DE2362807A1

DE2362807A1 - Abschaltvorrichtung zum trennen grosser stroeme mit hilfe einer sprengladung

Info

Publication number: DE2362807A1
Application number: DE2362807A
Authority: DE
Inventors: Konstantin Isaakowit Kosoresow; Georgij Iwanowitsch Michajlu; Witalij Wasilewits Semtschenko
Original assignee: MOSKOVSK, University of
Current assignee: MOSKOVSK, University of
Priority date: 1973-12-18
Filing date: 1973-12-18
Publication date: 1975-06-19
Also published as: US3851219A; FR2259427A1; FR2259427B1

Description

Frank Ar λο.;-1 Nix

"Patents ο ν/alt

6 Frankfurt am Main 70
Gartenstraße 123

ABSCHALTVORRICHTUNG ZUM TRENNEN GROßER STRÖME MIT HILFE EIMR SPRENGLADUNG

Die vorliegende Erfindung bezieht sich, auf das Gebiet der Elektrotechnik und insbesondere auf Ab schalt vorrichtungen zum Trennen großer Ströme mit Hilfe einer Sprengladung und kann für eine schnelle Abschaltung elektrischer Stromkreise mit einer Stromstärke von über 1000 A und einer Spannung von über 1000 V angewandt werden.

Am wirkungsvollsten ist die Verwendung der Erfindung in Stromkreisen der Induktions- und Eondensatorenspeicher. In diesen Stromkreisen muß man zwischen der vollen Abschaltzeit des Stromkreises ^[~^ — Zeitabstand vom Moment der Aufgabe des Steuersignals bis zum Moment der Abschaltung und die Eigenzeit der Abschaltung £~_s - Zeit vom Anfang bis zum Ende der Abschaltung - unterscheiden.

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So besteht beispielsweise der Stromkreis eines induktiven Energiespeichers aus der Reiheschaltung einer Stromquelle,

einem Energiespeicher und einer Abschaltvorrichtung, parallel zu welcher eine Belastung geschaltet wird· Im Prozeß der Stromspeicherung, der von einigen Zehnteln bis einige Hunderte Sekunden dauert, bleibt die Belastung durch die Abschaltvorrichtung überbrückt und die Energie wird an dieser nicht ausgeschieden. Im Verlaufe der Zeit wird vom Moment der Aufgabe des Steuersignals bis zum Moment des eigentlichen Abschaltbeginns ( ^L 4> - ^tZ, ) ebenfalls keine Energie an der BeIax s

stung ausgeschieden, und diese Zeitspanne hat keine wesentliche Bedeutung, da sie immer im voraus berücksichtigt werden kann. Die Stromübernahme aus dem Speicher in die Belastung erfolgt schließlich nur während der eigentlichen Abschalt ze it

/ , aber ein Teil der Energie wird in der Abschaltvorrichtung ausgeschieden, wodurch ihr Wirkungsgrad vermindert wird.

Sieben einer kurzen Schaltzeit soll die Abschaltvorrichtung auch eine hohe Zuverlässigkeit aufweisen, da bei einer nicht vollkommen erfolgten Abschaltung ein beträchtlicher Teil der Spei eher energie in dieser ausgeschieden wird und dies kann zu Havariesituationen führen.

Eben dieser zuletzt genannte Umstand sowie das Streben, eine minimal mögliche Eigenzeit c _s der Abschaltung zu erzielen, haben zur Anwendung von Sprengstoffen in der Abschaltvorrichtung geführt.

Auf diesem Gebiet sind die durch BRD-Patent Nr.

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K1.21C-69 und USA-Patent Nr. 2892062, Kl. 337-290 geschlitzten Schalter bekannt. Diese Einrichtungen stellen einen rohrförmigen Leiter dar, dessen innerer Hohlraum mit einer Sprengstoffladung aufgefüllt ist. Die Einrichtungen sind zur Auslösung der Sprengung mit einem Detonator versehen. Der Leiter ist dabei mit Längsschlitzen und quergerichteten Kerben und Verschweißungen in dem verjungten mittleren oder Endteil ausgeführt:

ge ringindukt ive

Parallel zum rohrförmigen Leiter ist eine ν Schmelzsicherung angeschlossen, die zwei koaxial angeordnete bifilar gewickelte Leiter enthält.

Bei der Sprengung der Sprengstoffladung zerreißt der Hohlleiter und bildet fächerweise eine Rosette, während die Leiterenden als Düsen zum Löschen des Bogens der Trennströme durch Sprengprodukte dienen. Die Bogenspannung steigt bis zu einem Wert an, der zur Kommutierung des Stroms in die Schmelzsicherung erforderlich ist. Beim Aufschmelzen der Leiter der Sicherung erfolgt die endgültige Abschaltung des Stromkreises.

