DE1148618B

DE1148618B - Anordnung zur Schaffung guenstiger Ausschalt-bedingungen fuer elektrische Schalter

Info

Publication number: DE1148618B
Application number: DEK18876A
Authority: DE
Inventors: Dr Fritz Kesselring
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1953-03-25
Filing date: 1953-07-21
Publication date: 1963-05-16
Also published as: CH316926A; CH312401A; US2849659A; CH318305A; CH319739A

Description

Bei der Abschaltung von Wechselströmen hat man bisher beinahe ausnahmslos den Stromnulldurchgang ausgenutzt, währenddem die noch vorhandene Lichtbogen-Restsäule gekühlt und entionisiert wird. Der besondere Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, daß beim Stromnulldurchgang die magnetische Energie des zu unterbrechenden Stromkreises ebenfalls Null ist. Bei Gleichstrom mußten bisher infolge Fehlens eines Nulldurchganges grundsätzlich andere Löschmethoden angewendet werden. Im allgemeinen sind Löschanordnungen bevorzugt worden, die einen möglichst hohen Lichtbogengradienten aufweisen. Trotzdem trat immer noch eine verhältnismäßig große Schaltarbeit mit entsprechenden Auswirkungen auf. Vereinzelt wird von dieser Art Gleichstromlöschung auch bei Wechselstrom Gebrauch gemacht, insbesondere wenn die Abschaltung mit Hilfe sogenannter Hochleistungssicherungen oder auch durch einen Vakuumschalter erfolgt. Im ersten Fall wird die magnetische Energie innerhalb der Sicherung in Wärme umgewandelt, wobei immer auch Überspannungen auftreten. Im zweiten Fall muß die magnetische Energie, wenn nicht besondere Vorkehrungen getroffen werden, von den Kapazitäten des Stromkreises aufgenommen werden. Abschaltungen mit Vakuumschaltern ergeben daher meist sehr hohe Überspannungen.

Es ist ferner bekannt, zur Erzielung günstiger Ausschaltbedingungen der Unterbrechungsstelle im Abschaltmoment einen dem zu unterbrechenden Strom entgegengeseiztgerichteten Impulsstrom zuzuführen, der z. B. durch Entladen eines Kondensators erzeugt werden kann. Es ist auch bereits eine Schaltung angegeben worden, bei der nacheinander mehrere Kondensatoren über den Schaltlichtbogen entladen werden, deren Kapazitäten dem Verlauf des Lichtbogens so angepaßt sind, daß beim Zuschalten jedes der Kondensatoren der herrschende Schalterstrom zu Null gemacht wird. Da hierbei jedoch die Kondensatoren auf feste, vorgegebene Werte aufgeladen werden, ermöglicht die bekannte Schaltungsanordnung lediglich die Anpassung des Impulsstromes an einen bestimmten Verlauf des Lichtbogenstromes; ihre Anwendbarkeit ist daher sehr begrenzt. Insbesondere zur Beherrschung von Kurzschlüssen ist sie nicht geeignet.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Schaffung günstiger Ausschaltbedingungen für elektrische Gleich- und Wechselstromschalter mit mindestens einer Unterbrechungsstelle und einem dazu parallel zu schaltenden, geladenen elektrischen Energiespeicher, der der Unterbrechungsstelle zwecks Abschaltung, insbesondere auch beim Einsetzen von

Anordnung zur Schaffung günstiger Ausschaltbedingungen für elektrische Schalter

Anmelder:
Siemens-Schuckertwerke Aktiengesellschaft,

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

Beanspruchte Priorität:
Schweiz vom 25. März 1953 (Nr. 90 371)

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

Überströmen und Kurzschlüssen, einen dem zu unterbrechenden Strom entgegengesetzt gerichteten Impulsstrom zuführt, der dem im Abschaltmoment vorhandenen Momentanwert des abzuschaltenden Stromes

as angepaßt ist und dessen Höchstwert mindestens 80 % dieses Momentanwertes beträgt. Sie besteht darin, daß die Anpassung des Impulsstromes an den Momentanwert des abzuschaltenden Stromes durch Aufladung des Energiespeichers in Abhängigkeit von dem Momentanstrom des zu schaltenden Kreises bzw. von dem Spannungsabfall eines von dem zu schaltenden Strom durchflossenen Widerstandes oder durch Entladung eines oder mehrerer auf einen festen Wert aufgeladener Energiespeicher über die in Abhängigkeit von dem Momentanwert des zu schaltenden Stromes gesteuerte Induktivität und Kapazität des Impulskreises selbsttätig erfolgt und die Halbwertdauer des Impulsstromes durch entsprechende Wahl der Bestimmungsgrößen des Impulskreises höchstens 1 ms beträgt. Im Prinzip können periodisch ungedämpfte oder gedämpfte sowie auch aperiodisch gedämpfte Impulse verwendet werden. Die Impulsenergie wird dann zweckmäßig einem geladenen Kondensator entnommen. Sie kann aber auch aus einer Gleich- oder Wechselstromquelle, insbesondere einer Akkumulatorbatterie, stammen. Ferner ist es möglich, die Impulsenergie in Form magnetischer Energie in einer stromdurchflossenen Induktivität bereitzustellen.

Die Erfindung wird an Hand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den Fig. 1 und 2 sind Impulsstromkreise in deren Zusammenwirken mit dem jeweiligen Netzsog 580/360

Stromkreis schematisch dargestellt. Es bedeutet dabei U die treibende Wechselspannung eines Generators G (Fig. 1), E die Spannung einer Gleichstromquelle (Fig. 2), / den Netzstrom, Z die Netzbelastimg, S den Schalter, C, L und R Kapazität, Induktivität und Widerstand des Impulskreises. Als Netzstromkreis wird im folgenden der Stromkreis, bestehend aus der eigentlichen Netzstromquelle G, der Belastung Z und dem Schalter S, bezeichnet, in dem der

auf. Im Falle 1_O<I erreicht, wie Fig. 4 zeigt, der resultierende Strom I₁. nur einen Kleinstwert I_n ohne daß ein Stromnulldurchgang zustande kommt.

