DE1933218A1

DE1933218A1 - Hochspannungs-Gleichstrom-Trennschalter

Info

Publication number: DE1933218A1
Application number: DE19691933218
Authority: DE
Inventors: Philip Barkan; Greenwood Allan Nunns
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1968-07-05
Filing date: 1969-07-01
Publication date: 1970-08-20
Also published as: FR2013736A1; US3548256A; JPS4819464B1; GB1264375A

Description

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Trennschalter zur Unterbrechung eines Hochspannungsschaltkreises für Gleichstrom und insbesondere einen Trennschalter, bei dem durch Entladung eines kommutierenden Kondensators über eine die Schaltung unterbrechende Vorrichtung ein Null-Wert des Stroms erzeugt wird.

In dem besonderen, in Betracht kommenden Trennschalter ist eine Einheit zur Unterbrechung der Schaltung, im folgenden als Unterbrecher bezeichnet, in Reihe mit einer Schaltung für Hochspannungs-Gleichstrom verbunden, die durch den Unterbrecher

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einen Strom zum Verbraucher liefert. Über den Unterbrecher ist eine normalerweise geöffnete Kommutatorschaltung geschaltet, die einen aufgeladenen Kommutator-Kondensator einschließt. Wenn der Gleichstromschaltkreis unterbrochen werden soll, wird der Kondensator zur Entladung durch den Unterbrecher und die Kommutatorschaltung veranlaßt. Dieser Entladestrom ist ein oszillierender Strom, der den Strom durch den Unterbrecher auf Null herabdrückt und so dem Unterbrecher die Gelegenheit gibt, eine dielektrische Feldstärke aufzubauen und den Vorgang der Unterbrechung abzuschließen.

Bei bisher vorgeschlagenen Trennschaltern dieser Art für Hochspannungszwecke wurde gewöhnlich eine getrennte Quelle zur Aufladung des Kommutierungskondensators vorgesehen. Eine solche separate Quelle für die Autladung kann sehr kostspielig sein, und es wurden Bemühungen gemacht, um diese Kosten dadurch zu beseitigen, daß man den Kondensator direkt aus der Kraftübertragungsleitung auflädt. In einer solchen Anordnung kann die Entladung unmittelbar aus der Kraftübertragungsleitung stattfinden, ohne daß eine getrennte Quelle für die Aufladung erforderlich ist. Die Anordnung weist jedoch den Nachteil auf, daß der auf diese Weise gebildete Trennschalter größere Bogenentladungsströme während der Unterbrechung aufnehmen muß. Die erste Halbperiode des oszillierenden Entladestroms hat die gleiche Richtung wie der zu unterbrechende Gleichstrom. Erst in der zweiten Ilalbperiode des oszillierenden Entladestroms wird der Gesamtstrom auf Null gebracht. Da dieser Unterbrecher vor der Kondensatorentladung so betrieben wird, daß sich ein den Gleichstrom leitender Lichtbogen einstellt, erhöht die erste Halbperiode des oszillierenden Entladestroms den Gesamtbogenentladungsstrom auf einen beträchtlich größeren Wert als den Gleichstromwert. Typischerweise ist dieser Stromspitzenwert zweimal so groß wie der zu unterbrechende Gleichstrom. Die Unterbrechung wird noch erschwert durch die Anwesenheit dieses hohen Wertes des Bogenentladungsstroms vor dem Nullwert des Stroms.

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Es ist ein Ziel der Erfindung, eine unmittelbare Aufladung des kommutierenden Kondensators aus der Kraftleitung ohne eine getrennte Aufladequelle zu ermöglichen, jedoch ohne dabei die Größe des Bogenentladungsstroms zu erhöhen, welcher von dem Unterbrecher vor dem Nullwert des Stromes getragen werden muß.

Ein weiteres Ziel ist es, den Kondensatorentladestrom auszunutzen, um einen großen Teil der vollen Kontakttrennung äußerst schnell und vor dem Augenblick zu erreichen, in dem der erste Nullwert des Stroms durch die Kontakte geht.

Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist ein Unterbrecher vorgesehen, der trennbare Kontakte zur Einschaltung in Reihe mit der zu unterbrechenden Gleichstromschaltung umfaßt. Eine normalerweise offene Kommutatorschaltung ist über diese Kontakte geschaltet und umfaßt eine normalerweise offene Vorrichtung zur Schließung eines Schaltkreises und einen Kommutator-Kondensator, die dann in Reihe miteinander geschaltet sind, wenn die Schaltung für die Herstellung einer Schaltverbindung geschlossen ist. Der Kondensator ist an der Quellenseite der Kontakte an die Gleichstromschaltung auch dann angeschlossen, wenn die Vorrichtung zur Schließung des Schaltkreises geöffnet ist. Es ist eine Vorrichtung vorgesehen, die betätigt werden kann, wenn die Kontakte im Eingriff oder getrennt sind und bewirkt, daß der Kondensator aus der Gleichstromschaltung aufgeladen wird, wenn die Vorrichtung zur Schließung des Schaltkreises geöffnet ist. Es ist eine weitere Vorrichtuhg vorhanden, um die Vorrichtung zur Schließung des Schaltkreises zu schließen, während die Unterbrecherkontakte noch miteinander in Eingriff stehen zur Entladung des Kondensators durch diese Kontakte und die Vorrichtung zur Schließung des Schaltkreises. Sie bewirkt, daß der Kondensator mit einer Polarität aufgeladen wird, die seiner ursprünglichen Ladung entgegengesetzt ist. Der anfängliche Entladestrom geht durch die Kontakte in der gleichen Richtung wie der Gleichstrom in der Gleichstromschaltung. Der Entladestrom durch die Vorrichtung zur Schließung des Schaltkreises wird unterbrochen, wenn er im Verlauf der Schwingung auf Null geht. Die Unterbrecherkontakte

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werden nach dieser Unterbrechung voneinander getrennt. Es ist eine Vorrichtung vorgesehen, um die Vorrichtung zur Schließung des Schaltkreises wieder zu schließen, nachdem die Kontakte um eine vorbestimmte Strecke voneinander getrennt worden sind, und dadurch wird der Kondensator durch den Unterbrecher in einer entgegengesetzten Richtung, bezogen auf die Richtung der ursprünglichen Entladung, entladen und der Strom durch die Gleichstromschaltung dadurch auf den Nullwert gebracht.