Bei jeder Konstruktion des durch die Sprengung zu zerstörenden Leiters hängen jedoch die Geschwindigkeiten seiner Splitter und somit die Geschwindigkeit der Bogenlöschung und die eigentliche Abschaltzeit wesentlich von dem Koeffizienten der Aufladung Jf - dem Verhältnis zwischen der Masse des Sprengstoffes und der Masse des zu zerstörenden Leiters ab. Die Notwendigkeit, durch den zu zerstörenden Leiter den gespeicherten Gesamtstrom durchfließen zu lassen, führt zur Vergrößerung der Masse des zu zerstörenden Leiters, der Masse

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der Sprengstoffladung und der Masse der die Sprengung lokalisierenden Konstruktionen. Ein Teil der Speicherenergie wird schließlich für die Zerstörung der Schmelzsicherung verbraucht, wodurch sein Wirkungsgrad vermindert wird.

Zweck der vorliegenden Erfindung ist die Beseitigung der genannten Nachteile und die Schaffung einer Einrichtung, die eine hohe Zuverlässigkeit und eine Schnellwirkung von 1 bis 5 mksek bei einer begrenzten Menge des Sprengstoffs hat.

Vorgeschlagen wird eine Abseilvorrichtung, die zum Trennen von großen Strömen mit Hilfe einer Sprengladung bestimmt ist, in der die Stelle der Trennung des Stromkreises als zwei parallele Zweige ausgeführt ist, in den ersten von denen erfindungsgemäß nur ein Schalter mit Sprengwirkung und in den zweiten in Reihe ein Schalter mit Sprengwirkung und ein Arbeitsstromrelais geschaltet sind, wobei bei der Abschaltung des Stromkreises zunächst die Trennung des ersten Zweiges erfolgt, infolgedessen der Strom auf den zweiten Zweig überspringt, und dann man in einem Zeitabstand, der für die Bildung in dem Schalter des ersten Zweiges einer Trennstrecke ausreichend ist,

die allen nachfolgenden Überspannungen des Stromkreises standhält, die Trennung des zweiten Zweiges vornimmt.

Im Einklang mit der Erfindung ist die Abschaltvorrichtung mit zwei parallel geschalteten Schaltern mit Sprengwirkung der bekannten Konstruktion versehen, wobei der eine der genannten

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Schalter, der im weiteren Arbeitsstromschalter genannt wird, mit einer größeren Querschnittsfläche ,und kleineren spezifischen Ladung ausgeführt und für einen Dauerdurchlaß des Arbeitsstroms berechnet ist, und der andere der genannten Schalter, der im weiteren Schalter- "Zuspitzer" genannt wird, mit einer kleineren Querschnitsflache und größeren spezifischen Ladung ausgeführt und für kurzzeitigen Durchlaß des Arbeitsstroms berechnet ist. Dabei ist in Seihe mit dem Schalt er-Zuspitzer ein Arbeitsstromrelais geschaltet, das beispielsweise als liiedervolt-Entladungsstrecke, als ein Thyratron, als ein Trigatron U..S.W· ausgeführt ist, so daß in der Ausgangsstellung durch diesen kein Strom passiert.

Beide Schalter können mit Hilfe von verhältnismäßig kleinen Sprengstoffladungen gesprengt werden, die Zerstörung der Leiter des Arbeitsstromschalters erfolgt dabei im Laufe von Millisekunden und mehr und die Zerstörung des Schalters-Zuspitzers im Verlaufe von 5 bis 10 mksek und noch schneller.

In Übereinstimmung mit der Erfindung kann die Notwendigkeit der Anwendung von größeren Sprengladungen sowie von sperrigen und schweren Schutzgehäusen, die die Explosion loka-

entbehrlich

lisieren, ν werden. Ist es notwendig, Hochspannungsströme zu unterbrechen, so kann das durch die ^eihensehaltung der Arbeitsstrom-Sprengschalter bzw. der Sprengschalter-Zuspitzer bewerkstelligt werden, von denen jeder für eine geringe Spannung bestimmt ist. In diesem Falle entfällt die Notwendigkeit,

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nur zwei Sprengschalter anzuwenden, die zur Trennung von Hochspannungsströmen bestimmt sind. Dabei sind Maßnahmen zu treffen, um das genau synchrone Ansprechen besonders der Schalter-Zuspitzer zu sichern.