Für viele Fälle kann es wichtig sein, einen ge-5 dämpft schwingenden Impuls zu verwenden. Man erhält dann einen Verlauf des resultierenden Stromes, wie er in Fig. 5 dargestellt ist. Wesentlich ist hierbei, daß die dem Momentanwert des Stromes / entgegengesetzt gerichteten kleinen Sromwellen des resultieren-Strom / fließt. Als Impulskreis bezeichnet man im io den Stromes immer kleiner werden, wodurch sich die Gegensatz dazu den parallel zum Schalter S liegenden Ausschaltbedingungen verbessern. Schließlich ist in Stromkreis, der z. B. aus einer Kapazität C und einer Fig. 6 noch der Fall aufgezeichnet, bei dem der Kon-Induktivität L besteht und in dem der Impulsstrom I₀ densator C sich über einen Widerstand R entlädt, fließt. U₀ ist die Spannung am Impulskondensator, wobei L ?«0 ist. Es treten theoretisch zwar zwei NuIl- I₀ der Impulsstrom, wobei die Spannungen und Ströme 15 durchgänge auf, jedoch ist die Stromsteilheit beim als Momentanwerte gedacht sind. ersten Nulldurchgang so groß, daß im allgemeinen zu

diesem Zeitpunkt noch keine günstigen Ausschaltbedingungen bestehen. Ganz allgemein ist zu sagen, daß jeweils die zweiten Stromnulldurchgänge B bzw.D

so entsteh^ beim Schließen des 20 in Fig. 5 einer kleinen Halbwelle des resultierenden

Stromes die günstigsten Voraussetzungen für die Unterbrechung im Schalter S schaffen. Je nach der Schalterart kann aber auch schon die ausreichende Verringerung des resultierenden Stromes um mindestens 80% des Momentanwertes des Netzstromes für die Abschaltung ausreichen, beispielsweise wenn als Schalter S ein Vakuumschalter verwendet wird oder die Kühlung und Entionisierung in Wasserstoff erfolgen.

An Hand der Fig. 7 wird nun das Abschalten eines Wechselstromes kurz erläutert. Die Bezeichnungen

Wird entsprechend Fig. 1 angenommen, daß der Kondensator C auf eine weiter unten noch zu beschreibende Weise auf die Spannung U₀ aufgeladen ist, und ist i?«
Schalters S₀ eine periodische Entladung, wobei die Amplitude des Entladestromes den Wert

hat. Die gleichen Verhältnisse treten auf, wenn die Energie zunächst in der Induktivität L angesammelt wird und sich dann über den Impulskreis ausschwingt. Weist der Widerstand R endliche Werte auf, so entsteht eine gedämpfte Schwingung, die im Grenzfall z. B. für LzsiC aperiodischen Verlauf annimmt, wobei die Amplitude des Stromes durch l_c = UJR gegeben ist.

Fig. 2 zeigt ein Beispiel, bei dem der Impulsstrom aus einer Batterie mit der dem jeweiligen Momentanwert von / entsprechenden Spannung E₀ entnommen wird. Durch passende Wahl von E₀, L und R kann die Form des Impulses beeinflußt werden.

In den Fig. 3 bis 6 sind einige Impulsströme in ihrem Zusammenwirken mit dem Netzstrom / aufgezeichnet. Da die Halbwertzeit des Impulses erfindungsgemäß kleiner als 1 ms ist, also immer sehr kurz

stimmen mit denen von Fig. 1 überein. Hinzugekommen ist noch ein vom Netzstrom durchflossener Shunt 1, an dessen Enden ein Stromwandler 2 mit der Primärwicklung 3 und der Sekundärwicklung 4 angeschlossen ist, welch letztere über einen Widerstand 5 mit den beiden Polen des Kondensators C in Verbindung steht. Wird der Scheinwiderstand —-^, reduziert

auf die Primärseite des Wandlers 2, genügend groß gegenüber dem Widerstand des Shunt I gewählt, so ist die Kondensatorspannung U₀ proportional dem jeweiligen Momentanwert des Netzstromes I, d. h., bei großem Netzstrom wird der Kondensator auf eine ent-

ist gegenüber der Halbwellendauer eines zu unter- 45 sprechend hohe Spannung aufgeladen, wobei die brechenden Wechselstromes, verändert sich der Netz- Phasenverschiebung zwischen / und U₀ nur gering ist. strom / während der Wirkungszeit des Impulses nur Soll nun der Netzstromkreis unterbrochen werden, so wenig, so daß diese Änderung bei den folgenden Be- wird zunächst der Schalter S geöffnet (gezeichnete traclitungen unberücksichtigt bleiben kann. Unter der Lage). Es entstehen im allgemeinen zwei Licht-Halbwertdauer eines Impulses versteht man den zeit- 50 bögen 6 und 7, durch die zunächst der Netzstrom / liehen Abstand zwischen den Augenblicken, da der fließt. Sowie der Kontaktabstand am Schalter ausan- und absteigende Strom den Wert I₀Il durchläuft. reichend groß geworden ist, wird der Schalter S₀ des Bei einem sinusförmigen Impuls ist die Impulszeit Impulskreises geschlossen, und es fließt nun ein Im

pulsstrom I₀, der spätestens in der zweiten Halbwelle

2 Γ 55 dem Netzstrom / innerhalb des Schalters 5 entgegen-

^τ — ~ · — > gesetzt gerichtet ist. Dies bedingt aber, daß der resul

tierende Strom I_n der nun über die Lichtbogen 6 und 7 fließt, stark verringert wird oder sogar kurz

wobei T die Periodendauer ist. hintereinander zweimal durch Null geht, wobei bei

In den Fig. 3 und 4 sind zwei Fälle mit periodisch 60 richtiger Wahl der Löscheinrichtung des Schalters die ungedämpften Impulsen dargestellt, während Fig. 5 sichere Unterbrechung gewährleistet ist. Man erkennt und 6 für periodisch gedämpften und aperiodischen daher, daß durch die Überlagerung des Impulsstromes Impulsverlauf gelten. Aus Fig. 3 erkennt man, daß über den Netzstrom günstige Ausschaltbedingungen durch die Überlagerung von /„ wobei /_c>/ zwei für den Schalter S geschaffen werden. Es wurde be-Stromnulldurchgänge A und B des resultierenden 65 reits darauf hingewiesen, daß diese Bedingungen um Stromes /_r = I~I_C entstehen, wobei die negative so günstiger sind, je kleiner die Amplituden der dem Stromhalbwelle von /_r nur sehr kleine Amplitude auf- Netzstrom entgegengesetztgerichteten Stromwelle des weist. Ist I₀ = /, so tritt nur ein Stromnulldurchgang resultierenden Stromes I_r ist. Diese Forderung ist aber