Zu einem besseren Verständnis der Erfindung dient die folgende Beschreibung zusammen mit den Abbildungen.

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eines Trennschalters für eine Hochspannungsgleichs.tromschaltung nach einer Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 2 ist eine Kurvendarstellung gewisser Strombeziehungen, die beim Betrieb des Trennschalters auftreten.

Fig. 3 ist eine Kurvendarstellung anderer während der Unterbrechung vorhandener Strombeziehungen.

Fig. 4 ist eine schematische Darstellung einer modifizierten Form des erfindungsgemäßen Trennschalters.

Die Fig. 1 zeigt schematisch eine Hochspannungs-Gleichstromschaltung, die eine Quelle 12, einen Verbraucher 14 und eine Kraftübertragungsleitung 16 zur Kraftübertragung von der Quelle zum Verbraucher 14 umfaßt. Es wird angenommen, daß der normale Verbraucherstrom in der durch die Pfeile 17 angedeuteten Richtung fließt und über den Leiter 19 zur Quelle zurückfließt. Die Quelle 12 ist schematisch in Form eines Transformators 20 und eines mit der Sekundärwindung des Transformators in Reihe geschalteten Gleichrichters 21 dargestellt.

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Zur Regelung des Stromflusses zu dem Verbraucher 14 ist in der Übertragungsleitung ein Trennschalter in Reihe mit dem Verbraucher 14 zwischen die Quelle 12 und den Verbraucher 14 geschaltet. Die Induktanz des Kraftübertragungssystems an der Quellenseite des Trennschalters wird mit 18 bezeichnet.

Bei einer bevorzugten Form der Erfindung umfaßt der Trennschalter eine Vielzahl von Vakuumunterbrechern 25, die über einen Leiter 23 in Reihe verbunden sind. Jeder Unterbrecher 25 umfaßt eine stark evakuierte Hülle 26, die teilweise aus isolierendem Material besteht, und ein Paar von relativ beweglichen Kontakten 27 und 28, die in der evakuierten Hülle 26 angeordnet sind. Einer der Kontakte 27 ist auf einem leitenden Stab 27a, der sich durch ein Ende des Unterbrechers erstreckt, stationär befestigt. Der andere Kontakt 28 ist ein beweglicher Kontakt, der einen durch das andere Ende der Hülle herausragenden leitenden Stab 28a umfaßt. Ein flexibler Metallbalg 29, der an seinen gegenüberliegenden Enden mit dem beweglichen Kontaktstab 28a und der Hülle 26 dicht verbunden ist, gestattet die horizontale Bewegung des beweglichen Kontaktes 28, ohne daß das Vakuum in der Hülle 26 beeinträchtigt wird.

Jeder der Vakuum-Unterbrecher 25 kann in einer konventionellen Form vorhanden sein, und sie werden daher nur in schematischer Form gezeigt. In den US Patenten 2 949 520 und 3 089 936 werden geeignete Unterbrecher vom Vakuumtyp für diese Anwendung in Einzelheiten gezeigt und beansprucht.

Zur Öffnung der beiden Vakuum-Unterbrecher 25 ist eine Stellvorrichtung 30 in einer bestimmten Lage zwischen den Unterbrechern angeordnet. Diese Stellvorrichtung 30 umfaßt einen Zylinder 32 und ein in dem Zylinder angebrachtes Kolbenpaar 34, die an den beweglichen Kontaktstab 28a der beiden Unterbrecher 25 Jeweils durch geeignete isolierende Bauteile gekoppelt sind. Die beweglichen Kontakte 28 der beiden Unterbrecher 25 werden normalerweise durch eine Schließfeder 36, die zwischen den beiden Kolben 34 gezeigt ist, in der geschlossenen Stellung ge-

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Das Öffnen der Unterbrecher 25 wird dadurch bewirkt, daß den an den äußeren Seiten der beiden Kolben 34 gelegenen Zylinderräumen 35 eine unter Druck stehende Flüssigkeit oder Gas zugeführt wird und dadurch die Kolben 34 entgegen der Kraft der Feder 36 aufeinander zu geschoben werden. Eine geeignete Auslaßvorrxchtung 38 in der Zylinderwand zwischen den Kolben verhindert, daß sich zwischen den Kolben ein unerwünschter Druck aufbaut. Das Druckmittel für den Öffnungsvorgang wird den Zylinderräumen 35 über die Versorgungsleitungen 40 und 42 zugeführt, die durch ein Dreiwege-Ventil 44 gesteuert werden. Dieses Vaitil 44 umfaßt vorzugsweise ein Hauptventil und ein Vorventil zur Steuerung des Hauptventils in einer konventionellen Weise (nicht gezeigt). Wenn der Trennschalter, wie in Fig. 1 gezeigt, geschlossen ist, läßt das Ventil 44 den Druck aus den Kammern 35 ab. Wenn das Ventil 44 betätigt wird, verbindet es die Leitungen 40 und 42 mit der Hochdruckleitung Das Druckmittel fließt dann durch die Leitungen 46, 40 und 42 in die Zylinderräume 35 und treibt dadurch die Kolben 34 zusammen, um die Unterbrecher 25 zu öffnen.

