DE2421412A1

DE2421412A1 - Synchron schliessender hochspannungsstromkreisunterbrecher fuer wechselstrombetrieb

Info

Publication number: DE2421412A1
Application number: DE2421412A
Authority: DE
Inventors: Robert E Friedrich; Andreas M Sletten; Kue H Yoon
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1973-05-04
Filing date: 1974-05-03
Publication date: 1974-11-21
Also published as: JPS5447068U; JPS5015073A; US3891813A; JPS5424272Y2; CA1013458A; CH580865A5; FR2228289A1

Description

DiPL-ING. KLAUS NEUBECKER

Patentanwalt 0/01/ 10

4 Düsseldorf 1 · Schadowplatz 9 £ H £ I H- I A₁

Düsseldorf, 2. Mai 1974 40,160
7448

Westinghouse Electric Corporation
Pittsburgh, Pennsylvania, V. St. A.

Synchron schließender Hochspannungs-Stromkreisunterbrecher für Wechselstrombetrieb

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Hochspannungs-Stromkreisunterbrecher, insbesondere Hochspannungs-Stromkreisunterbrecher mit einer Einrichtung, um den Stromkreisunterbrecher synchron zu einem Zeitpunkt zu schließen, zu dem die Spannung an den Kontakten im wesentlichen Null oder ein Minimum ist.

Bei der Bestimmung, welche Anforderungen an die übertragungsausrüstung zu stellen sind, müssen die Spannungsniveaus berücksichtigt werden, denen verschiedene Isoliersysteme ausgesetzt sind. · Normale Arbeitsspannungen, Schalt-Spannungsstoße und Blitz-Spannungsstöße müssen durchweg berücksichtigt werden. Wie in "I.E.E.E. Transactions on Power Apparatus and Systems", Bd. PAS-88, Nr. 7, Juli 1969 in einem Aufsatz mit dem Titel "Multi-Step Resistor Control of Switching Surges" von R. G. Colclaser jun., Charles L. Wagner und Edward P. Donohue, S. 1022/1023 dargelegt, ist folgendes zu beachten: "Vor der Schaffung von 500 kV-Systemen bildeten Blitz-

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einwirkungen das Kriterium, aufgrund dessen die Anzahl der Isolatoren bestimmt werden mußte, die für eine übertragungsleitung erforderlich waren. Im Verlauf der technischen Untersuchungen für das 500 kV-System der Virginia Electric and Power Company, V.St.A., wurde gefunden,'daß Schalt-Stoßspannungen einen maßgeblichen Faktor bildeten. Beispielsweise machten durch herkömmliche Stromkreisunterbrecher erzeugte Schalt-Spannungsstöße 35 Isolatoren notwendig, während im Hinblick auf Blitzeinwirkungen lediglich 24 Isolatoren benötigt wurden. An diesem Punkt wurde das Konzept des Einzelstufen-Schaltens unter vorheriger Einführung eines Widerstands geschaffen, um den maximalen Schalt-Spannungsstoß von 3,0 je Einheit auf etwa 2,0 je Einheit zu verringern. Durch diese Schalt-Spannungsstoß-Verringerung werden Blitzeinwirkungen wieder zum maßgeblichen Faktor für die Leitungsisolation. Alle inländischen 500 kV-Stromkreisunterbrecher werden jetzt mit der Einzelstufen-Widerstands-Einrichtung geliefert. Neuerliche Untersuchungen an Hochstspannungssystemen zeigen, daß es angebracht sein kann, die Größe der Schalt-Spannungsstöße weiter zu verringern, um die Leitungsisolation für Systemspannungen oberhalb 500 kV auf dem im Hinblick auf Blitzeinwirkungen gegebenen Niveau zu halten. Beispielsweise können für 765 kV maximale Schalt-Stoßspannungswerte von 1,7 je Einheit, bei 1100 kV Werte von 1,5 je Einheit oder niedriger erforderlich sein."

Wenn eine geöffnete Übertragungsleitung durch Schließen von Leistungs-Stromkreisunterbrechern in Abhängigkeit von der Anfangsspannung an den Unterbrecherkontakten unter Strom gesetzt wird,

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so kann der Wert der Schalt-Stoßspannung ziemlich hoch sein. Wie zuvor erwähnt, gilt dies insbesondere für die Klasse der Stromkreisunterbrecher, die für extra hohe Spannungen (EHV) sowie ultrahohe Spannungen (UHV) bestimmt sind. Auftretende Schalt-Stoßspannungen können leicht über Isolatoren hinweg durchschlagen oder das Isolationssystem der Leitung zerstören. Der Aufbau eines Isoliersystems, das in der Lage ist, Stoßspannungen zu widerstehen, kann unzulässig hohe Kosten bedingen, oder es ist eine körperliche Verwirklichung für Werte von 765 kV oder 1100 kV sogar unmöglich, sofern nicht Einrichtungen vorgesehen werden, um das Niveau der Schalt-Stoßspannung unter Kontrolle zu halten.