höheren Harmonischen besteht, kann es zweckmäßig sein, parallel zu dem SchalterS einen Widerstand?· vorzusehen, dessen Ohmwert zweckmäßig höchstens

gleich dem Ohmwert des Scheinwiderstandes —= ge o co C-

macht wird. Durch Öffnen des Schalters S wird nun ein vorwiegend ohmscher Widerstand in den Netzkreis eingeschaltet. Dies hat zur Folge, daß der Reststrom /' zwar etwas vergrößert wird, jedoch weit-

durch die Anordnung gemäß Fig. 7 gewährleistet, da Ü_c und damit die Amplitude des Impulsstromes l_c immer proportional dem jeweiligen Momentanwert des Nennstromes ist. Anordnungen dieser Art sind also gekennzeichnet durch eine Anpassung von Ü_c an / bei im wesentlichen gleichbleibenden Werten der Impulskreiskonstanten L, C, R.

Während des Fließens des Impulsstromes ist die Spannung am Schalter S im wesentlichen gleich dem

ohmschen Spannungsabfall im Impulsstromkreis. io gehend in Phase zur treibenden Spannung und damit Wird der Impulsstromkreis unter Berücksichtigung zur wiederkehrenden Spannung kommt. Die Unterder Stromverdrängung bei der relativ hochfrequenten brechung mit Hilfe des Schalters S' kann nun in ein-Schwingung möglichst verlustarm gemacht, so kann fachster Weise erfolgen. Zudem sind der Netzstromdie Öffnungsspannung am Schalter S beliebig niedrig, kreis und der Impulskreis gedämpft, so daß Resoz. B. auf 10 °/o der Nennspannung gehalten werden, 15 nanzüberspannungen vermieden werden und die mawas wiederum der Schaffung günstiger Ausschalt- gnetische Energie in der Induktivität L sowie eine

allfäliige im Netzkreis vorhandene magnetische Energie sich im Widerstand r in Wärme umsetzen können. Wird ein Wechselstromschalter mit sehr großer Schalthäufigkeit verlangt, so kann es zweckmäßig sein, den Schalter S jeweils in der Umgebung des Stromnulldurchganges von / zu öffnen, wobei gleichzeitig der Schalter S_c geschlossen wird. Es ist dann immer nur ein kleiner Impulsstrom notwendig, da

annähernd die volle Impulsenergie in Form magne- 25 der Momentanwert von / ebenfalls klein ist, was betischer Energie Llf/2 in der Induktivität L angesam- wirkt, daß der Abbrand, hervorgerufen durch die melt, während der Kondensator C weitgehend ent- Lichtbogen 6 und 7, am Schalter S denkbar gering ist. laden ist. Es wird sich nun einerseits die magnetische Während eine Anordnung gemäß Fig. 7 für klei-

Energie in L über den Netzkreis ausschwingen, nere Leistungen und bei mäßigen Spannungen noch anderseits kann der Kondensator C mindestens einen 30 durchaus brauchbar ist, ergeben sich bei großen Teil der im Netzkreis in diesem Augenblick vornan- Leistungen hingegen beträchtliche Schwierigkeiten, denen magnetischen Energie aufnehmen, wodurch da die dauernde Umladung des Impulskondensators Überspannungserscheinungen weitgehend vermieden große Blindleistungen erfordert, die nicht einem werden. Nach Abklingen dieser Ausgleichsvorgänge Shunt (vgl. 1 in Fig. 7) entnommen werden können, ist die Impedanz des Neizkreises um die Impedanz 35 Für stationäre oder nur relativ langsam sich ver-

bedingungen weitgehend entgegenkommt. Diese Erleichterung ist nicht in diesem Maße vorhanden, wenn im Impulskreis ein Widerstand R vorhanden ist.

Im Moment, da die Lichtbogen 6 und 7, die den resultierenden Strom I₁. führten, erlöschen, wird nun die Reihenschaltung aus C und L des Impulskreises in den Netzkreis eingefügt. In diesem Augenblick ist

der Reihenschaltung von T
bekanntlich den Wert

und C erhöht. Sie hat

- (ω Lf +

ändernde Wechselstromkreise kann eine Anordnung benutzt werden, wie sie Fig. 8 zeigt. An Stelle des Shunts 1 in Fig. 7 tritt nun eine kleine Induktivität 10, zu der parallel ein auf die Netzfrequenz abgestimmter Resonanzkreis angeordnet ist, bestehend aus der Induktivität 11 und der Zusatzkapazität 12. C ist wiederum der Impulskondensator. Es läßt sich leicht zeigen, daß nun die Spannung am Kondensator C bei

, . . , i , , . eingeschwungenem Resonanzstand wieder in Nähestromkreises, so wird -_c = oc; der Netzstromkreis ₄₅ _Tfmg p_{roportional dem} Momentanwert des Netzist vollkommen unterbrochen und mithin der Rest- stromes / ist, wobei an der Induktivität 10 lediglich

ein kleiner, die Resonanz anfachender Spannungsabfall entsprechend den ohmschen Verlusten im Re

wobei --p, immer wesentlich größer sein wird als ω L.

Handelt es sich um die Abschaltung eines Gleich-1

strom /' = O. In Wechselstromkreisen fließt hingegen noch ein Reststrom, der in Näherung gegeben ist durch /'= Uo)C. Ist sein Wert genügend klein, so kann er unter Umständen mit Hilfe des Schalters S_c abgeschaltet werden; im allgemeinen ist es jedoch zweckmäßig, einen Reststromschalter S' vorzusehen, der zugleich auch zum Schließen des Netzstromkreises bei eingeschaltetem Schalter S verwendet werden kann.