Zur Betätigung des Ventils 44 ist ein geeignetes, auf elektrische Spannungen oder Ströme ansprechendes Stellglied 50 vorgesehen, das mit dem Leiter 23 in Reihe verbunden ist. Zur Förderung des Verständnisses der Erfindung ist dieses Stellglied 50 in vereinfachter schematischer Form so abgebildet, daß es eine stationäre Spule 51 und bewegliche, leitende Scheiben 52 umfaßt, die normalerweise unmittelbar benachbart zur Spule angeordnet sind. Die leitende Scheibe 52 ist mit einem geeigneten Steuerelement des Ventils 44 verbunden. Eine schnelle Änderung des Stromes durch die Spule 51 induziert einen Wirbelstrom in der Scheibe 52 und die magnetischen Felder der beiden Ströme erzeugen eine plötzlich ansteigende, abstoßende Kraft, welche die bewegliche Scheibe 52 schnell zur Betätigung des Ventils 44 nach oben treibt. Eine geeignete Vorrichtung ist vorgesehen

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(nicht gezeigt), um die Scheibe 52 so lange in dieser eingeschalteten Stellung zu halten, bis sie absichtlich zurückgestellt wird. Der normale Gleichstrom durch die Spule 51 induziert in der Scheibe 52 nur einen niedrigen Strom und es ist eine geeignete Verriegelungsvorrichtung (nicht gezeigt) vorgesehen, um während normaler Stromdurchgangsbedingungen die Scheibe 52 in ihrer Lage entsprechend Fig. 1 zu halten. Die Scheibe 52 wird nur auf einen abrupt sich ändernden Strom durch die Spule 51 hin betätigt. Ein Beispiel für eine Betätigungsvorrichtung dieser Art wird in den US Patenten 3 378 727 und 2 916 595 gezeigt.

Um den Gleichstrom zu unterbrechen, ist es notwendig, den Strom zuerst auf den Nullwert zu drücken und dann das Wiederzünden der Bogenentladung zu verhindern. Ein Weg zur Erzwingung des Nullwertes des Stroms besteht darin, daß ein örtlich gesteuerter Strom entgegen dem normal durchfließenden Verbraucherstrom durch den Unterbrecher geschickt wird. Dies ist der allgemeine, in der dargestellten Unterbrecheranordnung, verwendete Lösungsweg, bei welcher der entgegengesetzte Strom aus einem Kommutator-Kondensator 55 gewonnen wird. Wie untenstehend im einzelnen erklärt wird, wird der Kondensator 55 mit der in Fig. 1 gezeigten Polarität vorgeladen. Der Kondensator 55 befindet sich in einer Kommutator- oder Bogenlöschschaltung 56, die über die Unterbrecher 25 geschaltet ist. Die kommutierende Schaltung 56 wird durch die normalerweise offene Vorrichtung zur Schließung der Schaltung, die in Reihe mit dem Kommutator-Kondensator 55 geschaltet ist, normalerweise im geöffneten Zustand gehalten.

Wenn die Vorrichtung 58 zur Schließung des Schaltkreises geschlossen ist, wird - wie untenstehend erklärt - der Kommutator-Kondensator 55 durch einen geschlossenen Schaltkreis entladen, der aus der Reihenschaltung der Kommutatorschaltung 56, der Kontakte 27, 28' eines Unterbrechers 25, des Leiters 23, des Stellgliedes 50, der Kontakte 27, 28 des anderen Unterbrechers 25 und der Vorrichtung 58 zur Schließung der Schaltung besteht.

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Der Entladestrom'I.-- des Kondensators fließt ursprünglich durch diesen geschlossenen Schaltkreis -in der durch die Pfeile 39 dargestellten Richtung,

Dieser geschlossene Schaltkreis ist ein Schwingkreis, dessen Kapazität hauptsächlich durch den Kondensator 55 gebildet wird und dessen Induktivität durch eine Induktivität 60 dargestellt werden kann. Der Entladestrom I,- ist ein oszillierender Strom mit einer relativ hohen Frequenz, der dem durch die Kraftübertragungsleitung 16 fließenden Strom I_T überlagert wird. Diese Beziehung ist in Fig. 2 dargestellt, wo der gesamte durch die Unterbrecher 25 fließende Strom durch die Kurve I. wiedergegeben wird. Wenn der Kondensator in einem Zeitpunkt 62 mit seiner ursprünglichen Entladung beginnt, baut sich der Entladestrom I,.- auf einen positiven Spitzenwert auf, oszilliert dann auf einen negativen Spitzenwert hin und erreicht den Nullwert des Stroms in einem in Fig. 3 dargestellten Zeitpunkt 64. Wie in Kürze erklärt, unterbricht die Vorrichtung 58 zur Schließung des Schaltkreises den Entladestrom I ,_T in diesem Zeitpunkt 64

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und verhindert einen weiteren Fluß des Entladestroms so lange, bis die Vorrichtung 58 an einem nachstehend zu beschreibenden späteren Zeitpunkt erneut geschlossen wird.

Die Wirkung des Stroms I,- auf die Ladung auf den Kondensator 55 besteht darin, daß die Polarität der Ladung umgekehrt wird. Bei dem Nullpunkt des Stroms (64) ist die Kondensatorladung von entgegengesetzter Polarität wie die in Fig. 1 gezeigte, und die Spannung ist nahe an ihrem Höchstwert. Daher wird die Ladung auf dem Kommutator-Kondensator 55 umgekehrt, wenn die Vorrichtung 58 geschlossen und der resultierende Entladestrom I,- an dem Nullpunkt 64 für den Strom unterbrochen wird. Dies dient zur Vorbereitung des Kondensators 55 für den unten zu beschreibenden tatsächlichen Unterbrechungsvorgang.

Die Kontakte der Unterbrecher 25 bleiben während der oben beschriebenen Entladung des Kommutations-Kondensators geschlossen. Die Kontakte der Unterbrecher 25 werden erst nach

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einer kurzen Zeit voneinander getrennt. Das Öffnen der Kontakte wird durch das Stellglied 50 ausgelöst. Das Stellglied 50 spricht auf den Entladestrom I,- durch den Leiter 23 an, betätigt die bewegliche Scheibe 52 und veranlaßt sie zur Öffnung des Ventils 44. Hierdurch wird sofort Flüssigkeit oder Gas unter hohem Druck zu den Zylinderräumen 35 geliefert, die Kolben 34 werden aufeinander zu verschoben und dadurch werden die Kontakte 28 schnell aus dem Eingriff mit den Kontakten 27 verschoben, und es wird ein Abstand zwischen jedem Kontaktpaar 27, 28 eingestellt. Hierdurch wird in jedem Unterbrecher 25 über der Abstandsstrecke zwischen den Kontakten eine Bogenentladung gezogen, durch die dann der Verbraucherstrom I_T hindurchgeht.