Das direkteste Verfahren, das Schalt-Stoßspannungsniveau unter Kontrolle zu halten, besteht darin, den Stromkreisunterbrecher synchron zu dem Zeitpunkt zu schließen, zu dem die Spannung an den Kontakten im wesentlichen Null oder zumindest ein Minimum ist. Das synchrone Schließen kann mit oder ohne vorheriges Einführen eines Widerstands erfolgen. Jedoch ist das Schließen eines EHV- oder UHV-Leistungs-Stromkreisunterbrechers mit der Bewegung schwerer Massen und einer ultraschnellen Kontaktbewegung verbunden. In der Praxis ist daher ein synchrones Schließen der Hauptleistungs-Koritakte nicht möglich. Es wurde eine Untersuchung durchgeführt, um die Schalt-Stoßspannungsniveaus unter Berücksichtigung der willkürlichen Änderung des Schalterschließens zu überprüfen. Es wurde ermittelt, daß zur Erzielung eines Schalt-Stoßspannungsniveaus von 1,5 je Einheit oder weniger für 98 % der Zeit, bei einem Maximalwert von 1,65 je Einheit, die Standardabweichung für

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das Schließen ohne Widerstand auf etwa 13° (0,602 ms) beschränkt werden muß. Ebenso wurde ermittelt, daß zur Erzielung eines Schalt-Stoßspannungsniveaus von 1,5 je Einheit oder weniger für 95 % der Zeit, bei einem Maximalwert von 1,65 je Einheit unter Verwendung eines zuvor eingeführten 450 Ohm-Widerstands, die Standardabweichung auf etwa 30° (1,39 ms) beschränkt werden sollte.

Gegenwärtig erfordert das Schließen eines 550 kV-Stromkreisunterbrechers etwa 6,5 Perioden (108 ms), wobei den obigen Schließanforderungen nur sehr schwer genügt werden kann. Die Hersteller versuchen zwar, diesen Anforderungen durch verbesserte Schließmechanismen und Verwendung optimaler Widerstandswerte zu genügen, jedoch ist es wünschenswert, eine andere Möglichkeit für das synchrone Schließen von Stromkreisunterbrechern zur Verfügung zu haben. Dies gilt insbesondere, wenn die von der Leitung gespeicherte Ladung infolge Schwingungen in Verbindung mit den kompensierenden Induktivitäten schwankt, was eine rasche Synchronisierung notwendig macht.

Gegenwärtig sind mit SFg-Gas gefüllte 550 kV-Stromkreisunterbrecher mit zwei zuvor einführbaren Widerständen so ausgelegt, daß sie Stoßspannungen während des Schließens auf 1,5 je Einheit für 98 % der Vorgänge begrenzen, bei einer absoluten Grenze von 1,65 je Einheit. Es ist daher wünschenswert, einen Stromkreisunterbrecher zur Verfügung zu haben, der mit einer Einrichtung zum synchronen Schließen des elektrischen Kreises bei einer Minimalspannung oder einer Spannung von im wesentlichen Null ausgestattet

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ist, die die Stoßspannung während des größten Teils der Zeit auf einen Wert unterhalb des Niveaus von 1,5 je Einheit begrenzt, bei einer absoluten Grenze von 1,65 je Einheit.

Erfindungsgemäß ist ein synchron schließender Hochspannungs-Stromkreisunterbrecher für Wechselstrombetrieb, mit einem Hauptkontakte, die zwischen einer geöffneten und einer geschlossenen Stellung beweglich sind, enthaltenden Gehäuse gekennzeichnet durch eine parallel zu den Hauptkontakten geschaltete, ein Galliumkathoden-Ignitron aufweisende synchrone Schließeinrichtung, die eben vor dem Schließen der Hauptkontakte im wesentlichen bei Spannung Null unter Vervollständigung eines elektrischen Kreises um die Hauptkontakte synchron schließt.

Zweckmäßigerweise ist das Galliumkathoden-Ignitron parallel zu den Kontakten des Hochspannungs-Stromkreisunterbrechers geschaltet. Das Galliumkathoden-Ignitron wird getriggert und schließt den Stromkreisunterbrecher-Kreis bei einer Minimalspannung oder der Spannung Null gerade vor dem Schließen der Hauptkontakte des Stromkreisunterbrechers. Der Kreis ist somit bereits synchron ge-, schlossen worden, wenn die Hauptkontakte schließen, so daß keine Schalt-Stoßspannungen erzeugt werden.

Die Kathode des Ignitrons kann reines Gallium, zur Erniedrigung des Gefrierpunkts mit einem anderen Material gemischtes Gallium oder in einem Sieb aus einem hitzebeständigen Material absorbiertes Gallium sein. Das Galliumkathoden-Ignitron kann so ausgebil-

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det sein, daß es hohe Ströme führen und extrem hohen Spannungen widerstehen kann. Gallium hat einen hohen Siedepunkt, einen niedrigen Schmelzpunkt und einen niedrigen Dampfdruck, so daß das flüssige Gallium als Kathode verwendet werden kann und Kathodenerosionsprobleme sich eliminieren lassen. Außerdem hat das Galliumkathoden-Ignitron eine sehr rasche Zündzeit. Die Einleitung des vollen Stromflusses läßt sich in der Größenordnung von einigen ,us vornehmen.