Aus dieser Darstellung geht hervor, daß durch Öffnen des Schalters S ein zusätzlicher, vorwiegend kapazitiver Widerstand in den Hauptstromkreis eingefügt wird, wodurch in Gleichstromkreisen eine

sonanzkreis liegt.
Es ist auch denkbar, die dem Netzstrom / proportionale Kondensatorspannung U_c mit Hilfe eines kleinen Gleichstromgenerators zu erzeugen, dessen Erregung durch den Netzstrom / erfolgt. Der Antriebsmotor hätte dabei lediglich die Reibungs- sowie die magnetischen Verluste zu decken. Man wird jedoch von einer derartigen Anordnung nur in Sonderfällen Gebrauch machen.

Selbstverständlich wäre es an sich möglich, unabhängig von der jeweiligen Größe von / immer einen

totale Abschaltung, in Wechselstromkreisen eine sehr 6o gleich großen Impuls zu verwenden. Doch kann man starke Herabsetzung des Netzstromes auf beispiels- dann nicht von einer Schaffung günstiger Ausschaltweise einige Prozent des Nennstromes bewirkt wird. bedingungen für den Schalter S sprechen, da diese Da kapazitive Stromkreise auch bei kleiner Strom- Forderung nur für den größten abzuschaltenden stärke, sofern keine Gegenspannung da ist, infolge Momentanwert zutreffen würde, während bei kleinen der großen Phasenverschiebung zwischen Strom und 6g Momentanweiten von / sogar eine Verschlechterung wiederkehrender Spannung nicht allzuleicht unter- auftreten kann.

brachen werden können und zudem immer die Ge- Da, wie gezeigt wurde, die Erfüllung der Bedin-

fahr von Resonanzüberspannungen mit irgendwelchen gung U_c — k-I insbesondere in Wechselstromnetzen

mit erheblichen Schwierigkeiten verbunden ist und einen großen Aufwand bedingt, kann es zweckmäßig sein, einen konstanten Wert von U_c einzuführen, jedoch die Impulskreiskonstanten C, L und R dem jeweiligen Momentanwert des Netzstromes/ anzupassen. Die im folgenden beschriebenen beispielsweisen Ausführungsformen der Erfindung befassen sich nun mit Lösungen nach diesem Prinzip. Betrachtet man zunächst wieder periodisch verlaufende Impulse, so tischen Schaltern S₁ bis S₄, deren Bewegung vom Netzstrom / beeinflußt wird. Im vorliegenden Beispiel ist angenommen, daß ein Eisenkern 30 in die Spule 31 entgegen einer Feder 32 um so tiefer hineingezogen wird, je größer der Netzstrom / ist, wobei sich nacheinander die Schalter S₁ bis S₄ schließen und bei fallendem Netzstrom wieder öffnen. Für Schaltvorgänge solcher Art verwendet man zweckmäßig sogenannte Schaltpatronen, deren Anker, die

ist die Amplitude des Impulsstromes, wie man ge- ίο zugleich als Strombrücke dienen, verschieden große sehen hat, durch den Ausdruck gegeben Ansprechströme aufweisen. Da Schaltpatronen mit

Schaltzeiten von einigen 10"⁴ Sekunden leicht ausgeführt werden können, macht eine Anpassung von C an den Momentanwert von / keine Schwierigkeiten, um so mehr, als das Schließen und Öffnen strom- und spannungsfrei erfolgen. Die Induktivität L besteht aus einem Eisenkern 33, der im allgemeinen einen Luftspalt 34 aufweisen wird, und einer Wicklung 35, durch die der Impulsstrom fließt. Ist nun ao beispielsweise entsprechend einem kleinen Momentanwert von / nur der Schalter S₁ geschlossen und damit der Kondensator C₁ in den Impulskreis einge-

Macht man also den Schwingungswiderstand l/_ umgekehrt proportional zu / entsprechend der Beziehung / · ]/—= konstant, so paßt sich wiederum die Amplitude des Impulsstromes automatisch dem jeweiligen Momentanwert des Netzstromes / an. Den Schwingungswiderstand (auch Wellenwiderstand ge-₁
schaltet, so wird beim Schließen des Schalters S_c nur ein kleiner Impulsstrom fließen, der Eisenkern 33

nannt) kann man nun z.B. verkleinern, indem bei 25 bleibt ungesättigt, und die InduktivitätL weist demkonstanter Kapazität des Kondensators C der Wert nach einen hohen mittleren Wert auf. Sind hingegen der Induktivität L verkleinert oder bei konstanter
Indukivität die Kapazität vergrößert wird. Beides hat

p
zur Folge, daß die Frequenz des Impulsstromes

z. B. beim Maximalwert des Netzstromes / alle vier Schalter S₁ bis S₄ geschlossen und dementsprechend die Kondensatoren C₁ bis C₄ parallel geschaltet, so wird der Eisenkern der Induktivität L infolge des großen Impulsstromes gesättigt, was zu einem entsprechend kleinen Wert der Induktivität L führt. Man erkennt daher, daß die Bedingung L · Cä; konstant in Näherung erfüllt ist.

Schließlich zeigt Fig. 11 noch eine Anordnung, bei der die Umschaltung der Kapazitäten und Induktivitäten praktisch trägheitsfrei mit Hilfe von Funkenstrecken bewirkt wird, wobei zugleich noch eine automatische Auslösung bei zu hohen Momentanwerten von / bzw. dlI dt erfolgt.

Es bedeutet wie bisher G einen Wechsel- oder Gleichstromgenerator, Z die Belastung, S den Schalter, S' den Reststromschalter, 50 einen im Hauptstrompfad liegenden Shunt, 51 einen möglichst streu-

sich ändert, und zwar im ersten Fall kleiner, im zweiten Fall größer wird. Nun kann man aber auch noch gleichzeitig L verkleinern und C vergrößern derart, daß im Mittel L · Cä; konstant ist. In diesem Fall bleiben dann die Eigenfrequenz und damit die Halbwertdauer annähernd konstant.