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Nach einem Zeitraum, der lang genug ist, um zu gewährleisten, daß die beweglichen Kontakte 28 im wesentlichen ihre voll geöffnete Stellung erreicht haben, wird die Vorrichtung 58 (an einem Zeitpunkt 65 in der Fig. 2) geschlossen. Dies entlädt wiederum den Kommutator-Kondensator 55 und verursacht das Fließen eines Stroms I,„ durch den oben beschriebenen geschlossenen Schaltkreis 56, 27, 28, 23, 28, 27 in einer Richtung, welche der durch die Pfeile 39 angedeuteten Richtung entgegengesetzt ist. Der Strom geht dabei durch die Unterbrecher 25 über die dann zwischen den Kontakten 27, 28 bestehenden Bogenentladungen. Dieser Entladestrom I_d2 *-^st entgegengesetzt zu dem durch die Kraftübertragungsleitung 16 fließenden Strom I_ gerichtet und wirkt daher darauf hin, den

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Gesamtstrom in dem in Fig. 2 abgebildeten Zeitpunkt 66 gegen den Nullwert zu drücken.* Da die Kontakte dann im wesentlichen vollständig voneinander getrennt sind, sind die Unterbrecher in der Lage, nach dem Zeitpunkt 66 ihre dielektrische Feldstärke schnell genug wieder zu erhalten, so daß ein Wiederzünden der Bogenentladung verhindert und dadurch der Vorgang der Unterbrechung abgeschlossen wird.

Vorzugsweise ist die normalerweise geöffnete Vorrichtung 58 zur Schließung des Schaltkreises eine durch Trigger-Impuls

ausgelöste Vakuum-Entladungsstreckenanordnung der allgemeinen Art, wie sie in dem US Patent 3 087 092 gezeigt und bean-

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sprucht wird.

Demgemäß umfaßt die Entladungsstreckenvorrichtung 58 ein Paar im Abstand voneinander angeordneter Hauptelektroden 80 und 82, die in einer Hochvakuumkammer 84 angeordnet sind und dazwischen eine Hauptentladungsstrecke 85 bilden. Benachbart der Hauptelektrode 82 ist eine Triggerelektrode 86 angeordnet, die durch einen Metallfilm auf einem keramischen Haltestab 88 gebildet wird. Dieser keramische Haltestab 88 ist konzentrisch zur Hauptelektrode 82 angeordnet und an seinem äußeren Umfang in geeigneter Weise dicht mit der Hauptelektrode 82 verbunden. Ein Teil des keramischen Haltestabes 88 ist nicht mit einem Überzug versehen und definiert eine Triggerentladestrecke 91 längs dieser Oberfläche ohne Überzug, welche unter normalen Bedingungen die Triggerelektrode 86 von der Hauptelektrode elektrisch isoliert. Eine leitende Verbindung 89 erstreckt sich durch den keramischen Haltestab 88 und über seine obere Endfläche zu derTriggerelektrode 86.

Wenn ein geeigneter Spannungsimpuls zwischen der Triggerelektrode 86 und der Hauptelektrode 82 angelegt wird-, zündet die Triggerentladungsstrecke 91 und der sich ergebende Zündfunken verdampft einen kleinen Teil der Triggerelektrode 86. Dieser Dampf wird schnell ionisiert und in die Hauptentladungsstrecke 85 eingeführt. Dadurch wird deren dielektrische Feldstärke verringert und ein Zusammenbrechen der Feldstärke in der Hauptentladungsstrecke 85 ausgelöst. Wenn die Feldstärke in der Hauptentladungsstrecke 85 auf diese Weise zusammenbricht, kann sich der Kommutator-Kondensator 55 über die Unterbrecher und den Leiter 23 in der oben beschriebenen Weise durch die Kommutatorschaltung 56 entladen.

Eine Vakuumvorrichtung mit Triggerung ist ein idealer Vorrichtungstyp zur Verwendung als Vorrichtung 56 zur Schließung der Schaltung in dem Trennschalter, da sie in der Lage ist, in einer extrem kurzen Zeit geschlossen zu werden (d. h. zur Entladung angeregt zu werden) und außerdem auch deswegen, weil sie in der Lage ist, den resultierenden durchfließenden Strom bei

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dem Eintreten des ersten Nullwertes des Stroms nach der Auslösung der Entladung zu unterbrechen.

Der oben beschriebene Impuls über der Trigger-Entladungsstrecke 91 wird aus einer beliebigen geeigneten konventionellen Impulsquelle gewonnen, wie sie schematisch bei 92 gezeigt wird, die in einer Impulsschaltung 93, 94 verbunden ist, die sich zwischen der Trigger-Elektrode 91 und der Hauptelektrode 82 erstreckt. Diese Impulsquelle 92 kann ihren Spannungsimpuls auf die Vervollständigung einer der beiden Eingangsschaltungen 95 und 98 hin abgeben. Die Eingangsschaltung 95 ist ein normalerweise geöffneter Schaltkreis, der dann geschlossen wird, wenn die Auslösung einer Unterbrechung erwünscht ist. Es ist zu beachten, daß dieser Impuls kurz ist und lange vor dem Zeitpunkt 64 beendet ist, so daß die Triggerentladungsstrecke 91 dann ihre dielektrische Feldstärke wieder gewonnen hat und keine Produkte erzeugt, welche die gewünschte Unterbrechung des Entladestroms I,- bei 64 verhindern würde.

Zur Auslösung eines Unterbrechungsvorganges wird ein normalerweise offenes, auf Überstrom ansprechendes Relais, wie es schematisch bei 96 angedeutet ist, vorgesehen. Wenn der Strom in der Kraftübertragungsleitung 16 einen vorbestimmten Wert überschreitet, zieht das Relais 96 an, schließt seine Kontakte 96a und stellt damit die Eingangsschaltung 95 für die Impulsquelle her. Dies löst wie oben beschrieben einen Öffnungsvorgang aus. Der Öffnungsvorgang kann nach Wunsch anstatt durch einen Überstrom dadurch ausgelöst werden, daß einfach von Hand ein parallel zu den normalerweise geöffneten Kontakten 96 a des Überstromrelais 96 geschalteter Schalter 97' geschlossen wird. Dadurch wird die Eingangsschaltung 95 zur Auslösung eines Unterbrechervorganges in der gleichen Weise wie oben beschrieben vervollständigt.