Mit steigenden Spannungsniveaus der Übertragungssysteme wird das Problem der Schalt-Stoßspannungsüberwachung im Hinblick auf Wirtschaftlichkeit und die körperliche Ausführung der Isoliersysteme immer bedeutsamer. Der Einsatz des Galliumkathoden-Hochspannungs-Ignitrons für das synchrone Schließen von Hochspannungs-Stromkreisunterbrechern kann viele Probleme durch überwachung der Schalt-Stoßüberspannungen lösen.

Das in der vorliegenden Anmeldung beschriebene Galliumkathoden-Ignitron kann eine Gallium-Sumpfkathode, eine Triggerelektrode sowie eine Molybdänanode aufweisen, die alle in einem evakuierten

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Gehäuse mit einem hohen Vakuum von weniger als 2 χ 10 Torr angeordnet sind. Wenngleich die Erfindung in Verbindung mit Kathoden aus flüssigem Gallium aufweisenden Ignitrons beschrieben wird, so versteht es sich doch, daß für das Schließen der Stromkreisunterbrecher auch feste Kathoden im Ignitron Verwendung finden können, da die Anzahl der Ignxtronbetatxgungen klein ist und somit die Erosion der Kathode begrenzt bleibt. Es gibt auch wei-

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tere flüssige Kathoden, Legierungen von Gallium, die bestimmte Vorzüge haben. Es wurde ein Untersuchungsmodell gebaut, das Spannungen zwischen Anode und Kathode von mehr als 120.000 V widerstehen konnte. In der Praxis lassen sich Anordnungen bauen, die einer Spannung von mehr als 300.000 V zu widerstehen vermögen. Experimentell ließ sich zeigen, daß das Triggern sich durchweg innerhalb von 2 .us ausführen läßt, bei einer Anodenspannung, die bis zu 25 V niedrig war, und einer Triggerspannung von 10.000 V. Bei einem experimentellen Galliumkathoden-Ignitron lassen sich Ströme von 1000 A wiederholt 25 ms lang führen, ohne daß das Ignitron einen sichtbaren Schaden nimmt, und Ströme von mindestens 20.000 A können mehrere ,us lang ohne Schaden fließen. Der Spannungsabfall am Galliumkathoden-Ignitron beträgt während des Stromflusses etwa 20 V. Nach der anfänglichen Impulstriggerung fließt der Anodenstrom nach Entfernung des Triggersignals weiter, bis die Spannung wieder den Wert Null annimmt oder der Anodenstrom aufgehoben wird. Damit der Aufbau einwandfrei arbeitet, braucht der Gallium-Sumpf des Galliumkathoden-Ignitrons sich nicht im flüssigen Zustand zu befinden. Für wiederholte Vorgänge bei hohem Strom ist es jedoch wünschenswert, daß die Kathode gelegentlich verflüssigt wird, um wieder eine glatte Kathodenoberfläche zu bilden und kondensiertes Kathodenmaterial von Wänden und der Anode in den Kathodenbereich zurückzuführen.

Das Galliumkathoden-Ignitron kann in Verbindung mit dem synchronen Schließen von Hochspannungs-Stromkreisunterbrechern zusammen mit dem vorherigen Einführen eines Widerstands oder ohne eine solche

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Maßnahme eingesetzt werden. Wegen der kurzen Triggerzeit des Gallium-Ignitrons kann jedoch der Forderung, ein 1,5/1,65 je Einheit-Schalt-Stoßspannungs-Verhältnis einzuhalten, selbst ohne vorheriges Einführen eines Widerstands genügt werden. Somit läßt sich durch Verwendung des Galliumkathoden-Ignitrons die Notwendigkeit vermeiden, vor dem Schließen der Stromkreisunterbrecher-Hauptkontakte einen Widerstand einzuführen.

Bei einer Ausführungsform der Erfindung sind innerhalb des Gehäuses des Hochspannungs-Stromkreisunterbrechers zwei Galliumkathoden-Ignitrons angeordnet. Jedes Ignitron hat seinen eigenen Triggerkreis, so daß das synchrone Schließen für jede Polarität der Anschlußspannung erfolgen kann, wobei aber das Ignitron entgegengesetzter Polarität mit Sicherheit nicht zündet. Ein Erfassungsund Steuerkreis kann sowohl die Polarität als auch die Spannung Null bestimmen, um den richtigen Triggerkreis zu wählen. Eines der Ignitrons wird nicht mehr als eine halbe Periode vor dem Schließen des Hauptkontakts bei der Spannung Null gezündet. Beispielsweise kann angestrebt werden, den Hauptkontakt in der Mitte einer Halbperiode der Anschlußspannung zu schließen. Es kann angestrebt werden, die Hauptkontakte in einem Zeitraum zwischen 6 und 6,5 Perioden zu schließen. Somit kann eine ziemlich große Abweichung für das Schließen des Hauptkontakts des Leistungs-Stromkreisunterbrechers in Kauf genommen werden.

Eine' andere Arbeitsweise unter Verwendung beider Ignitrons würde darin bestehen, fortlaufend beide Ignitrons mittels einer Span-

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nung zu triggern, die vor dem Schließen des Hauptkontakts Null, ist. Wenn zwei Ignitrons verwendet und so getriggert werden, daß sie vom Zeitpunkt einer bestimmten "Spannung Null an den mechanischen Kontakten in beiden Richtungen leiten, so können die Kontakte willkürlich oder beliebig ohne Notwendigkeit einer mechanischen Synchronisierung geschlossen werden. Eine solche Arbeitsweise könnte zu einem billigeren mechanischen Antriebssystem für den Stromkreisunterbrecher führen.