Ist es notwendig, besonders große Ströme zu unterbrechen,

so kann das durch die Parallelschaltung der Sprengschalter Arbeitsstromes

des/ und der Sprengschalter-auspitzer bewerkstelligt werden, von denen jeder für einen geringen Arbeitsstrom bestimmt ist.

Die oben aufgezählten und anderen Ziele und Vorteile der Erfindung werden nachstehend an Hand der eingehenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt S¹Ig. 1 die erfindungsgemäße Abschaltvorrichtung;

Pig. 2 - Zeitdiagramm, das die Arbeit der Abschaltvorrichtung erläutert;

Fig. 5 - vielstufige Abschaltvorrichtung;

Fig. 4- - eine andere Variante der Abschaltvorrichtung.

In Fig. 1 ist die Abschaltvorrichtung gezeigt, die zwei parallele Zweige 1 und 2 hat, die in einen Stromkreis 5 geschaltet sind. Die Zweige 1 und 2 sind dabei jener Abschnitt, dessen Zerstörung die Abschaltung des Stromkreises 3> bewirkt.

Der Zweig 1 enthält einen Arbeitsstrom-Sprengschalter 4, der

einem
aus einem Hohlleiter 5 aus ν Material geringer Dichte, großer

Wärmeleitung und großer Leitfähigkeit, beispielsweise aus Magne-

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sium oder Aluminium>und aus einer Sprengpatrone 6 besteht. Diese Patrone 6 enthält eine in den Zeichnungen nicht gezeigte Sprengladung und kann zu beliebiger Zeit mit Hilfe von Aaschlußdräten über einen Umschalter, der die genanten Drähte an eine Stromquelle anschließt, elektrisch betätigt werden. Solche Zünder sind bekannt. . -.

Die Einzelteile der Sprengpatrone 6, der Sprengladung, des Zünders und seiner Steuerkreise sind in den Zeichnungen nicht gezeigt, da sie für die Behandlung der Wirkungsweise der Abschaltvorrichtung nicht nötig sind.

Der Zweig 2 enthält einen Sprengschalter-Zuspitzer 7 und ein in ßeihe geschaltetes Arbeitsstromrelais 8.

Die Konstruktion des Schalters-Zuspitzers 7 ist der Konstruktion des Arbeitsstromschalters 4 vollkommen ahnfifth;

ist
sein Hohlleiter"aus einem Material mit geringer Dichte und

hoher Wärmeleitung und Leitfähigkeit, vorzugsweise aus Magne-

/SftiTi Oiifirschnitt ist jedoch Kleiner_v

sium oder aus seinen Legierungen hergestellt/ Die Sprengladung der Patrone des Schalters-Zuspitzers kann mit Hilfe von Anschlußdrähten, eines Umschalters und einer Stromquelle nicht zu beliebigem Zeitpunkt elektrisch betätigt werden, sondern mit einer gewissen Verzögerung gegenüber dem Moment der Betätigung des Arbeitsstromschalters 4· Solche elektrische Verzögerungseinrichtungen sind in der Technik an sich bekannt und können auch vorliegend angewandt werden.

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— φ —

Das Arbeitsstromrelais ö'läßt im Normalζustand keinen Arbeitsstrom durch und -ie* als eine Niedervolt-Entladestrecke, Trigatron oder eine andere Vorrichtung ausgeführt werden, die ebenfalls auf dem erwähnten Gebiet der Technik weit bekannt sind·

In Fig. 2 ist ein Zeitdiagramm gezeigt, welches die Wirkungsweise der Einrichtung erläutert. In dem Normalzustand passiert der gesamte Arbeitsstrom des Stromkreises 3 den Zweig 1, da das Arbeitsstromrelais 8 den Zweig 2 abschaltet. Der Verlauf der Stromunterbrechung setzt bei der Entzündung der Sprengladung der Patrone 6 ein. Der Hohlleiter 5 zerreißt und der Strom im Zweig 1 wird unterbrochen. Das bewirkt das Ansprechen des Arbeitsstromrelais 8 und zwingt den Strom -J , durch den

zu

Zweig 2 über den Schalter-Zuspitzer 7 fließen. Dann,nach Ablaufen der Verzögerungszeit L ruft man mit Hilfe der elektrischen Verzögerungsvorrichtung die Sa*2undung der Sprengladung

/—■ des Schalters-Zuspitzers 7 hervor. Diese Verzögerungszeit C wird so gewählt, daß sie für die Bildung einer zerstörten Strecke im Schalter 4 ausreicht, die allen weiteren Überspannungen des elektrischen Stromkreises 3 standhalten kann.