Ein wichtiger Gesichtspunkt der Erfindung besteht darin, daß der oben beschriebene Stromimpuls I ,- nicht den Bogenentladungsstrom erhöht, den die Unterbrecher 25 tragen müssen. Da die

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Kontakte 27, 28 der Unterbrecher 25 geschlossen sind, wenn dieser

Stromimpuls durch die Unterbrecher geht, fließt der erhöhte

Gesamtstrom I. durch einen festen metallischen, durch die geschlossenen Kontakte gebildeten Stromweg.

Erst nach diesem Stromimpuls I ,- werden die Kontakte 27, 28 zur Auslösung einer Bogenentladung getrennt. Der Stromimpuls I _, der durch die Unterbrecher fließt wenn die Vorrichtung ein zweites Mal geschlossen wird, erniedrigt den Bogenentladungsstrom ohne ihn zu erhöhen. Daher ist der Unterbrecher nicht extrem hohen Bogenentladungsströmen ausgesetzt worden, wenn der Nullwert des Stroms im Zeitpunkt 66 erreicht wird und ist daher besser in der Lage, seine dielektrische Feldstärke wieder zu erlangen, um den Unterbrechungsvorgang abzuschließen.

Um die Vorrichtung 58 ein zweites Mal, wie oben beschrieben, zu schließen, wird die Eingangsschaltung 98 für die Impulsquelle 92 herangezogen. Dies ist ein normalerweise offener Schaltkreis, der, wenn er geschlossen ist, die Impulsquelle dazu veranlaßt, der Trigger-Entladungsstrecke 91 einen Spannungsimpuls zu liefern. Diese Eingangsschaltung 98 wird durch das Schließen eines Steuerschalters 97 vervollständigt, wenn der bewegliche Kontakt 28 eines der Vakuum-Unterbrecher einen vorbestimmten Punkt in seinem Öffnungshub erreicht.

Zur Aufladung des Kommutator-Kondensators -55 wird die Aufladungsvorrichtung herangezogen, bei der der Kommutator-Kondensator unmittelbar aus den Kraftübertragungsleitungen 16 und 19 ohne eine getrennte Aufladungsquelle aufgeladen wird. In dieser Hinsicht ist der Kommutator-Kondensator 55 mit der Kraftübertragungsleitung 16 an der Stromquellenseite der Unterbrecher 25 verbunden und eine Aufladungsschaltung ist zwischen dem gemeinsamen Verbindungspunkt des Kondensators und der Vorrichtung 58 zur Schließung der Schaltung und dem Rückleiter 19 der Kraftübertragungsschaltung verbunden. Der Kondensator 55 ist stets an die ,Stromerzeugerseite der Gleich-

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stromschaltung angeschlossen, sogar wenn die Vorrichtung 58 geöffnet ist.

Die Aufladungsschaltung 100 umfaßt einen Widerstand 102 von einem relativ hohen Widerstandswert. Unabhängig davon, ob die Unterbrecher 25 geschlossen oder geöffnet sind, verbindet die Aufladungsschaltung 100 die Reihenschaltung des Kommutator-Kondensators 55 und des Widerstandes ICS- parallel zu den Anschlußklemmen der Stromquelle 12. Als Ergebnis dieser Schaltungsart kann die Stromquelle 12 den Kondensator 55 auf die volle Leitungsspannung mit einer Ladung mit der in Fig. gezeigten Polarität aufladen, unabhängig davon, ob die Unterbrecher 25 offen oder geschlossen sind (unter der Annahme, daß die Vorrichtung 58 geöffnet ist).

Da der Kommutator-Kondensator 55 aus der Stromquelle 12 geladen wird wenn die Unterbrecher 25 offen sind, ist es möglich, die Unterbrecher 25 mit der Gewißheit zu schließen, daß die Unterbrecher 25 unmittelbar darauf sich wieder öffnen können, um die Schaltung zu unterbrechen, wenn dies notwendig ist, beispielsweise wenn ein Leitungsfehler vorhanden ist.

Die Verwendung dieser Aufladungsvorrichtung hat den wichtigen Vorteil, daß es möglich ist, die Aufladung unmittelbar aus der Kraftübertragungsleitung 16 vorzunehmen, ohne eine separate Aufladungsquelle zu benötigen. Ein Nachteil, der bisher bei Verwendung dieser Auflädungsschaltung aufgetreten ist, besteht jedoch darin, daß der Trennschalter erhöhte Bogenentladungsströme aushalten mußte, da die Bogenentladung ausgelöst wurde bevor der Kommutator-Kondensator entladen war und der Stromimpuls I.j als Bogenentladungsstrom durch die Unterbrecher floß. Dies bedeutete, daß die Unterbrecher 25 einen Spitzenwert des Bogenentladungsstroms handhaben mußten, der gleich dem maximalen Strom I₊. der Fig. 2 ist. Erfindungsgemäß wurde dieses Problem gelöst. Zunächst dadurch, daß der ntladungsstrom I,- durch den Unterbrecher 25 geführt wird, bevor die Kontakte 27, 28 sich voneinander trennen. Der Entladestrom

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I_d2, der fließt, nachdem die Kontakte 27, 28 sich getrennt haben, erhöht den Bogenentladungsström nicht, sondern wirkt nur daraufhin, daß der Strom auf den Nullwert gebracht wird. Zweitens wird dadurch, daß der Entladestrom im Zeitpunkt 65 unterbrochen wird und erst dann wieder aufgenommen wird, wenn die Kontakte 27, 28 voll voneinander getrennt sind, gewährleistet, daß die Unterbrecher 25 in der Lage sind, die Hochspannungsschaltung dann zu unterbrechen, wenn der Nullwert des Stroms im Zeitpunkt 66 erreicht ist.