Wie zuvor erwähnt, kann die Galliumkathode durchweg innerhalb zwei ,us nach dem Triggern aktiviert werden. Der Triggerkreis können Widerstands-/Kondensator(R-C) - oder induktive Koppelkreise in Verbindung mit Trigatrons, Thyratrons oder Ignitrons sein, wie sie allgemein im Handel erhältlich sind, bei einer Triggerzeit innerhalb eines Bruchteils einer ,us.

Ein einziges Gallium-Ignitron kann verwendet werden, um den Stromkreisunterbrecher synchron zu schließen, sofern angestrebt wird, daß der Hauptkontakt während der Hälfte der Spannungskurve schließt, während der das Ignitron leiten kann. Wenn nur ein Ignitron verwendet wird, so kann der Erfassungs- und Steuerkreis so ausgelegt werden, daß er nur bei einer Polarität arbeitet, und eine Hälfte des Triggerkreises kann entfallen. Für Mehrfach-Stromkreisunterbrecher kann der oben beschriebene Aufbau entsprechend vervielfacht werden.

Bei einer anderen Ausführung können die Galliumkathoden-Ignitrons

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statt innerhalb des Stroinkreisunterbrechers außerhalb desselben angeordnet sein. Die Galliumkathoden-Ignitrons sollten normalerweise innerhalb des Hochspannungs-SFß-Gas-Stromkreisunterbrechers angeordnet sein, um von dem Vorzug der hohen dielektrischen Festigkeit der SFg-Umgebung Gebrauch zu machen. Mit verbesserter Konstruktion der Ignitrons können diese aber auch außerhalb des Stromkreisunterbrechers angeordnet werden, wenn dies bequemer ist.

Für den Fall, daß infolge kompensierender Induktivität in der Leitung gespeicherte Spannung schwankt, ist eine Erfassung der Leitungs- und Sammelschienen-Spannungen notwendig, um einen Triggerimpuls in Nähe einer Anschlußspannung Null abzugeben. Das heißt, das Galliumkathoden-Ignitron wird zu dem Zeitpunkt gezündet, zu dem die Sammenschienen-Spannung der in der offenen Leitung herrschenden Spannung gleicht, so daß die Spannung am Hochspannungs-Stromkreisunterbrecher annähernd Null ist.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der zugehörigen Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 schematisch ein Schaltbild eines elektrischen Systems mit einem ein Galliumkathoden-Ignitron aufweisenden' Stromkreisunterbrecher zum synchronen Schließen;

Fig. 2 ein Diagramm einer Schließfolge für einen Hochspannungs-Stromkreisunterbrecher, der entsprechend der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist;
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Fig. 3 eine seitliche Schnittansicht eines Galliumkathoden-Ignitrons;

Fig. 4 teilweise im Schnitt eine Seitenansicht eines Hochspannungs-Stromkreisunterbrechers mit in seinem Inneren angeordneten Galliumkathoden-Ignitrons; und

Fig. 5 teilweise im Schnitt eine Seitenansicht eines Hochspannungs-Stromkreisunterbrechers mit an seiner Außenseite . angeordneten Galliumkathoden-Ignitrons.

Im einzelnen zeigt Fig. 1 schematisch den Schaltungsaufbau eines elektrischen Systems mit einem Hochspannungs-Stromkreisunterbrecher 10, einem Wechselstromgenerator 12, der eine Reihe spannungserhöhender Transformatoren 14 speist, einem Kondensator 15, einer Induktivität 16 sowie einem Widerstand 17. Der Ausgang der Transformatoren 14 speist über den Stromkreisunterbrecher 10 eine übertragungsleitung sowie einen Verbraucher, der durch den zuvor erwähnten Kondensator, die zuvor erwähnte Induktivität 16 sowie den zuvor erwähnten Widerstand 17 repräsentiert ist. In dem Gehäuse des Hochspannungs-Stromkreisunterbrechers 10 ist ein Galliumkathoden-Ignitron 20 angeordnet. Sammelschienenseitig herrscht eine Spannung V_, wobei das Ende der Sammelschiene durch den Wechselstromgenerator 12 gespeist wird, übertragungsleitungs-. seitig wird eine Spannung V_L gemessen. Eine Potentialerfassungs- ^inrichtung 19 und eine Steuereinrichtung 18 sind angeschlossen, um die Sammelschienenleitung V_n zu überwachen. Die Potentialer-

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fassungseinrichtung 19 speist die Steuereinrichtung 18 mit einer der Sammelschienenspannung proportionalen Spannung. Die Steuereinrichtung 18, die ähnlich der zeitbeeinflußten Schließanordnung sein kann, wie sie in dem IEEE-Papier 71 TP 571-PWR im Rahmen eines Aufsatzes mit dem Titel "EHV Breaker Rated for Control of Closing Voltage Switching Surges to 1.5 Per Unit" beschrieben wird, hat eine niedrige Last. Wenn verfügbar, so können bestehende Potentialeinrichtungen wie Potentialtransformatoren oder kapazitive Durchführungsanzapfungen die Referenzspannung an die Steuereinrichtung 18 liefern.