In den Fig. 9 bis 11 sind drei mögliche Ausführungsformen mit veränderlichen Impulskreiskonstanten dargestellt. Die Induktivität L des Impulskreises
ist als eine Drossel 20, bestehend aus einem Eisenkern 21, einer Wicklung 22 im Impulsstromkreis und 45 ungslosen Stromwandler mit der Primärwicklung 52 einer vom Netzstrom durchfiossenen Vormagneti- und der mit hoher Windungszahl versehenen Sekunsierungswicklung 23, ausgebildet, während der Kon- därwickiung 53. 54 ist ein Kondensator, 55 ein densator C auf eine feste Spannung U_c aufgeladen Dämpfungswiderstand, 56 eine Vierfachfunkenstrecke wird. Je größer nun der Momentanwert des Netz- mit den Hauptelektroden 57 und den Hilfselektroden Stromes / ist, auf um so höhere Werte wird die Dros- 50 58, welch letztere mit den Enden der im Hauptstromsel 20 vormagnetisiert, was eine entsprechend kleinere kreis liegenden Drossel 59 über einen Widerstand 60

in Verbindung stehen. 61 ist ein Entladewiderstand, 62 ein Transformator mit hohem Übersetzungsverhältnis, dessen Primärspule mit 63 bezeichnet ist. Die Sekundärspule 64 weist Anzapfungen a_v a₂, O₃, a₄ und e auf. C₁, C₂, C₃, C₄ sind parallel geschaltete Kondensatoren die über die punktiert angedeutete Anordnung, bestehend aus der Gleichspannungsquelle 66 und dem Ladewiderstand 67, auf eine Spannung in der Größenordnung des Maximalwertes Ü des Generators G aufgeladen werden. F₁ bis

wirksame Induktivität ergibt. Es kann demnach wenigstens in Näherung die Bedingung

konstant

erfüllt werden, wobei ρ eine Proportionalitätskonstante ist.

Eine andere Lösung, bei der sowohl C als auch L im Impulskreis geändert werden, zeigt Fig. 10. Der Impulskreiskondensator ist in vier Einzelkondensatoren C₁ bis C₄ aufgeteilt. Die Induktivität L ist als Drosselspule mit Eisenkern, in diesem Fall ohne Vormagnetisierung, ausgeführt. Die Anpassung der jeweiligen Größe der Kapazität des Impulsstromkreises erfolgt mit Hilfe von schnellen elektromagnet F₄ sind Funkenstrecken, die in Reihe mit den Kondensatoren C₁ bis C₄ liegen. L₁ bis L₄ sind Teilinduktivitäten. S bedeutet den Schalter, bestehend aus den feststehenden Kontakten 68, 69 und der Strombrücke 70.

Die Wirkungsweise der Anordnung ist folgende: Der Kondensator 54 wird über den am Shunt 50

9 10

liegenden Wandler 51 ständig auf eine Spannung auf- takten 68, 69 und der Schaltbrücke 70 ausreichend geladen, die dem Strom / proportional ist. Die groß ist, wird die Hauptfunkenstrecke 57 überbrückt, Hauptfunkenstrecke57 kann nun so eingestellt wer- worauf dann die Unterbrechung am Schalters, wie den, daß sie bei einem bestimmten Höchstwert von /, eben beschrieben, vor sich geht. Kommt anderseits dem eine entsprechende Spannung am Kondensator 5 eine automatische Auslösung zustande, indem bei zu 54 entspricht, zum Ansprechen kommt. Der Konden- hohem Momentanwert des Stromes und dementspresator entlädt sich dann mit einem exponentiell an- chend zu hoher Spannung am Kondensator 54 die steigenden Strom über die Primärspule 63 des Trans- Hauptfunkenstrecke 57 anspricht, oder wenn bei zu formators 62 und den Entladewiderstand 61. Die hohem dl/dt infolge der dabei entstehenden hohen dabei auftretende Stromanstiegsgeschwindigkeit ist io Spannung an der Drossel 59 die Hilfsfunkenstrecke direkt proportional der Kondensatorspannung und 58 und im Anschluß daran wiederum die Funkendamit auch dem zugehörigen Momentanwert des strecke 57 zum Ansprechen kommen, so muß gleich-Stromes /. Dies hat zur Folge, daß an der Sekundär- zeitig der Schalter 5 ausgelöst werden, wobei die wicklung 64 in Näherung eine Gleichspannung indu- Schaltbrücke 70 so stark zu beschleunigen ist, daß beiziert wird, deren Höhe wiederum praktisch propor- 15 spielsweise schon nach etwa 10~⁴ Sekunden ein austional zum Momentanwert von / ist. Die Konden- reichend großer Kontaktabstand erreicht ist. satoren C₁ bis C₄ sollen nun einzeln oder in Gruppen Das Einschalten könnte im Prinzip ebenfalls mit

über passend gewählte Induktivitäten entladen wer- Hilfe des Schalters S durchgeführt werden. Da jedoch den derart, daß jeweils /_c!>/ und C-Lt^k² ist. unter Umständen auf Über- oder Kurzschlußstrom Diese Forderung wird nun in Näherung dadurch er- 20 eingeschaltet wird, so ist es zweckmäßig, dies mit füllt, daß die oberste Anzapfung^ der Sekundär- einem Hilfsschalter5' zu bewerkstelligen, der auch wicklung 64 mit der oberen Elektrode der Funken- für die Abschaltung des Reststromes /' benutzt werstrecke F₁, die Anzapfung a₂ mit F₂ usw. verbunden den kann.

werden, wobei es zweckmäßig sein kann, in diese Fig. 12 zeigt das Prinzipschema einer weiteren An-