Ein weiterer wichtiger Vorteil des erfindungsgemäßen Trennschalters ist seine Fähigkeit, eine extrem schnelle Trennung der Kontakte 27, 28 zu erreichen. Um zu gewährleisten, daß ein Fehlstrom an dem Nullwert 66 des Stroms unterbrochen wird, ist es wichtig, daß im wesentlichen die volle Trennung der Kontakte 27, 28 vor diesem Augenblick erreicht werden kann. Während die vor diesem Zeitpunkt verstreichende Zeit durch Verzögerung des Zeitpunktes gesteuert werden kann, injdem die Vorrichtung 58 zum zweiten Mal gezündet wird, ist nur eine sehr geringe Verzögerung in dieser zweiten Zündung zulässig. Dies ist deswegen der Fall, weil der Gleichstrom sich weiterhin in seinem Wert erhöht und immer größere Werte der induktiven Energie abgeführt werden müssen, je langer der Zeitpunkt für den Nullwert des Stroms hinausgezögert wird.

Die erforderliche mechanische Ansprechszeit liegt in der Größenordnung von 0,004 Sek. zwischen der ursprünglichen Entscheidung zur Auslösung des Trennschalters bis zur vollständigen Trennung der Kontakte. Dies ist eine extrem kurze Zeit, sogar wenn man sie mit der Zeit vergleicht, die für konventionelle Schnell-Trennschalter für Hochspannungsschaltungen erforderlich ist. Wegen der Forderung dieser extrem kurzen Zeit sind konventionelle mechanische Systeme nicht ausreichend, in erster Linie deswegen, weil sie lange Isolationsstäbe einschließen, die ernsthafte Nachteile bezüglich der Wellenfortpf laiSingszeit und der erhöhten Masse mit sich bringen.

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Der erfindungsgemäße Trennschalter überwindet diese Probleme dadurch, daß der erste Halbperiodenimpuls I,- des Kondensatorentladestroms dazu ausgenutzt wird, einen Kontaktöffnungsvorgang auszulösen. In dieser Beziehung wird dieser Stromimpuls dazu veranlaßt, durch eine Betätigungsspule 51 zu fließen, welche sich auf dem gleichen Potential befindet wie die Unterbrecher 25. Da die Betätigungsspule 51 und das Ventil 44 sich beide im wesentlichen auf dem Potential der Übertragungsleitung 16 befinden, können sie mit einer kurzen Metallstange mechanisch miteinander verbunden werden. Es besteht keine Notwendigkeit für einen langen Isolationsstab, der erforderlich ist, um einen wesentlichen Anteil vorhandener Spannungen abzuhalten.

Bei Hochspannungsanwendungen mit einer großen Zahl von elektrisch in Reihe zueinander geschalteten Unterbrechern ist es üblich gewesen, entweder (1) die Unterbrecher mechanisch durch lange Isolationsstäbe miteinander zu verbinden und sie durch einen einzigen Betätigungsmechanismus zu betätigen, oder (2) getrennte Betätigungsvorrichtungen vorzusehen, deren Steuerteile durch lange Isolationsstäbe mechanisch miteinander verbunden sind. In der erfindungsgemäßen Anordnung wird die Notwendigkeit für diese langen Isolationsstäbe aufgehoben, indem (1) für jeden Unterbrecher oder jedes Unterbrecherpaar getrennte Betätigungsvorrichtungen vorgesehen werden, oder indem (2) unmittelbar benachbart zu jeder Betätigungsvorrichtung eine elektrische Steuervorrichtung 50 vorgesehen wird, und (3) indem der elektrische Impuls I_dl durch die Steuervorrichtungen 50 gegeben wird, um den Unterbrechungsvorgang auszulösen. Die Fig. 4 zeigt die Anwendung der Erfindung auf einen Trennschalter, der vier in Reihe geschaltete Unterbrecher 25 umfaßt. Jedes Unterbrecherpaar und seine Steuervorrichtung können als ein Modul 110 aufgefaßt werden. Diese Module 110 sind in Reihe miteinander geschaltet. Wenn zur Handhabung höherer Spannungen weitere Unterbrecher benötigt werden, können zusätzliche Module zugefügt werden und mit den gezeigten in Reihe verbunden werden. Bei der ursprünglichen Entladung des Kommutator-Kondensators fließt

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der Stromimpuls I,- durch das Stellglied 50 für jedes dieser Module. Wenn der Trennschalter geöffnet ist, sind die Stellglieder 50 voneinander durch die geöffneten Unterbrecher elektrisch isoliert, die elektrisch zwischen den Stellgliedern angebracht sind.

Obwohl es möglich ist, eine Anordnung aufzubauen, in der das Auslösesignal von einer Signalquelle jeder Steuervorrichtung durch einen getrennten Übertragungskanal zugeführt wird, der in der Lage ist, eine elektrische Isolation zwischen den Steuervorrichtungen und der Signalquelle aufrecht zu erhalten, beispielsweise ein Übertragungskanal für Rundfunkwellen oder Lichtsignale, ist zu beachten, daß bei der erfindungsgemäßen Anordnung solche zusätzlichen Übertragungskanäle nicht erforderlich sind. Das Signal wird den Steuervorrichtungen durch eine bereits bestehende elektrische Schaltung 16, 23 übermittelt, die noch für andere Zwecke , benötigt wird. Bei Anwendungen für niedrige Spannungen werden vorzugsweise die Steuervorrichtungen 50 in dem Kommutator-Schaltkreis 56 angeordnet, anstatt in der Hauptkraftübertragungsschaltung 16, 23. Auf diese Weise angeordnete Steuervorrichtungen 50 sind in der Fig. 4 mit gestrichelten Linien angedeutet. Ein Vorteil dieser Art der Anbringung der Steuervorrichtungen 50 besteht darin, daß die Spulen der Vorrichtungen nicht den Leitungsstrom I. übernehmen müssen. Dies gestattet eine kompaktere und wirksamere Konstruktion jeder der Steuervorrichtungen. Ein Nachteil der Anordnung der Steuervorrichtungen 50 in der Kommutator-Schaltung 56 besteht jedoch darin, daß manchmal eine beträchtliche Spannung zwischen der Steuervorrichtung und dem Ventil 44 vorhanden ist. Dies erfordert,. daß der die Teile 50 und 44 mechanisch verbindende Stab relativ lang und aus isolierendem Material ist, um diesen Spannungen zu widerstehen. Dies mindert die verfügbaren Schaltgeschwindigkeiten, wie oben ausgeführt. Für Anwendungen mit niedrigeren Spannungen braucht dieser Stab nicht sehr lang zu sein und sein Vorhandensein mindert daher nicht ernsthaft die Schaltgeschwindigkeit. Für Anwendungen mit höheren Spannungen wird er jedoch sehr lang und es wird daher vorge-