Wird ein Druckknopf 22 niedergedrückt, was bedeutet, daß der Hochspannungs-Stromkreisunterbrecher 10 geschlossen werden soll, so aktiviert die Steuereinrichtung 18 eine Schließwicklung 24 des Stromkreisunterbrechers zur rechten Zeit, so daß die Hauptkontakte nach einer vorgegebenen Periodenzahl schließen. Somit schließen Hauptkontakte 26 des Stromkreisunterbrechers 10 innerhalb einer bestimmten Halbperiode, mehrere Perioden nach Aktivierung bzw. Erregung der Schließwicklung. Wenn angestrebt wird, die Hauptkontakte 26 im Scheitel einer bestimmten Halbperiode zu schließen, so kann eine positive oder negative Abweichung von einer Viertelperiode (4,1 ms) auftreten, bei der die Hauptkontakte 26 weiterhin in der vorgesehenen Halbperiode schließen. Der Forderung, daß die Hauptkontakte innerhalb 4 ms einer Spannung Null schließen, kann leicht genügt werden, indem die Zeit in bezug auf die Spannung Null überwacht wird, zu der die Schließwicklung 24 erregt wird. Normalerweise muß der Stromkreisunterbrecher-Schließ-

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zeit eine Verzögerung hinzugefügt werden, so daß die verzögerte Schließzeit dazu führt, daß die Hauptkontakte während der gewünschten Halbperiode schließen. Die Auslöse- und Verzögerungsfunktion wird durch die Steuereinrichtung 18 ausgeübt. Zu Beginn der Halbperiode, während der die Hauptkontakte 26 schließen sollen, gibt die Steuereinrichtung 18 einen Triggerimpuls 36 über das Galliumkathoden-Ignitron 20, so daß eine Stromführung eingeleitet wird. Das Triggern läßt sich durchweg innerhalb 2/US einer Spannung Null erzielen. Wie in Fig. 1 gezeigt, ist das Galliumkathoden-Ignitron 20 parallel zu den Hauptkontakten 26 geschaltet, so daß der durch den· Stromkreisunterbrecher 10 vervollständigte Stromkreis durch richtiges Triggern des Galliumkathoden-Ignitrons 20 sehr nahe einer Spannung Null geschlossen werden kann.

Mit Fig. 2 ist der Ablauf eines Schließvorgangs grafisch in Form eines Diagramms wiedergegeben. Zu einem mit 28 bezeichneten Zeitpunkt wird der Druckknopf 22 betätigt, was für die Steuereinrichtung 18 bedeutet, daß der Stromkreisunterbrecher 10 geschlossen werden soll. Die Steuereinrichtung 18 erfaßt die erste Spannung Null 30, nachdem der Druckknopf 22 zum Zeitpunkt 28 betätigt worden ist. Eine vorgegebene Zeit ^t später erregt die Steuereinrichtung 18 die Schließwicklung 24. Die Zeitverzögerung Z^t vor dem Erregen der Schließwicklung wird so bestimmt, daß die Hauptkontakte 26 in der gewünschten Halbperiode schließen, die in der mit einem Pfeil 32 angegebenen Weise um eine bestimmte Zeit nach der ersten Spannung Null 30 folgt. Die Hauptkontakte 26 sollen im Scheitel 34 der Halbperiode 33 schließen. Ein Schließen der

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Hauptkontakte 26 zu einem beliebigen Zeitpunkt innerhalb der Halbperiode 33 ist ausreichend, so daß das Schließen der Kontakte um eine Viertelperiode vom Scheitel 34 abweichen kann, aber immer noch zufriedenstellend ist, wenn angestrebt wird, daß die Hauptkontakte im Scheitel 34 schließen. Zu Beginn der Halbperiode 33 wird dem Galliumkathoden-Ignitron 20 der Triggerimpuls 36 zugeführt, so daß das Galliumkathoden-Ignitron 20 leitend wird. Somit schließen die Hauptkontakte 26 während der Halbperiode 33, wenn das Galliumkathoden-Ignitron 20 leitend ist. Die einzige Spannung zwischen den Hauptkontakten 26 während des endgültigen Schließens ist der kleine Spannungsabfall am leitenden Galliumkathoden-Ignitron 20. Der Spannungsabfall am Ignitron 20 liegt während des Leitens in der Größenordnung von 20 V. Das Ignitron 20 beginnt rasch zu leiten, so daß der Stromkreis mit dem Hochspannungs-Stromkreisunterbrecher 10 im wesentlichen bei der Spannung Null geschlossen wird.