Leitungen noch Dämpfungswiderstände einzuschal- 25 Ordnung nach der Erfindung, die in Fig. 13 im ten. Ist nun der im Abschaltaugenblick vorhandene Schnitt und in Fig. 14 in der Draufsicht dargestellt Momentanwert des Stromes / klein, so wird der Kon- ist. In diesen Figuren sind wieder mit S der Schalter, densator 54 auf eine entsprechend geringe Spannung mit C die Kapazität, mit L die Induktivität und mit aufgeladen, die Stromsteilheit in der Spule 63 des F, F' die Funkensrecken des Impulskreises bezeich-Wandlers 62 ist ebenfalls mäßig. Entsprechend soll 30 net, während S' den Hilfssehalter bedeutet, der zur nun die Sekundärspannung zwischen e und a_t an der allfälligen Unterbrechung eines Reststromes sowie Sekundärwicklung 64 gerade genügen, um die Fun- zum Schließen des Stromkreises dient. 84 a ist eine kenstrecke F₁ über den Dämpfungswiderstand 65 im Hauptstromkreis liegende Spule, die zugleich zur zum Ansprechen zu bringen. Es entlädt sich dann Vormagnetisierung der Drossel L dient; ihre Enden der Kondensator C₁ über die Induktivität L₁, d.h., 35 sind mit der oberen Elektrode 95 der Funkenstrecke F eine relativ kleine Kapazität wirkt mit einer großen und der Hilfsfunkenstrecke F' verbunden. Der zwei-Induktivität zusammen. Ist im Gegensatz dazu der armige Hebel 108 dreht sich um die Achse 109 und Momentanwert von / im Augenblick der Unter- steht mit dem Hebel 112 in Verbindung, an dem die brechung groß, so wird der Kondensator 54 auf eine Isolierstange 113 angelenkt ist, die an ihrem unteren hohe Spannung aufgeladen, die Steilheit des Entlade- 40 Ende einen Magnetkern 114 und den Betätigungsstromes ist groß, und es genügt daher beispielsweise knopf 115 trägt. 116 ist die Auslösespule, die von auch noch die Spannung zwischen e und a₄, um die einer Batterie 117 gespeist und mit Hilfe des Schal-Funkenstrecke F₄ zu zünden. Da die Spannungen an ters 118 eingeschaltet wird. Die Feder 98 hält im Be-F₁ bis F₃ noch wesentlich höher sind, hat dies zur triebszustand den Schalter S geschlossen. Die ganze Folge, daß alle vier Funkenstrecken zusammen an- 45 Anordnung wird in die Anschlußkontakte A₁ und A₂ sprechen. Es entladen sich nun die vier Konden- eingehängt. Die Wirkungsweise wird im Zusammensatoren über die Parallelschaltung von L₁ bis L₄, also hang mit den Fig. 13 und 14 erläutert, eine große Kapazität über eine verhältnismäßig kleine In den Fig. 13 und 14 bedeutet 80 ein U-förmiges

Induktivität, die wiederum so gewählt wird, daß Traggestell, an dem der aus zwei in Reihe geschal-/_c>/ ist. 50 teten Einheiten bestehende Kondensator C mit seinen

In beiden Fällen wirken sich die Ströme/ und /,. Durchführungen 81 und 82, die Induktivität L mit über die Schaltbrücke 70 und insbesondere längs der ihrem Eisenkern 83, der Impulswicklung 84 und der Lichtbogen entgegen, so daß, wie bereits erwähnt Vorerregungswicklung 84 α sowie die Isolierplatte 85 wurde, zwei kurz aufeinanderfolgende Stromnull- befestigt sind. Der Schalter S besteht aus einem zylindurchgänge entstehen, wobei zudem noch die Span- 55 drischen Isoliergehäuse 86, in das die Schienen 87 nung am Schalter S annähernd Null ist. Je nach den und 88 eingeführt sind; ihre Enden 89 und 90 stellen äußeren Umständen fließt nun noch ein durch den zugleich die feststehenden Kontakte des Schalters 5 kapazitiven Widerstand der Kondensatoren C₁ bis C₄ dar. 91 ist die Strombrücke, die einen Betätigungsstift gegebener Reststrom weiter. Es kann aber auch vor- 92 trägt. 93 ist eine Scheibe aus hochohmigem Widerkommen, daß die Funkenstrecken F₁ bis F₄ löschen, 60 Standsmaterial, 94 und 95 sind Elektroden einer so daß die Abschaltung bereits endgültig voll- Gleitfunkenstrecke, die, wie aus Fig. 14 hervorgeht, zogen ist. seitlich gegenüber dem Betätigungsstift 92 versetzt

Für das einwandfreie Arbeiten dieser Anordnung sind. Die Elektrode 94 ist nach unten geführt und sind noch folgende Gesichtspunkte von Bedeutung: endigt in den Anschluß 96, während die Elektrode 95 Will man willkürlich einen Betriebsstrom unter- 65 in leitender Verbindung mit der Schiene 88 steht, brechen, so wird der zeitliche Ablauf zweckmäßig Über den Elektroden befindet sich ein leichter Kolben wie folgt gestaltet. Zunächst wird der Schalter S ge- 97, der sich über die Feder 98 gegen den Ansatz 99 öffnet; sowie der Kontaktabstand zwischen den Kon- des Betätigungsstiftes 92 abstützt, wodurch der Kon-

Reduktion des Stromes im Schalter S und die künstliche Erzeugung von Stromnulldurchgängen findet nun die Löschung der Lichtbogen im Schalter S statt. Unterdessen hat sich der doppelarmige Hebel 108 5 weitergedreht und drückt nun mit seinem rechten Ende auf den Bolzen 107, wodurch sich die Schaltbrücke 104 des Hilfsschalters S' von dem feststehenden Kontakt 106 abhebt, was zur Unterbrechung des Reststromes führt.