Zerstörung
Nach der/des Hohlleiters des Schalters-Zuspitzers 7 erfolgt

die endgültige Abschaltung des Stromkreises 3»

Die beschriebene Einrichtung ermöglicht es, die Funktionen ihrer Einzelteile zu trennen und das obenerwähnte Ziel zu erreichen und zwar, die Eigenzeit L der Abschaltung bei einer

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geringeren Menge des Sprengstoffes und einer erhöten Zuverlässigkeit zu verkürzen.

Und wirklich., die beiden achalter 4- und 7 werden durch die Joui-Wärme erwärmt und hauptsächlich durch die Wärmeleitung abgekühlt.

Aus der Gleichung der Wärmeleitung ist leicht zu ersehen, daß die Einstelldauer des Temperaturverlaufs C des Hohlleiters, beispielsweise eines rohrförmigen Leiters, in dessen Achsrichtung ein Strom I fließt, angenähert gleich

(D

ist, wobei
3? » Länge des verjüngten Hohlleiters 5» /* Dichte; c = Wärmekapazität j χ = Wärmeleitung sind

Im stationären Zustand (bei Xp^ C^, t - Durchfluß ze it des Arbeitsstroms I) ist dabei der maximale Temperaturanstieg gleich

(2)

O » Leitfähigkeit und S - Querschnittflache des Hohlleiters 5 sind, die übrigen Bezeichnungen wie vorstehend.

Im E inst eil ζ ust and (bei "£"<:< ^₀ ) ist der maximale Temperaturanstieg gleich

(3) 509825/0229

Zugleich ist es bekannt, daß die Sprengladungen eine begrenzte chemische Beständigkeit haben und eine längere Erwärmung nicht zulassen, da die Geschwindigkeit der Zersetzungsreaktion

auf

bei einem Temper at uranstieg um 10 C' das 3,6 bis 4fache ansteigt. Es sind deshalb praktisch keine Sprengladungen vorhanden, die eine andauernde (eine Minute lang und mehr) Erwärmung auf 100 bis 120 ⁰G zulassen. Bei einer kurzzeitigen Erwärmung sind auch Temperaturen von 300 ⁰C und etwas höher ζ uläss ig.

Bei der Analyse der Gleichung (2), und gerade in diesem Betriebszustand arbeiten die bekannten .Abschaltvorrichtungen, ist leicht zu ersehen, daß die Forderung, kurze Umschaltdauer unter Anwendung einer Sprengladung kleiner Größe und bei Gewährleistung einer hohen Zuverlässigkeit zu erzielen, widerspruchsvoll ist. Bin hohe Zuverlässigkeit erfordert eine große Querschnittfläche des Schalters, und eine kleine Umschalt dauer eine größere spezifische Sprengladung.

In der erfindungsgemäßen Abschaltvorrichtung sind dagegen zwei Schalter angewandt worden, wobei, obwohl der Arbeitsstromschalter 4 in stationären Temperaturverhältnissen arbeitet und sich mit der Gleichung (2) beschrieben läßt, von ihm keine Schnellwirkung gefordert wird. Bei der Zerstörung des Hohlleiters 5 erfolgt darüber hinaus eine unbedeutende Zunahme der Spannung am Arbeitsstromschalter 4, was das Ansprechen des Arbeitsstromrelais 8 hervorruft. Als Folge wird der Arbeitsstromabschalter 4 durch einen Stromkreis mit niedrigem Wider-

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- Ii -

stand überbrückt, und die Bogenlöschmaßnahmen erübrigen sich. Die Große der Sprengladung 6 eines solchen Schalters kann bedeutend verringert und die Konstruktion vereinfacht werden.

Bach Ansprechen des Arbeitsstromrelais 8 schaltet sich der

ein
Zweig 2^Yund der Strom fließt durch den schalter-Zuspitzer ?.

Wenn aber die Parameter dieses Schalters so gewählt sind, daß die Verzögerungszeit weniger als die Einstelldauer des Temperaturverlsufs ( C^< I& ) ist, so wird der Temperaturverlauf durch die Gleichung (1) beschrieben, aus welcher folgt, daß selbst bei einer kleinen Querschnittsfläche eine geringere Erwärmung durch die kurze Durchflußzeit des Stroms erzielt wird.