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zogen, die Steuervorrichtung 50, wie in Fig. 4 und 1 gezeigt, in der Kraftübertragungsschaltung 16, 23 anzuordnen.

Obwohl eine Steuervorrichtung 50 dargestellt wird, die unmittelbar das Ventil 44 betätigt, ist zu beachten, daß eine geeignete getrennte Energiequelle für jedes Ventil 44 vorgesehen werden könnte und die Steuervorrichtung nur dazu herangezogen werden könnte, um diese Quelle zur schnellen Betätigung des Ventils auszulösen.

Obwohl eine Steuervorrichtung 50 vorgezogen wird, die auf Abstoßungskräften, wie oben beschrieben, beruht, ist es selbstverständlich möglich, andere Arten von auf Ströme oder Spannungen ansprechenden Steuervorrichtungen stattdessen zu verwenden, beispielsweise eine geeignete elektromechanische Steuervorrichtung, die unter normalen Strombedingungen gehemmt ist und auf den Stromimpuls I_d- der Fig. 2 hin arbeitet.

Obwohl die dargestellte Vorrichtung 58 zum Schließen des Schaltkreises nur aus einer einzigen, durch Triggerimpuls ausgelösten Vakuumentladungsstrecke besteht, ist es selbstverständlich, daß bei Hochspannungsanwendungen eine Vielzahl gleichzeitig arbeitender in Reihe geschalteter Entladungsstrecken dieser Art verwendet werden.

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Claims

193321?

PATENTANSPRÜCHE

11.1 Trennschalter zur Unterbrechung eines Hochspannungs-Gleichstromschaltkreises, dadurch gekennzeichnet , daß er die folgenden Teile umfaßt:

(a) Unterbrecher (25) mit einem Paar voneinander trennbarer Kontakte 27, 28, der mit dieser Gleichstromschaltung verbunden ist,

(b) eine Vorrichtung (30), die normalerweise diese Kontakte im Eingriff miteinander hält und dadurch ermöglicht, daß der Gleichstrom in der Schaltung durch die Kontakte (27, 28) fließt,

(c) einen normalerweise geöffneten Kommutatorschaltkreis (56), der parallel zu diesen Kontakten (27, 28) geschaltet ist und eine normalerweise geöffnete Vorrichtung (58) zur Schließung des Schaltkreises (56) und einen Kommutator-Kondensator (55) enthält, die miteinander in Reihe geschaltet sind, wenn die Vorrichtung (58) geschlossen ist,

(d) wobei der Kommutator-Kondensator (55) an der stromquellenseite der Kontakte (27, 28) des Unterbrechers (25) auch dann angeschlossen ist, wenn die Vorrichtung (58) geöffnet ist,

(e) eine Vorrichtung (100) zur Aufladung des Kondensators (55) aus der Gleichstromschaltung, wenn die Vorrichtung (58) geöffnet ist, welche bei in Eingriff stehenden und bei getrennten Kontakten (27, 28) des Unterbrechers (25) arbeitsfähig ist,

(f) Vorrichtung (92, 93, 94, 95, 96, 96a, 97«) zur Schließung der Vorrichtung (58), während die Unterbrecherkontakte (27, 28) noch in Eingriff stehen, zur Entladung des Kommutator-Kondensators (55) durch die Kontakte und die Vorrichtung (58), wobei der Kommutator-Kondensator mit einer Polarität entgegengesetzt seiner ursprünglichen Ladung aufgeladen

wird und der ursprüngliche Entladungsstrom I^ durch die Kontakte (27, 28) in der gleichen Richtung fließt wie der Gleichstrom in der Hcshspannungeschaltung,

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(g) Vorrichtung zur Unterbrechung des Kondensator-Entladestroms durch die Vorrichtung (58), wenn der Entladestrom I,-auf Null absinkt,

(h) Vorrichtung (30, 44, 50) zur Trennung der Kontakte (27, 28) nach der ursprünglichen Entladung des Kommutator-Kondensators (55),

(i) Vorrichtung (97, 98, 92, 93, 94) zum Wiederschließen der Vorrichtung (58), nachdem die Kontakte (27, 28) um einen vorgegebenen Abstand voneinander getrennt sind, wodurch der Kondensator (55) durch den oder die Unterbrecher (25) entgegengesetzt zu der Richtung seiner ursprünglichen Entladung entladen und dadurch der Strom durch die Hochspannungsgleichstromschaltung auf Null gebracht wird.

2. Trennschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Vorrichtung zur Trennung der Unterbrecherkontakte (27, 28) Mittel (50, 44) umfaßt, die auf die ursprüngliche Entladung des Kommutator-Kondensators (55) ansprechen und bei denen durch diese Entladung ein Vorgang zur Trennung der Kontakte ausgelöst wird.

3. Trennschalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die auf die ursprüngliche Kondensatorentladung ansprechende Vorrichtung einen Bauteil (51) umfaßt, der effektiv mit dem Unterbrecher (25) in Reihe geschaltet ist'.

4. Trennschalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die auf die ursprüngliche Kondensator-Entladung ansprechende Vorrichtung (50) einen Bauteil (51) umfaßt, der so in die normalerweise geöffnete Kommutator-Schaltung eingeschaltet ist, daß der Gleichstrom in der Kraftübertragungsschaltung normalerweise nicht durchfließt.

5. Trennschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Vorrichtung (58) eine durch Triggerimpulji^ausgelöste Vakuum-Entladungsstrecke (85)

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umfaßt, die außerdem zur Unterbrechung der Kondensator-Entladung beim Nulldurchgang des Entladestroms I,- dient.

6. Trennschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Vorrichtung (58) eine durch Triggerimpuls ausgelöste Vakuum-Bogenentladungsvorrichtung umfaßt, die ein Paar von eine Hauptentladungsstrecke (85) bildenden Elektroden (80, 82) und eine Triggerentladungsstrecke (91) in der Nähe der Hauptentladungsstrecke (85) enthält, wobei die Hauptentladungsstrecke so eingerichtet ist, daß sie auf einen Überschlag in der Trigger-

fe Entladungsstrecke (91) hin zündet und daß die Vorrichtung (92, 93, 94, 95, 96, 96a, 97») zur Schließung der Vorrichtung (58) ein Mittel (92) zur Auslösung der Zündung der Trigger-Entladungsstrecke (91) umfaßt.

7. Trennschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß sie eine Steuerung (50, 44, 97) der Trennung der Unterbrecherkontakte (27, 28) aufweist, so daß die Kontakte sich nach der Unterbrechung des Entladestroms I_dl und vor der Schließung der Vorrichtung (58) zur Entladung des Kondensators(55) in der entgegengesetzten Richtung trennen.

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8. Trennschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß er eine Steuervorrichtung (50, 44, 97) aufweist, durch die die Kontakte (27, 28) getrennt werden, nachdem der ursprüngliche Entladestrom I_dl durch sein Maxinium gegangen ist und bevor die Vorrichtung (58) erneut geschlossen wird.

9. Trennschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Vorrichtung (100) zur Aufladung des Kondensators (55) einen zwischen dem Verbindungspunkt des Kondensators und der Vorrichtung (58) und dem Rückleiter (19) der Gleichstromschaltung eingeschalteten Widerstand (102) umfaßt.

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10. Trennschalter für eine Hochspannungs-Gleichstromschaltung, dadurch gekennzeichnet, daß er

(a) einen aus einem Paar trennbarer Kontakte (27, 28) bestehenden Unterbrecher (25) zur Reihenschaltung mit der Gleichstromschaltung,

(b) eine Vorrichtung (30), mit der diese Kontakte (27, 28) normalerweise in Eingriff für den Stromfluß durch die Schaltung gehalten werden,

(c) eine normalerweise geöffnete, über die Unterbrecherkontakte geschaltete Kommutatorschaltung (56), die eine normalerweise geöffnete Schließvorrichtung (58) und einen Kommutator-Kondensator (55) enthält, welche in Reihe miteinander geschaltet sind, aufweist,

(d) wobei der Kommutator-Kondensator (55) auch dann an der Stromquellenseite der Kontakte (27, 28) mit der Gleichstromschaltung verbunden ist, wenn die Vorrichtung (58) geöffnet ist,

(e) eine Vorrichtung (100), die die Aufladung des Kondensators (55) aus der Gleichstromschaltung bei geöffneter Vorrichtung (58) bewirkt und bei geschlossenen und getrennten Kontakten betriebsfähig ist,

(f) eine Vorrichtung (92, 93, 94, 95, 96, 96a, 97») zur Schließung der Vorrichtung (58) bei in Eingriff stehenden Kontakten, um eine Umkehrung der Polarität der Ladung des Kondensators (55) zu erhalten,

(g) eine Vorrichtung (50, 44) zur Trennung der Kontakte (27, 28) nach der Ladungsumkehr,

(h) eine Vorrichtung zur Aufrechterhaltung der umgekehrten Ladung auf dem Kondensator, bis die Kontakte (27, 28) sich um einen vorgegebenen Abstand voneinander getrennt haben, (i) eine Vorrichtung (97, 98, 92, 93, 94) zum Wiederschließen der Vorrichtung (58) nach der Trennung der Kontakte (27, 28), um einen vorgegebenen Abstand und zur Entladung des Kondensators (55) mit einer Stromrichtung die den Gleichstrom auf den Nullwert bringt.

H₄ Trennschalter für Hochspannungs-Gleichstromschaltkreis, dadurch gekennzeichnet, daß er umfaßt:

(a) eine Vielzahl von Unterbrechern (25), die jeweils trennbare Kontakte (27, 28) zur Reihenschaltung in der Gleichstromschaltung enthalten,

(b) Vorrichtung (30), um die Kontakte normalerweise in Eingriff zu halten und einen Gleichstrom in der Schaltung zu ermöglichen,

(c) Vielzahl von die Kontakttrennung steuernden Bauteilen (50, 44, 30) für die Unterbrecher (25), welche effektiv in Reihe mit der Gleichstromschaltung geschaltet sind und örtlich zwischen elektrisch aneinander benachbarten Unterbrechern an- ' geordnet sind,

(d) Vorrichtung (30) zur Trennung der Kontakte (27, 28) auf die Betätigung der die Trennung steuernden Komponenten(96, 50) hin,

(e) wobei die die Trennung steuernden Komponenten (50, 96) durch einen vorbestimmten, durch sie hindurchgehenden Stromimpuls betätigt werden und die Trennung der Kontakte (27, 28) durch die Trennvorrichtung (30) auslösen,

(f) die Trennung auslösende Mittel zur Überlagerung eines Stromimpulses über den durch die Kontakte fließenden Gleichstrom zur Betätigung der die Trennung steuernden Komponenten.

12. Trennschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß;

(a) die die Trennung steuernden Komponenten (96, 50) auf den durchfließenden, dem Ruhezustand entsprechenden Gleichstrom" nicht ansprechen und auf einen sich schnell ändernden Strom ansprechen und

(b) der durch die Vorrichtung zur Auslösung der Trennung dem Gleichstrom überlagerte Stromimpuls einen sich schnell ändernden Strom darstellt, der die Betätigung der Vorrichtung zur Steuerung der Trennung veranlaßt.

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