Fig. 3 zeigt eine Seitenansicht, teilweise im Schnitt, eines Galliumkathoden-Ignitrons 20. Herkömmliche Ignitrons arbeiten mit einem Quecksilber-Sumpf als Kathode, und da Quecksilber einen hohen Dampfdruck hat, kann ein solches Ignitron bei wiederholter Betätigung nur etwa 20 kV widerstehen. In Quecksilber-Lichtbogenröhren lassen sich höhere Arbeitsspannungen erzielen, wenn Gitter eingeführt werden, die eine gleichmäßigere Feldverteilung aufrechterhalten, aber ihre Größe und ihre Kosten nehmen mit steigender Spannung rasch zu. Die Stromkapazität von Quecksilberröhren, die durch den Dampfdruck stark beschränkt wird, erfordert

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eine forcierte Kühlung für hohe Leistungsgrenzen. Gallium hat einen sehr niedrigen Dampfdruck bei Raumtemperatur, mit einem Dampfdruck-/Temperaturprofil, das demjenigen von Silber nahezu identisch ist. Im Gegensatz zu Quecksilber liegen die Durchbruchswerte eines Gallium-Ignitrons oder eines Gleichrichters in den Durchbrüchsbereichen eines ultrahohen Vakuums, und ein kleiner Spalt sollte ausreichend sein, um hohen Spannungen zu widerstehen. Hinzu kommt, daß Gallium bei Raumtemperatur (Schmelzpunkt 29,8° C) eine Flüssigkeit ist, aber für eine sehr lange Zeitdauer unter Vakuum überkühlt. Somit wird wie für Quecksilber eine Kathodenerosion unter fortlaufender Lichbogenbildung eliminiert. Ein Galliumkathoden-Ignitron kann Ströme von mehreren tausend A ohne offensichtliche Schwierigkeiten handhaben. Der Druck im Galliumkathoden-Ignitron 20 kann auf unter 2 χ 10 Torr abgesenkt und dort gehalten werden, wobei er keine Neigung zeigt zuzunehmen, selbst nach starken Stromimpulsen. Das Ignitron 20 weist sowohl in Durchlaß- als auch in Sperrichtung eine hohe Spannungsfestigkeit und während des Leitens einen niedrigen Spannungsabfall auf. Das Ignitron 20 läßt sich rasch und zuverlässig schalten und hat eine kurze Erholungszeit, d. h., kurz nach Beendigung einer Stromführung ist das Ignitron 20 schnell wieder in der Lage, hohen Spannungen beider Polaritäten zu widerstehen.

Gallium ist chemisch gesehen ein extrem aktives Element, das nahezu alle Materialien angreift. Aus diesem Grund muß bei der Konstruktion eines flüssiges Gallium enthaltenden Ignitrons große Sorgfalt ausgeübt werden. In dem Ignitron 20 wird ein Quarzbecher

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40 für die Aufnahme des GaIliumkathoden-Sumpfs 42 verwendet. In den Sumpf 42 taucht ein Wolframstab 44, der als elektrischer Kathodenanschluß dient. Quarz und Wolfram sind zwei der Materialien, die gegenüber Angriffen durch flüssiges Gallium den größten Widerstand besitzen. Die Anode 46 ist aus Molybdän hergestellt und mit einem doppelwandigen Glasrohr 48 verbunden. Das Glasrohr 48 ist an einem Kragen 50 aus Edelstahl abgestützt, der mit einer Abdeckplatte 52 aus Edelstahl verbunden ist. Der Quarzbecher 40 hängt an der Abdeckplatte 52 und enthält etwa 300 g Gallium, das den Kathoden-Sumpf 42 bildet. Ein Glaskolben 54 ist mit einem Flansch 56 aus Edelstahl vakuumdicht verbunden. Der Flansch 56 ist unter Verwendung einer Golddichtung, die für eine vakuumdichte Abdichtung sorgt, an die Abdeckplatte 52 angeschlossen. Wenn die Abdeckplatte 52 mit dem Flansch 56 verbunden wird, umgibt der Glaskolben 54 den Quarzbecher 40. Die Triggerelektrode 58 erstreckt sich durch eine Öffnung 60 in der Abdeckplatte 52. Die Triggerelektrode 5 8 ist aus Molybdän hergestellt. Die Triggerelektrode 58 wird durch eine keramische Buchse 62 gehalten, die mit der Abdeckplatte 52 vakuumdicht verbunden ist. Der untere Bereich 64 der Triggerelektrode 58 ist ein Wolframstab mit einer angeschliffenen feinen Spitze 66 am einen Ende, wobei die Spitze 66 auf einer Höhe gehalten ist, die etwa 1 mm oberhalb des Spiegels des Gallium-Sumpfes 42 liegt.

Fig. 4 zeigt einen Hochspannungs-Stromkreisunterbrecher 10 mit zwei darin angeordneten Galliumkathoden-Ignitrons 20. Die Potentialerfassungseinrichtung 19 speist die Steuereinrichtung 18 mit

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einer der SamuelSchienenspannung proportionalen Spannung. Die Steuereinrichtung 18 hat eine niedrige Last und kann somit eine kapazitive oder induktive Potentialquelle niedriger Leistung sein, um die Referenzspannung zu liefern. Das von der Steuereinrichtung 18 benötigte Signal könnte auch von einer bestehenden Potentialeinrichtung erhalten werden, die der Benutzer bereits in Betrieb hat. Der Stromkreisunterbrecher 10 der Fig. 4 bildet einen Pol eines dreiphasigen Stromkreisunterbrechers. Der Stromkreis verläuft über leitende Zapfen 72, die sich durch Isolatoren 74 erstrecken und in Festkontakte 76 münden. Ein drehbarer Brükkenkontakt 78 steht in Kontakt mit den Festkontakten 76 und schließt zwischen diesen beiden Kontakten 76 einen elektrischen Stromkreis. Mit dem drehbaren Brückenkontakt 78 ist eine Betätigungsstange 80 mechanisch verbunden, die den Brückenkontakt 78 zwischen einer ersten Stellung, in der er an den Kontakten 76 angreift, und einer zweiten Stellung, in der er von den Kontakten 76 getrennt ist und damit den Stromkreis durch den Stromkreisunterbrecher 10 unterbricht, verdrehen kann. Der Brückenkontakt 78 wird in die Schließstellung durch Erregung der Schließwicklung 24 bewegt, die die Betätigungsstange 80 bewegt, so daß der Stromkreisunterbrecher 10 schließt. Wenn der Stromkreisunterbrecher 10 schließen soll, so erfassen die Potentialerfassungseinrichtung 19 und die Steuereinrichtung 18 die erste Spannung Null (den ersten Spannungsnulldurchgang) nach dem Anzeigen eines beabsichtigten Stromkreisschließens, und zum richtigen Zeitpunkt wird die Schließwicklung 24 erregt, so daß die Hauptkontakte 76/78 zu einer vorgegebenen zukünftigen Zeit in einer bekannten Halbperiode schlie-

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ßen. Zu Beginn der Halbperiode, während der die beweglichen Brükkenkontakte 78 schließen, wird dem richtigen Galliumkathoden-Ignitron 20 ein Trigger-Impuls 36 zugeleitet und damit der Stromkreis durch den Stromkreisunterbrecher 10 geschlossen. Die Schließung des Stromkreises über den Stromkreisunterbrecher 1O erfolgt somit bei einer Spannung Null oder sehr nahe einer solchen Spannung. Das Ignitron 20 führt während der Halbperiode, in der der Brückenkontakt 78 an den Festkontakten 76 angreift, um den Stromkreis mechanisch zu vervollständigen, Strom. Nach der Beendigung der Halbperiode, während der der bewegliche Brückenkontakt 78 schließt, hört das Ignitron 20 auf zu leiten.

Bei der Ausführung nach Fig. 4 sind die Galliumkathoden-Ignitrons in dem Gehäuse 82 des Stromkreisunterbrechers 1O angeordnet. Wenn der Stromkreisunterbrecher 10 dem SF,-Typ angehört, können die im Gehäuse 82 angeordneten Ignitrons 20 von der SF,-Umgebung und seiner hohen dielektrische Festigkeit profitieren. Eine Trigger-Elektrod-Leitung 84 führt durch eine Durchführung 86 im Gehäuse 82 und schließt an die Triggerelektrode 58 an.

Die Potentialerfassungseinrichtung 19 ist mit der Quellen- oder SammelSchienenseite des Stromkreisunterbrechers 10 verbunden. Führt die Übertragungsleitung eine gespeicherte Spannung, die wegen der Schwingung in Verbindung mit den kompensierenden Induktivitäten schwankt, so ist eine schnelle Synchronisation zwingend notwendig. Für den Fall einer schwankenden, durch die Leitung gespeicherten Spannung ist eine zusätzliche Potentialerfassungs-

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einrichtung 88 notwendig. Die Signale von der Leitungs-Potentialerfassungseinrichtung 88 und von der Sammelschienen-Potentialerfassungseinrichtung 19 werden der Steuereinrichtung 18 zugeführt, so daß der Trigger-Impuls 36 für das richtige Galliumkathoden-Ignitron 20 in Nähe einer Anschlußspannung Null an den Stromkreisunterbrecher-Hauptkontakten 76, 78 übertragen werden kann. Wenn die Leitung wegen der kompensierenden Induktivität eine schwankende gespeicherte Spannung führt, so ist eine zusätzliche Erfassung der Leitungsspannung vor dem mechanischen Schließen der Kontakte notwendig, um den Trigger-Impuls 36 auszusetzen, wenn die Spannung an den Hauptkontakten 76/78 Null ist oder sich auf einem Minimum befindet. Die Steuereinrichtung 18 vergleicht die Signale von den Potentialerfassungseinrichtungen 19 und 88 und sendet ein Signal an das richtige Ignitron 20, so daß es an oder nahe einem Punkt zu leiten beginnt, zu dem die augenblickliche Sammelschienenspannung der Spannung der Leitung gleicht, wobei die Spannung an den geöffneten Stromkreisunterbrecher-Kontakten zu diesem Zeitpunkt im wesentlichen Null ist. Der Stromkreis wird somit bei einer Spannung Null (Nulldurchgang) in der Halbperiode vor dem Schließen der Hauptkontakte 76/78 geschlossen. Das heißt, der Stromkreis wird geschlossen, wenn die Sammelschienenspannung V_ß der in der offenen Leitung herrschenden Spannung V_L gleicht und mit deren Phase übereinstimmt, so daß die Spannung am Stromkreisunterbrecher annähernd Null ist. Die Steuereinrichtung 18 überwacht über die Potentialerfassungseinrichtung die Leitungsipannung V_L unter allen Bedingungen gespeicherter Gleichspannung & -wie Wechselspannungs-Schwingungen im Hinblick auf durch Shunt-

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Reaktanzen kompensierte Leitungen und zündet das Ignitron 20, das rasch innerhalb 2 ,us nach Erhalt des Signals in der Halbperiode vor dem Schließen der Hauptkontakte 76/78 stromführend wird.

Fig. 5 zeigt einen Teil eines Stromkreisunterbrechers 10 ähnlich Fig. 4, bei dem jedoch die Galliumkathoden-Ignitrons 20 extern angeordnet sind. Die Arbeitsweise des Galliumkathoden-Ignitrons 20 und der zugehörigen Komponenten ist die gleiche wie oben beschrieben. Die oben beschriebenen Ignitrons 20 waren innerhalb des Stromkreisunterbrechers 10 angeordnet worden, um die hohe dielektrische Festigkeit des SF, auszunutzen. Bei entsprechend verbesserter Konstruktion von Galliumkathoden-Ignitrons 20 können diese aber auch außerhalb des Stromkreisunterbrechers angeordnet werden, wenn dies günstiger sein sollte. Werden die Galliumkathoden-Ignitrons an der Außenseite der Stromkreisunterbrecher angeordnet, so ist es entbehrlich, die Trigger-Leitungen 84 durch das Unterbrecher-Gehäuse 82 zu führen, und die Ignitrons 20 können bestehenden Hochspannungs-Stromkreisunterbrechern zugeordnet werden, ohne daß eine Abwandlung der Stromkreisunterbrecher notwendig wird.

Aus der vorstehenden Beschreibung ist ersichtlich, daß die Galliumkathoden-Ignitrons 20 für das synchrone Schließen von EHV- oder ÜHV-Stromkreisunterbrechern eingesetzt werden können, um die Schalt-Stoßspannung unter Kontrolle zu halten. Die Schalt-Stoßspannung kann ohne vorheriges Einführen von Schließwiderständen unter Kontrolle gehalten werden. Durch Vervollständigen des Kreises

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im Spannungsnulldurchgang oder in unmittelbarer Nähe desselben, was infolge der schnellen Triggerzeit des Galliumkathoden-Ignitrons 20 möglich ist, läßt sich ein Schalt-Stoßspannungsverhältnis von 1,5 normal/1,65 max. ohne vorhergehendes Einführen eines Widerstandes erzielen.

Patentansprüche ι

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Claims

Patentansprüche :

1.ι Synchron schließender Hochspannungs-Stromkreisunterbrecher für Wechselstrombetrieb, mit einem Hauptkontakte, die zwischen einer geöffneten und einer geschlossenen Stellung beweglich sind, enthaltenden Gehäuse, gekennzeichnet durch eine parallel zu den Hauptkontakten geschaltete, ein Galliumkathoden- Ignitron aufweisende synchrone Schließeinrichtung, die eben vor dem Schließen der Hauptkontakte im wesentlichen bei Spannung Null unter Vervollständigung eines elektrischen Kreises um die Hauptkontakte synchron schließt.

2. Stromkreisunterbrecher nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Mehrzahl parallel zu den Hauptkontakten geschalteter Galliumkathoden-Ignitrons (20), von denen mindestens eines in einer positiver Polarität entsprechender Zuordnung und mindestens eines in einer negativer Polarität entsprechender Zuordnung angeschlossen ist, so daß ein elektrischer Kreis beider Polaritäten über die Hauptkontakte hinweg schließbar ist.

3. Stromkreisunterbrecher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Galliumkathoden-Ignitrons (20) innerhalb des Gehäuses (82) des Stromkreisunterbrechers (10) angeordnet sind.

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242U12

4. Stromkreisunterbrecher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Galliumkathoden-Ignitrons (20) außerhalb des Gehäuses (82) des Stromkreisunterbrechers (10) angeordnet sind.

5. Stromkreisunterbrecher nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die synchrone Schließeinrichtung eine Einrichtung zur Erfassung der an den Hauptkontakten abfallenden Spannung sowie eine Einrichtung zur Triggerung der Galliumkathoden-Ignitrons in den leitenden Zustand bei an den Hauptkontakten abfallender Spannung Null zu Beginn der Halbperiode aufweist, während der die Hauptkontakte schließen, um die Schließ-Stoßspannung zu begrenzen.

6. Stromkreisunterbrecher nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß das Galliumkathoden-Ignitron eine aus Gallium gebildete Kathode, eine unter Bildung eines Spaltes zwischen sich und der Kathode im Verhältnis zu der Kathode versetzte Anode, eine mit der Anode und der Kathode zusammenwirkende Triggerelektrode, die bei Erregung einen elektrisch leitenden Pfad zwischen der Anode und der Kathode einleitet, sowie ein die Anode, die Kathode und die Triggerelektrode umgebendes hochevakuiertes Gehäuse aufweist.

7. Stromkreisunterbrecher nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Galliumkathode in einem isolierenden topfartigen Körper" abgestützt ist und das evakuierte Gehäuse einen topf-

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förmigen Teil aus Glas, eine vakuumdicht mit diesem verbundene Abdeckplatte (52) aus Metall mit einer öffnung für die isolierte Durchführung der Anode (46) sowie einen Wolframstab (44) aufweist, dessen eines Ende an die Abdeckplatte (52) angeschlossen ist und dessen anderes Ende unter elektrischer Verbindung der Abdeckplatte (52) und der Galliumkathode in die Galliumkathode eintaucht.

KN/sg5

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