung so zu fixieren, daß eine für die betriebsmäßigen Abschaltungen erforderliche Mindestlöschintensität gewährleistet ist. Müssen größere Ströme abgeschaltet werden, so tritt automatisch eine entsprechend größere Verstellung des Drehschiebers auf, so daß sich die Löschintensität wiederum den jeweiligen Erfordernissen anpaßt.

Soll z. B. bei Flüssigkeitsschaltern eine Expansion eingeleitet werden, so kann eine bei ansteigendem Strom bestehende Verriegelung eines Ventils gelöst werden, wenn der Strom zu fallen beginnt, wobei es zweckmäßig sein kann, die Expansion erst kurz vor dem Stromnulldurchgang herbeizuführen.

Der Vorteil von Schaltern nach der Erfindung besteht darin, daß das eigentliche Schaltgerät in der bisher üblichen Weise gebaut werden kann und insbesondere nicht extrem schnell bewegt werden muß, wie dies bei Synchronschaltern erforderlich ist. Die Steuerung beschränkt sich lediglich darauf, die Lösch-, intensität den jeweiligen Verhältnissen anzupassen, was mit geringem Aufwand möglich ist. Die Schaltleistung kann bei etwa gleichen Herstellkosten durch die erfindungsgemäße Ausführung derartiger Schalter auf ein Mehrfaches der bisher erreichten Werte gesteigert werden.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

1. Elektrischer Schalter für Wechselstrom mit stromabhängigen Steuermitteln, durch die die Zuführung des Löschmittels zwischen den aufeinanderfolgenden Stromnulldurchgängen praktisch unterbrochen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuermittel außer vom zu unterbrechenden Strom von dessen Änderungsgeschwindigkeit derart beeinflußt sind, daß sie die Löschmittel nur bei unterschiedlichen Vorzeichen der Momentanwerte beider Größen, insbesondere erst 0,5 bis 2 Millisekunden vor dem Stromnulldurchgang, wirksam werden lassen.

2. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Löschintensität der jeweiligen Größe der Abnahmegeschwindigkeit des zu unterbrechenden Stromes selbsttätig angepaßt wird.

3. Schalter nach Anspruch 1 mit fremderzeugter Löschmittelströmung, insbesonderePreßgasschalter, dadurch gekennzeichnet, daß das unter dem Einfluß der Steuermittel stehende, die Löschmittelströmung freigebende Organ sich erst bei fallendem Strom zu öffnen beginnt.

4. Schalter nach Anspruch 1 mit vom zu unterbrechenden Strom erzeugter Löschmittelströmung, insbesondere Flüssigkeitsschalter, dadurch gekennzeichnet, daß die unter dem Einfluß der Steuermittel einsetzende, die Lichtbogenlöschung bewirkende Expansion des Löschmittels nur bei fallendem Strom auftritt.

5. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuermittel vom zu unterbrechenden Strom und dessen Änderungsgeschwindigkeit derart beeinflußt werden, daß die Löschmittel nur dann wirksam werden, wenn die Momentanwerte des zu unterbrechenden Stromes und seiner zeitlichen Änderung verschiedene Vorzeichen aufweisen.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 634 423.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen