DE2350335A1 - Strombegrenzungseinrichtung - Google Patents

Description

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ing. B. HOLZEB ATTGSBUEO

VIlASSB 14

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W. 641

Augsburg, den H. Oktober 1973

Westinghouse Electric Corporation, Westinghouse Building, Gateway Center, Pittsburgh, Allegheny County, Pennsylvania 15222, V.St.A.

Strombegrenzungseinrichtung

Die Erfindung betrifft eine Strombegrenzungseinrichtung mit einem ersten Schaltglied und einem zweiten, aus einer festen Stellung innerhalb eines Verschiebeweges verschiebbaren Schaltglied und mit einer Vielzahl diskreter, aufeinanderfolgend in Reihe angeordneter elektrisch leitender Schaltelemente, die im normalen Betrieb zwischen dem ersten

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Schaltglied und dem zweiten Schaltglied und daran angrenzend gehalten sind₀

Bisher sind bei Gleichstrom-Hochleistungsanwendungen, beispielsweise bei Walzwerken, elektrochemischen Anlagen oder dgl«, bei welchen die Ansprechgeschwindigkeit und die Leistungsfähigkeit wichtig sind, fast ausschließlich Thyristor-Leistungswandler verwendet worden« Vergleicht man die Stromüberlastbarkeit dieser Leistungswandler mit der Stromüberlastbarkeit gleichwertiger Gleichstromgeneratoren, so stellt sich heraus, daß die letzteren beträchtlich robuster sind. Infolgedessen erfordern die-Leistungswandler ziemlich anspruchsvolle und aufeinander abgestimmte Schutzeinrichtungen mit Vorrichtungen zur Tastimpulsunterdrückung, Sicherungen, Ausschaltern usw.. Die Peripheriegeräte nehmen deshalb einen beträchtlichen Umfang an.

Gemäß einem älteren Vorschlag wird bei einer Strombegrenzungseinrichtung eine Vielzahl elektrischer Leiter verwendet, die unter der Einwirkung einer Druckkraft gehalten und beim Auftreten eines Fehlerstroms plötzlich freigegeben werden,, Die sich daraus ergebende gesteuerte Lichtbogenbildung zwischen hintereinanderliegenden elektrischen Leitern

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ergibt _?·- unabhängig vom Stromfluß_s über einen beträchtlichen ..· Strömstärkenbereich einen begrenzten Abfall der Stromstärke, wodurch ein in Reihe geschalteter Ausschalter ausreichend geschützt wird, so daß er beispielsweise innerhalb der Grenzen seiner Ijenribetriebswerte arbeitet. Es ist jedoch festgestellt worden^ daß bei fortgesetztem Betrieb der Strombegrenzungs<■einrichtung über einen Zeitraum eine Verschlechterung der Oberfläche der elektrischen Leiter entsteht-, wodurch sich der Widerstand vergrößert und die. ursprünglichen Konstrufctions-» parameter so stark verändert werden, daß ein Austausch der Einrichtung erforderlich wird_# Mit anderen Worten: Die Strombegrenzungseinrichtung weist nach etwa zehnmaligem Betrieb einen statischen Widerstand auf, der vom ursprünglichen Widerstand verschieden ist, Pas kann so nachteilig sein, daß ein. Austausch der Einrichtung erforderlich ist_e

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung der eingangs dargelegten Art so zu verbessern, daß sie auch nach wiederholtem.Betrieb einen konstanten Ohmschen Widerstand aufweist, so, daß das Problem des häufigen Austauschens der Einrichtung wesentlich vermindert wird.

Im Sinne der Lösung dieser Aμfgabe ist eine solche

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Strombegrenzüngseinrichtung gemäß der Erfindung durch eine Vielzahl Von Rinnen, die im wesentlichen senkrecht zum Verschiebeweg des zweiten Schaltglieds und in der Nähe der elektrisch leitenden Schaltelemente verlaufen, und durch Mittel zum Verschieben des zweiten Schaltglieds um eine begrenzte Strecke innerhalb des Verschiebeweges in Abhängigkeit von einem, einen zu großen Stromfluß zwischen dem ersten und dem zweiten Schaltglied anzeigenden Signal gekennzeichnet» derart, daß nach dem "Verschieben des zweiten Schaltglieds eine Vielzahl von Lichtbogen zwischen den hintereinanderliegenden Sehaltelementen erzeugt werden und irgendwelche infolge der Lichtbogen entstehende Versehleißteilchen durch die genannten Rinnen abgeführt werden«

Die Erfindung ist nicht nur bei Gleichstrom, sondern auch bei Wechselstrom anwendbar.

Eine bevorzugte Äusführungsform der Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die anliegenden Zeichnungen beispielsweise beschrieben« Es zeigen:

Pig» i eine bevorzugte Ausführ.ungsform

einer Strombegrenzungseinrichtung nach der Erfindung,

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Pig. 2 eine Anwendungsmoglichkeit der in

Pig. 1 dargestellten Einrichtung,

Pig. 3 eine weitere praktische Anwendung

der in Fig. 1 dargestellten Einrichtung, wobei zur Begrenzung des stationären Stroms Nebenschluß-, kontakte vorgesehen sind,

Fig. 4 ein Blockschaltbild zur Erläuterung

der Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Einrichtung, und

die Pig, 5A, 5B Spannungs-Zeit-Diagramme zur und 5C Erläuterung der Arbeitsweise der

■ in Pig, 4 dargestellten Schaltung.

In Pig. 1 ist eine Strombegre'nzungseinrichtung nach der Erfindung allgemein mit 10 bezeichnet. Eine Vielzahl diskreter elektrisch leitender Elemente, die hier als Graphitplatten dargestellt sind, ist allgemein mit 12 bezeichnet. Eine Vielzahl von Plasmarinnen ist allgemein mit lh bezeichnet. Diese Rinnen weisen Isolierstücke auf,

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von denen eines mit 16 bezeichnet ist. Das Isolierstück ist in Schlitzen l8a und 18b von Teilen 20 und 22 befestigt. Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, weisen die Teile 20 und jeweils eine Vielzahl von Schlitzen zur Aufnahme von Isolierstücken auf. Eine Plasmarinne ist jeweils für eine Anzahl von Graphitplattenleitern vorgesehen, beispielsweise eine Rinne für zehn Graphitplatten. Der Abstand zwischen einem elektrischen Leiter, beispielsweise 24, und einem benachbarten Rinnenteil, beispielsweise 26, ist etwas kritisch. Je kleiner dieser Abstand ist, desto größer ist die Leistungsfähigkeit. Ein Abstand von 0,75 mm stellt einen guten Kompromiß zwischen Leistungsfähigkeit und mechanischer Realisierbarkeit dar₀

Auf der linken Seite der Fig. 1 ist eine nicht dargestellte Graphitplatte vorzugsweise mit Kupfer überzogen und mit einer Aluminiumplatte verbunden, wodurch ein erstes elektrisches Schaltglied gebildet ist. Der elektrische Anschluß erfolgt über eine flexible geflochtene Kupferleitung 28, die mit einem an der Aluminiumplatte befestigten Stift verbunden ist. Die ganze Anordnung ist mittels einer Isolierbüchse von einem stählernen Rahmenteil 30 isoliert. Das Rahmenteil 30 ist außerdem durch Isolierplatten 32 und 34 isoliert.

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Am anderen- Ende der Anordnung der¹ Graphit platt en 12 ist vorzugsweise ebenfalls die letzte Platte mit Kupfer überzogen und an einer Alumi'riiump latte 36 befestigt j welche ein zweites elektrisches Schaltglied darstellt* Eine Vielzahl von Federseheiben, beispielsweise Teilerfedern 38, üben eine Druckkraft auf die Graphitplattensäule 12 aus* Eine •'Muttrer 4ö ist gegen einen nicht dargestellten Schaft geschraubt, der an der Äluminiumplätte 36 angeordnet ist, und halt dadurch eine flexible geflochtene Kupferleitung 42* Die Leitung 42 ist durch eine Öffnung 44 eines Rahmenteils nach oben herausgeführt«

Die Mutter 40 ist auf ein mit Gewinde versehenes Teil aufgeschraubt₉ welch letzteres in den beiden mit Pfeilen angedeuteten Verschieberichtungen verschiebbar ist* Die Verschiebung erfolgt mittels eines schnellen Qffnuiigsmechanismus 52, welcher Repulsionsspülen aufweist, die durch einen Auslöseimpuls betätigt werden, der seinerseits beim Peststellen eines Fehlerstromes erzeugt wird. Anstelle von Repulsionsspülen kann auch jeder andere schnelle Öffnungsmechanismus Anwendung finden»

Ein Stahlgehäuse ist allgemein mit 54 bezeichnet und besteht aus Platten 30, 46, 56 und 58. Die Platte 30 greift

in einen nicht dargestellten Schlitz der.Platte 58 und ■ einen-Schlitz 6ö der Platte kß» In gleicher Weise-greift die Platte 56 i,n einen Schlitz 62 der Platte 46 und einen Schlitz 6.4 der Platte 58. ...

Gemäß Pig. 2 ist die Strombegrenzungseinrichtung in Reihe mit einem Gleichstrommotor 66 geschaltet» der über einen Thyristor-Leistungswandler 68 gespeist wird. Der Gesaratwiderstand und die Gesamtinduktivität des Stromkreises ist mit R bzw, L bezeichnete Diese Anordnung dient zum . Schutz des Leistungswandlers 68.

Pig, 3 zeigt eine der in Pig« 2 dargestellten Schaltung ähnliche Schaltung, wobei jedoch parallel zur Strombe™ grenzungseinrichtung 10 Nebenschlußkontakte 70 vorgesehen sind, welche durch einen schnellen Öffnungsmechanisraus beim Auftreten eines Fehlerstrorns geöffnet werden, B@ira Auftreten eines ernsten Fehlers₄ beispielsweise im PaHe bestimmter Arten einer Thyristor'-Fehlzündung, werden die Nebensehlußkontakte schnell geöffnet und der Pehlersferom wird innerhalb von etwa 1,3 ras nach der Erzeugung eines; Auslöseimpulses, der den Fehl er strom anzeigt, über die/: noch geschlossene Strombegrengungg&inrichtUng 10 geleitet* An dieser-Stelle trennen sich die Plattenleiter txnd es.

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entsteht ein vielfacher Lichtbogen, so daß eine Lichtbogenspannung entsteht, die der Spannung des Leistungswandlers und der Induktivität L entgegengesetzt gerichtet ist. Der Fehlerstrom beginnt sich daher zu vermindern. Die Arbeitsweise der Einrichtung 10 an sich x\rird nachstehend beschrieben»

Beim Auftreten eines Fehlerstromes wird ein Auslöseimpuls erzeugt, der den zu großen Strom anzeigt und bewirkt, daß die Repulsionsspulen das .zweite elektrische Schaltglied nach rechts verschiebt, wie aus Fig. 1 ersichtlich ist. Infolgedessen werden die Plattenleiter 12 um eine bestimmte Distanz verschoben, so daß zwischen den einander benachbarten Platten Lichtbogen auftret.en. '

Der Grund für den erfolgreichen Betrieb dieses kleinen Strombegrenzers 'liegt in seiner Fähigkeit, eine im Verhältnis zum Spannungsabfall bei gegebenen Strom hohe Lichtbogenspannung zu erzeugen. Je höher die Lichtbogenspannung ist, desto größer wird der bei einer bestimmten Fehlerstromstärke auftretende Verschleiß. Wenn jedoch der Strom wesentlich vermindert werden kann, kann auch die Lichtbogenleistung vermindert werden.

Die Anordnung kann entweder in der Kathodenspannungs-

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betriebsart oder in der Anodenspannungsbetriebsart arbeiten. Die Kathodenspännungsbetriebsart ergibt sich aus einem kurzen Lichtbogen, während die Anodenspannungsbetriebsart aus einem langen Lichtbogen resultiert. Die Unterscheidung zwischen lang und kurz ist verhältnismäßig willkürlich, jedoch kann im vorliegenden Fall ein Lichtbogen mit einer Länge von etwa 0,025 mm als kurz und ein Lichtbogen mit einer Länge in der Größenordnung von 3,2 mm als lang bezeichnet werden. Es ist zu erwarten, daß die Lichtbogenspannung sich sowohl mit dem Druck als auch mit der Länge ändert, so daß folglich die physikalische Interpretation von kurzen und langen Lichtbogen entsprechend verschiedenen Strömen abgewandelt werden muß, da diese Ströme höchstwahrscheinlich verschiedene Drücke verursachen. Wenn die Plattenleiter 12 betätigt sind, ist der in Betracht zu ziehende Lichtbogenspannungsabfall der Spannungsabfall bei kurzen Lichtbogen, nämlich bei der Kathodenspännungsbetriebsart.

Unter normalen Bedingungen stehen die Graphitplattenleiter 12 unter einem festen Druck und ergeben einen bestimmten Widerstand. Die Anordnung gemäß dem oben beschriebenen älteren Vorschlag weist eine ziemlich begrenzte Lebensdauer auf, da der Widerstand nach jedem

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Miderst.aftds.zunähmeirx ^epiOKsaiilaen^^^fewediei^. eine-Übg TeMperatur; oder- machen die .Stromwendung schwierig« G-emäS der Erfindung sind Plasmarinnen l^t vavge.sehen* we3.ehe.eift schnelles Abführen von Verschleißteilcjaen, nämlißh Kohlen« staub und gelegentlich durch die Lichtbogen losgelöste Grapihatteilchen, in die Umgebüngsluft unter dem Einfluß der. lichtbogenindüzierten Explosionskräfte ermöglichen,. . •wodurch die Oberflächen der Plattenleiter während einer beträchtlich längeren Zeit verhältnismäMg sauber gehalten ■werden« Die, die Trennung der Plattenleiter bewirkenden Kräfte,-$ind wahrscheinlich eine Kombination von Ström*. einschnürungs.* und. Gaskräften» Infolgedessen -verläuft die fortschreitende Widerstandszunähme viel allmählicher-, wodurch die Lebensdauer· vergrößert wird*

Einen tieferen Einblick in die Arbeitsweise der Anordnung erhält man anhand der in Fig«' 4 dargestellten . Schaltung und der Spannungs-Zeit-Diagramme der Pig« 5A, 5B und 5C* Die Strpmbegrenzereinrichtung lö weist hier Plattenleiter aus Kohle mit. einer Nennspannung von 1QÖÖ V bei einer Säule aus-51 Kohleplatten auf_β. . ■ .

Bei der Schaltung naöh Fig.. 4 beträgt bei t s 0 der;

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normale, durch die Schaltung fließende Strom etwa 500 A (Pig. 5A). Bei einem Strom von 500 A verbraucht die Einrichtung .10 etwa 300 W, Die sich daraus ergebende Wärme ist leicht durch Kühlung infolge Konvektion und/oder Wärmeleitung abführbar.

Bei t = 0 tritt ein Fehler auf und der Strom in der Schaltung beginnt mit einer Anstiegsgeschwindigkeit von 1^5 kA/ms anzusteigen (Fig. 5A), was durch die zusammengefaßte Kreisinduktivität L bestimmt ist. Es sei angenommen, daß die Anordnung zur Feststellung eines Fehlers und zur Erzeugung eines Auslösesignals zur Betätigung des Strombegrenzers 10 eine Millisekunde braucht. Dieses Auslösesignal ist der in Fig, 5B dargestellte Auslöseimpuls«

Die Reaktion des Strombegrenzers 10 ist in Fig, 5C abgebildet. Nach etwa 0,5 ms hat der schnelle Öffnungsmechanismus 52 das zweite elektrische Schaltglied 36 weit genug verschoben, damit zwischen den ersten Platten Lichtbogen entstehen. Der Vorgang ist kumulativ und die Licht- , bogentätigkeit vergrößert sich, bis bei t = 3 ms zwischen allen Plattenleitern Lichtbogen gezündet sind. Nun beginnt sich der Strom gemäß Fig, 5A zu vermindert und in der

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Einrichtung entsteht eine Lichtbogenspannung Ea, die der Quellenspannung Es entgegengerichtet ist. Die maximale Strombegrenzung tritt auf, wenn die Einrichtung 10 ihre volle KonstruktionsSpannung von 1000 V erreicht. Ist der Strom auf etwv 2000 A abgefallen, so vermindert sich die Spannung der Strombegrenzungseinrichtung 10 (Fig« -5C) selbsttätig. Der Strom verbleibt dann so länge niedrig, bis er entweder unterbrochen wird oder nach Behebung des Fehlers durch Schließen der Strombegrenzungseinrichtung 10 wieder seinen normalen Zustand eingenommen hat.

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Claims (2)

1. Patentansprüche

   ( 1.yStrombegrenzungseinrichtung mit einem ersten Schaltglied und 'einem zweiten, aus einer festen Stellung innerhalb eines Verschiebeweges verschiebbaren Schaltglied und mit einer Vielzahl diskreter, aufeinanderfolgend in Reihe angeordneter elektrisch leitender Schaltelemente, die im normalen Betrieb zwischen dem ersten Schaltglied und dem zweiten Schaltglied und daran angrenzend gehalten sind, gekennzeichnet durch eine Vielzahl von Rinnen (l4), die im wesentlichen senkrecht zum Verschiebeweg des zweiten Schaltglieds (36) um eine begrenzte Strecke innerhalb des Verschiebewegs in Abhängigkeit von einem, einen zu großen Stromfluß zwischen dem ersten und dem zweiten Schaltglied anzeigenden Signal, derart, daß nach dem Verschieben des zweiten Schaltglieds eine Vielzahl von Lichtbogen zwischen den hintereinanderliegenden Schaltelementen (12) erzeugt wird und irgendwelche infolge der Lichtbogen entstehende Verschleißteilchen durch die genannten Rinnen abgeführt werden.
2. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch

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   Nebenschlußkontakte (70), welche parallel zu den genannten elektrisch leitenden Schaltelementen (12) geschaltet sind
   und den Stromkreis in Abhängigkeit des genannten Signals
   öffnen«, .

   3· Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die elektrisch leitenden Schaltelemente (12) aus Graphit bestehen«,

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