In der erfindungsgemäß ausgeführten Einrichtung wird also eine getrennte Erfüllung der Funktionen durch jeden der Ausschalter erzielt: der Arbeitsstromschalter 4 ist für andauernden und zuverlässigen Durchlaß des Arbeitsstromes, der Schalter-Zuspitzer 7 ist in dem Normalzustand mit Hilfe des Arbeitsstromrelais 8 abgeschaltet und dient zur Verminderung der Eigenzeit der Abschaltung. Es wurde festgestellt, daß bei der Anwendung der erfindungsgemäßen Einrichtung bis 80 % der Sprengladung im Vergleich zu den Ab schalt ν or richtungen mit Sprengwirkung der bekannten Konstruktion mit der gleichen Schnellwirkung eingespart werden.

In Fig. 3 ist eine mehrstufige Abschaltvorrichtung gezeigt, Diese Einrichtung enthalt zwei parallel geschaltete Zweige 1

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und 2 des elektrischen Stromkreises 3· Dabei sind in dem Zweig 1 einige Arbeitsstromschalter 4 und in dem Zweig 2 einige Schalter-Zuspitzer 7 und ein Arbeitsstromrelais 8 in Reihe geschaltet.

Solche Reihenschaltungen sind auf dem Gebiet der Trennung von Hochspannungsstromen bekannt. Sie haben sich als vollkommen zufriedenstellend auch bei ihrer Anwendung in der beschriebenen Einrichtung erwiesen. Wie aus Fig. 3 ersichtlich ist, enthält die mehrstufige Abschaltvorrichtung einige Standardschalter 4 und 7t von denen jeder für bestimmte Spannungs- - und Stromwerte ausgelegt ist und zur !Trennung von Strömen mit besonders hoher Spannung dient. In diesem Falle wird die Verminderung der Länge JC des Hohlleiters 5 gewährleistet und an den Stirnseiten der Arbeitstromschalter 4 erscheinen Abschnitte 9, die ihre Anwendung zur Abkühlung einer jeden Stan dardbaueinheit (siehe Gleichung (2) ) ermöglichen.

In Fig. 4 ist eine andere Variante der Abschaltvorrichtung mit Parallelschaltung der Arbeitsstromschalter 4, der Schalter-Zuspitzer 7 und mit einem gemeinsamen Arbeitsstromrelais 8 gezeigt. Eine solche Schaltung der Abschaltvorrichtung ist vorzugsweise für die Trennung von besonders hohen Strömen zu verwenden·

Bei gemeinsamer Wirkung von besonders großen Strömen und

verbesonders großen Spannungen^vwendet man die Parallelschaltung

von Schaltergruppen, von denen jede aus den in Reihe geschal-

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teten Arbeifcsstromsehaltern 4 mit Sprengwirkung und Schalt ern-Zuspitzern 7 besteht, die mit einem gemeinsamen Arbeitsstromrelais 8 versehen sind· In diesem Fall sind, wie auch in den Fällen, die in Fig. 3, 4· dargestellt sind, Maßnahmen zur Gewäüleistung einer genaujsynchronen -BasfcÄindung der Sprengladungen, besonders in den Schaltern-Zuspitzern 7 zu treffen.

Obwohl obenstehend eine ausführliche Beschreibung von bevorzugten Ausführungsvarianten der vorliegenden Erfindung gegeben wurde, sind beliebige Abänderungen und Modifikationen verschiedener Elemente der Abschaltervoirichtung ohne Abweichung vom Grundprinzip der vorliegenden Erfindung möglich, das in den nachfolgenden Patentansprüchen angemeldet ist.

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Claims

PATEM? ANSPRÜCHE:

1./Ab schalt ν or richtung zum Trennen von großen Strömen mit Hilfe einer Sprengladung, in welcher die Stelle der Stromunterbrechung als zwei parallele Zweige ausgeführt ist, dadurch gekennzeichnet, daß im ersten von diesen beiden nur ein Sprengschalter ^4Jund im zweiten ein Sprengschalter (7) und das Arbeitsstromrelais (ß) in Reihe geschaltet sind, so daß kein Strom im Ausgangszustand durchfließt, wobei bei Abschaltung des Stromkreises (3) zunächst die des ersten Zweigesfl) erfolgt, infolgedessen der Strom auf den anderen Zweig(2jüberspringt, und dann nach Ablaufen einer Zeit, die für die Bildung im Schalter /4Jdes ersten Zweiges feiner Trennstrecke)ausreicht, die allen nachfolgenden Spannungen des Stromkreises 3/standhält, erfolgt die Trennung des zweiten Zweiges(2.)

2. Abschaltvorrichtung nach Anspruch 1, d ad urch gekennze ichnet, daß das Arbeitsstromrelais /8 j als eine Kiedervolt- Entladestrecke ausgeführt ist, die so gewählt wird, daß bei der Trennung des ersten Zweiges, die Ent lade st rekke durchschlagen wird·

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