Tritt nun ein Kurzschluß z. B. an der Stelle X (vgl. Fig. 12) auf, so entsteht infolge der schnellen Stromänderung an der Induktivität 84 a eine hohe Spannung, was zur Zündung der Hilf sf unkenstrecke F' und damit auch der Funkenstrecke F führt. Der Eintaktdruck zwischen den feststehenden Kontakten 89
und 90 einerseits und der Schaltbrücke 91 anderseits
erzeugt wird. Das Isoliergehäuse 86 ist am oberen
Ende durch einen einschraubbaren Deckel 100 abgeschlossen, durch den der Betätigungsstift 92 in der
Mitte hindurchgeführt ist. Oberhalb des Kolbenbodens
befindet sich ein weiterer Ansatz 101, mit Hilfe dessen
der Betätigungsstift 92 beim Hochgehen des Kolbens
97 mitgenommen und damit der Schalters geöffnet
wird. Über der Schaltbrücke 91 sind noch zwei Kon- io
takte 102 und 103 angeordnet, die in leitender Verbindung mit den Elektroden 94 und 95 stehen; beim
Hochgehen der Sehaltbrücke 91 entsteht eine Verbindung zwischen diesen Elektroden. 104 ist die federnd
gelagerte Schaltbrücke des Hilfsschalters S', die über 15 fachheit halber sind in Fig. 14 lediglich die Elektroeine flexible Leitung 105 mit der Spule 84 α leitend in den von F und F' angedeutet. Nach Zünden der Verbindung steht. 106 ist der feststehende Kontakt Funkenstrecke F zwischen den Elektroden 94 und 95 des Hilfsschalters S', der seinerseits wieder mit der (vgl. Fig. 13) tritt ein relativ langer Gleitfunke längs Schiene 88 verbunden ist. 107 stellt den Betätigungs- der Oberfläche der Widerstandsplatte 93 auf. Dabolzen für den Hilfsschalter dar. Über den doppel- 20 durch wird die Luft unter dem Kolben 97 explosionsarmigen Hebel 108, der sich um die Achse 109 dreht, artig erhitzt, der Kolben bewegt sich entgegen der sind der Betätigungsstift 92 und der Bolzen 107 mit- Feder 98 nach oben und nimmt über den Betätigungseinander gekoppelt. Die Achse 109 ist an den Lagern stift 92 und den Anschlag 101 die Schaltbrücke 91 110 und 111 (s. Fig. 14) abgestützt und trägt am vor- mit. Wie Versuche gezeigt haben, ist es auf diese deren Ende einen Hebel 112, an den die Auslöse- as Weise möglich, sehr hohe Beschleunigungen zu erstange 113 angelenkt ist, die zum Auslösemagnet zeugen, so daß die Schaltbrücke 91 in dem Augen-114, 116 (s. Fig. 12) der Anordnung führt. 119 ist blick, da der Impulsstrom sich seinem Maximum das Gehäuse, das zweckmäßig mit einer isolierenden nähert, bereits einen so großen Kontaktabstand erFlüssigkeit, z. B. mit Öl, gefüllt wird. Um den Kon- reicht hat, daß eine sichere Löschung der Lichtbogen densator C aufladen zu können, ist die Elektrode 94 30 im Schalter S gewährleistet ist. Es wurde bereits einmit einer Klemme 120 verbunden, so daß zusammen gangs gezeigt, daß nach Abschaltung im Schalter 5 mit der Schiene 87 beide Pole des Kondensators von der Kondensator C als wesentliche Impedanz in den außen zugänglich sind. Das Innere des Schalters S Stromkreis eingeschaltet ist. Soll zudem noch eine kann entweder mit dem Öl im Gehäuse 119 durch Abschaltung des Reststromes erfolgen, so wird wiekleine, nicht dargestellte Öffnungen kommunizieren; 35 derum die Auslösespule erregt und in der bereits bees kann aber auch eine andere Schaltflüssigkeit ein- schriebenen Weise der Hilfsschalter S' geöffnet. Für gefüllt werden oder der Schalters mit einem geeig- das Einschalten ist es zweckmäßig, zunächst den neten Löschgas, z. B. Wasserstoff auch unter Über- Schalter S und erst hinterher den Schalter S' zu schliedruck, gefüllt sein. Für gewisse Zwecke kann es ßen, was beispielsweise in einfacher Weise dadurch günstig sein, den Schalter S in an sich bekannter 40 zu erzielen ist, daß der Schalter 5' durch eine kleine, Weise als Vakuumschalter auszuführen, wobei dann nicht dargestellte Öldämpfungspumpe in seiner Schließzweckmäßig der Betätigungsstift 92 über eine bewegung verzögert wird. Der Schalter als ganzes elastische Membran hinauszuführen ist. kann entweder, wie es in den Fig. 12 bis 14 ange-SoIl zu einem beliebigen Zeitpunkt der Betriebs- deutet ist, in den Zug der Leitung eingehängt werden; strom abgeschaltet werden, so wird zunächst von 45 es ist aber auch möglich, den Schalter auf Isolatoren Hand mit Hilfe des Betätigungsknopfes 115 zu stellen. Die Auslösespule muß selbstverständlich (s. Fig. 12) oder über den Auslösemagnet 114, 116
die Auslösestange 113 nach unten gezogen, wobei
sich über den Hebel 112 die Achse 109 und damit
auch der doppelarmige Hebel 108 (vgl. Fig. 14) im 5°
Uhrzeigersinn drehen. Dies hat zur Folge, daß der
Betätigungsstift 92 sich nach oben bewegt, wodurch
sich die Schaltbrücke 91 von den feststehenden Kontakten 89 und 90 abhebt. Im Augenblick, da sich die
Schaltbrücke 91 gegen die Kontakte 102 und 103 55 begrenzers dar und sind zudem für Hand-, Überlegt, entlädt sich der Impulskreis, gebildet aus dem strom- (z. B. Shunt 50 in Fig. 11) und Kurzschluß-Kondensator C und der Induktivität L. Der Impuls- Stromauslösung (z. B. Drossel 59 in Fig. 11) ausstrom fließt durch den feststehenden Kontakt 89, das gerüstet. Die Bauelemente sind einfach und betriebuntere Ende des Anschlusses 87 zur Durchführung 81 sicher. Die Schaltarbeit an den Schaltern S und S' ist des Kondensators C, über die Durchführung 82 des 60 verschwindend gering und die Abschaltung im wesent-Kondensators zur Spule 84 der Induktivität L, von liehen nach (1 . . . 3) · 10~⁴ Sekunden vollzogen. Sie deren Ende zum Anschluß 96, der in Verbindung sind in ihrer Anwendung weder hinsichtlich Stromsteht mit der Elektrode 94, zum Kontakt 102, durch stärke noch Spannung beschränkt. Infolge des verdie Schaltbrücke 91 zum Kontakt 103, über die Elek- schwindenden Kontaktabbrandes können derartige trode 95 zu dem Anschlußbügel 88, zum Kontakt 90 65 Anordnungen mit Vorteil auch in Fällen mit großer des Schalters S, über die Lichtbogen am Schalter S Schalthäufigkeit angewendet werden. Der entschei- und die Schaltbrücke 91 zurück zum feststehenden dende Vorteil dürfte aber darin zu erblicken sein, daß Kontakt 89. Durch die vom Impulsstrom bewirkte hinter einem derartigen Schalter infolge der strom

auf Erdpotential liegen und steht lediglich über die Auslösestange 113 mit der Anordnung in mechanischer Verbindung.

Wie aus der Erläuterung hervorgeht, kann das Verfahren nach der Erfindung sowohl für Gleich- als auch Wechselstromanlagen verwendet werden. Die zur Ausübung des Verfahrens beschriebenen Anordnungen stellen eine Kombination eines Schalters und Strom-

begrenzenden Wirkung überhaupt kein Kurzschlußstrom mehr auftreten kann, so daß das Netz nur noch mit Strömen in der Größenordnung des Nennstromes beansprucht wird. Ferner ist es von Vorteil, daß die magnetische Energie des Stromkreises, trotzdem nicht bei einem Nulldurchgang des Netzstromes unterbrachen wird, sich ausgleichen kann, wobei im allgemeinen, zunächst ein Teil dieser Energie von den Kondensatoren im Impulsstromkreis aufgenommen wird, so daß das Auftreten von Überspannungen weitgehend verhindert ist.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

1. Anordnung zur Schaffung günstiger Ausschaltbedingungen für elektrische deich- und Wechselstromschalter mit mindestens einer Unterbrechungsstelle und einem dazu parallel zu schaltenden, geladenen elektrischen Energiespeicher, der der Unterbrechungsstelle zwecks Abschaltung, insbesondere auch beim Einsetzen von Überströmen und Kurzschlüssen, einen dem zu unterbrechenden Strom entgegengesetzt gerichteten Impulsstrom zuführt, der dem im Abschaltmoment vorhandenen Momentanwert des abzuschaltenden Stromes angepaßt ist und dessen Höchstwert mindestens 80 % dieses Momentanwertes beträgt, da durch gekennzeichnet, daß die Anpassung des Impulsstromes an den Momentanwert des abzuschaltenden Stromes durch Aufladung des Energiespeichers in Abhängigkeit von dem Momentanstrom des zu schaltenden Kreises bzw. von dem Spannungsabfall eines von dem zu schaltenden Strom durchflossenen Widerstandes oder durch Entladung eines oder mehrerer auf einen festen Wert aufgeladener Energiespeicher über die in Abhängigkeit von dem Momentanwert des zu schaltenden Stromes gesteuerte Induktivität und Kapazität des Impulskreises selbsttätig erfolgt und die Halbwertdauer des Impulsstromes durch entsprechende Wahl der Bestimmungsgrößen des Impulskreises höchstens 1 ms beträgt.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung des Impulsstromes ein aus Induktivität und Kapazität bestehender Schwingungskreis parallel zur Unterbrechungsstelle geschaltet ist, wobei die Induktivität und die Kapazität konstant sind, während die Spannung an der Kapaziät proportional dem jeweiligen Momentanwert des Netzstromes ist.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazität des Schwingungskreises parallel zu einem vom Netzstrom durchflossenen Widerstand liegt.

4. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil der Kapazität des Schwingungskreises Bestandteil eines auf die Netzfrequenz abgestimmten Resonanzkreises ist, der parallel zu einer vom Netzstrom durchflossenen Induktivität liegt.

5. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung des Impulsstromes ein aus Induktivität und Kapazität bestehender Schwingungskreis parallel zur Unterbrechungsstelle geschaltet ist, wobei der Schwingungswiderstand des Schwingungskreises dem Momentanwert des Netzstromes angepaßt ist, während die Spannung an der Kapazität bis zum Einsetzen des Impulsstromes konstant ist.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwecks Erzielung einer konstanten Halbwertdauer das Produkt aus Induktivität und Kapazität des Schwingungskreises angenähert konstant ist.

7. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingungskreis derart in Teilschwingungskreise unterteilt ist, daß jedem Teilschwingungskreis entsprechend seinem Schwingungswiderstand ein bestimmter Bereich des Momentanwertes des Netzstromes zugeordnet ist.

8. Anordnung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch schnelle, vom Netzstrom beeinflußte elektromagnetische Schalter, mit deren Hilfe die dem jeweiligen Momentanwert des Netzstromes entsprechenden Teilschwingungskreise vorbereitet werden.

9. Anordnung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch Funkenstrecken, mit deren HiKe die dem jeweiligen Momentanwert des Netzstromes entsprechenden Teilschwingungskreise im Ausschaltmoment eingeschaltet werden.

10. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilschwingungskreise eine gemeinsame Induktivität aufweisen, deren Größe von dem durch die jeweils eingeschalteten Kapazitäten bestimmten Impulsstrom abhängt.

11. Anordnung nach einem der Ansprüche 2 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die maximale an der Kapazität des Schwingungskreises hegende Spannung gleich der ein- bis zweifachen Netzspannung ist.

12. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zur Unterbrechungsstelle ein ohmscher Widerstand angeordnet ist.

13. Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Wert des Widerstandes höchstens gleich dem auf die Netzfrequenz bezogenen Absolutwert des Scheinwiderstandes des Kondensators im Schwingungskreis ist.

14. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Abschaltung des Reststromes und zur Wiedereinschaltung ein zusätzlicher Schalter vorgesehen ist.

15. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Funkenstrecken vorgesehen sind, wobei an der einen Funkenstrecke eine dem Momentanwert des Netzstromes proportionale Spannung hegt, während an der anderen Funkenstrecke eine dem Momentanwert der Stromänderung des Netzstromes proportionale Spannung hegt und wobei die Einstellung der Funkenstrecken derart gewählt ist, daß bei vorgegebenen Momentanwerten des Stromes und der Stromsteilheit die Funkenstrecken ansprechen und damit das Schließen des Impulsstromes und die Öffnung der Unterbrechungsstelle einleiten.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 269 254, 395 443, 408605, 449883, 642824, 712498, 742715, 822128.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen