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Strombegrenzender Schalter
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Die Erfindung bezieht sich auf einen strombegrenzenden Si ter, insbesondere
Hochspannungsschalter, mit einer Impulskammer und nachgeschalteter Trennkammer.
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-Anlagen und Verteilungen müssen so bemessen sein, daß sie zum einen
unter normalen Betriebsbedingungen ihre Funktion erfüllen, und zum andern den dynamischen
und thermischen Beanspruchungen durch den zu erwartenden größtmöglichen Kurzschlußstrom
standhalten. Durch die mit zunehmender Anzahl der Kraftwerke steigenden Einspeiseleistungen,
sowie durch die immer stärkere Vermaschung der Netze, werden die Kurzschlußströme
in den Anlagen ständig größer. Damit erhöhen sich die Anforderungen an die Kurzschlußfestigkeit
der Anlagen und an das Schaltvermögen der Leistungsschalter.
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Diesem Problem versuchte man bisher durch die Verwendung von Leistungsschaltern
mit höherem Schaltvermögen beizukommen. Es ist aber möglich, die Kurzschlußströme
wirksam zu begrenzen.
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Es ist ein schnellschaltender Leistungsschalter bekanntgeworden,
der in Verbindung mit Schutzrelais die Dauer von
Kurzschlüssen reduziert
und die Störungsauswirkungen ein schränkt. Diese sogenannten Zweiperiodenschalter
mit einer Gesamtausschaltzeit von ca. 40 ms, sind nicht in der Lage, den Stoßkurzschlußstrom
vor Erreichen seines Scheitelwertes auszuschalten.
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Weiterhin ist ein strombegrenzender Schalter aus dem Nieder spannung
sbereich bekanntgeworden, bei dem die Stromkräfte, die im Kurzschlußfall zwischen
zwei parallelen Leitern auftreten, genutzt werden, um den Schalter in sehr kurzer
Zeit zu öffnen.
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Ferner ist ein Gleichstromschnellschalter mit Schlaganker für Gleichspannung
bis ca. 2 kV, bekannt.-Der Haltemagnet des Schnellschalters ist bei Nennstrom fast
gesättigt, während bei Überstrom, der die Halte- und auch die Auslösespule durchfließt,
der magnetische Fluß der Auslösespule der Haltekraft überwiegt. Der Schlaganker
wird abgezogen und schlägt nach kurzem Vorlauf auf den Kontakthebel auf, wodurch
der Schalter öffnet.
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Die beiden zuletzt genannten strombegrenzenden Schalter eignen sich
nur für die jeweils genannten Spannungsbereiche.
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Für Mittelspannungsschaltanlagen werden teilweise sogenannte J5-Begrenzer,
das sind Sicherungen, die mit einem Sprengsatz versehen sind, verwendet, um die
Kurzschlußströme zu begrenzen. Nachteilig ist die Notwendigkeit des Auswechselns
der Patronen nach einem Kurzschluß.
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Eine Anwendung der Prinzipien auf das Hochspannungsgebiet ist wegen
der zu bewältigenden höheren Lichtbogenenergie beim Ausschalten eines Kurzschlußstromes
nicht möglich.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen strombegrenzenden
Schalter für hohe Spannungen zu schaffen, der den Stoßkurzschlußstrom innerhalb
kürzester Zeit im aufsteigenden
Ast der Kurzschlußkurve ausschaltet.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäB dadurch gelöst, daß die Impulskammer
ein Hochdruckgefäß mit einem als Differentialkolben ausgebildeten Blasventil in
pneumatischer Selbsthaltung aufweist, daß das Blasventil direkt mit dem Auslöseimpuls
eines elektromagnetischen Auslösers beaufschlagt wird, der pneumatisch verstärkt
durch den Differentialkolben das Blasventil betätigt, daß der Löschgasimpuls ein
bewegliches Kontaktstück antreibt, und daß der Impulskammer eine Löschkammer mit
divergierenden Laufschienen dazwischen befindlichen Kühlkörpern nachgeordnet ist,
zwischen die der Löschgasimpuls den Lichtbogen zur Verlängerung und Löschung treibt.
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Eine weitere Ausgestaltung geht erfindungsgemäß dahin, daß sich eine
Spule des elektromagnetischen Auslösers zwischen dem Hochdruckgefäß und einem konzentrisch
dazu angeordneten Zylinder befindet, daß Hochdruckgefäß und Zylinder zum Joch des
Auslösers verbunden sind, und ein Anker an der entsprechenden Stirnseite des Hochdruckgefäßes
angeordnet ist.
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Hiermit wurde auf einfache Art ein leistungsstarker elektromagnetischer
Auslöser konzipiert, dessen Auslöseimpuls direkt auf das Blasventil wirkt.
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Eine zweckmäßige Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß der
kegelige Teil der Löschkammer ein seinen Innenquerschnitt ausfüllendes IsolierstUck
aufweist, in welchem Kanäle zur Aufnahme der Kühlkörper und der freien Enden der
divergierenden-Laufschienen angeordnet sind, und daß die Kanäle für eine Vielfachbeblasung
des Lichtbogens vorgesehen sind, indem der Lichtbogen so unterteilt wird, daß die
einzelnen Lichtbogenspannungen unter der Lichtbogenbrennspannung der Teillichtbögen
liegt und so eine schnelle Löschung des Lichtbogens erreicht wird.
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Es ist ebenfalls zweckmäßig, daß mindestens eine der beiden
Lichtbogenlaufschienen
aus einem Widerstandsmaterial besteht, so daß der Widerstand mit in den Lichtbogenwiderstand
eingeht und die Strombegrenzung unterstützt.
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Der Schalter zeichnet sich insgesamt durch seinen einfachen Aufbau
aus, wobei durch das Zusammenwirken eines leistungsstarken stromabhängig betätigten
Auslösers mit dem Blasventil eines Hochdruckgefäßes ein Druckgasimpuls hoher Intensität
während des Öffnungsvorganges des Schalters auf kürzestem Wege direkt in die Kontaktzone
geleitet wird. Der Lichtbogen wird über zwei divergierende Laufschienen, auf die
er mit seinen Lichtbogenfußpunkten kommutiert in die Löschkammer getrieben. Dabei
wird die Kommutierung günstig beeinflußt, indem eine der Laufschienen auf dem festen,
Kontakt angeordnet ist.
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Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin,
daß bei einer wirksamen Begrenzung des Stoßkurzschlußstromes einer Anlage, die dynamische
und thermische Beanspruchung derselben stark vermindert wird, so daß die. einzelnen
Anlagenteile nicht mehr für den vollen Kurzschlußstrom zu bemessen sind, was zu
einer wesentlichen Materialersparnis bei der Erstellung von Anlagen führt.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt
und wird im folgenden näher beschrieben.
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Es zeigt: Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen strombegrenzenden
Schalter; Fig. 2 einen Querschnitt in der Ebene II - II durch die Löschkammer des
in Fig. 1 dargestellten Schalters.
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In einem zylindrischen Schaltergehäuse 1 aus Isolierstoff ist ein
ebenfalls zylindrisches Hochdruckgefäß 2 untergebracht, das an seiner einen Stirnseite
ein als Differentialkolben ausgebildetes Blasventil 3 aufweist, welches zur Ansteuerung
kolben
ausgebildetes Blasventil 3 aufweist, welches zur Ansteuerung einen Ventilschaft
4 aufweist, der an der anderen Stirnseite des Hochdruckgefäßes 2 geführt ist. Zwischen
dem Hochdruckgefäß 2 und einem konzentrisch dazu angeordneten Zylinder 5 aus ferromagnetischem
Material, befindet sich die Spule 6 eines elektromagnetischen Auslösers, wobei das
Hochdruckgefäß 2 und der Zylinder 5 an einem Ende zum Joch des Auslösers verbunden
sind, während das andere Ende der Anordnung zur elektromagnetischen Betätigung des
Blasventils3 über den Ventilschaft 4, einen Anker 7 aufweist. Zur Verringerung der
Wirbelstromverluste ist es möglich, den zylindrischen Teil 5 des Joches lamelliert
auszuführen.
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Über dem Blasventil 3 ist ein fester Kontakt 8 angeordnet, welcher
leitend mit der aus wenigen Windungen 9 bestehenden Auslösespule 6, welche im Leitungszug
des Phasenleitersliegt, verbunden ist. Ein beweglicher Kontakt 10 ist ringförmig
ausgebildet, wobei das Ringprofil U-förmigen Querschnitt hat.
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Der bewegliche Kontakt 10 gleitet einmal mit seinem Umfang an der
Innenseite des zylindrischen Schaltergehäuses 1, und zum anderen mit den Innenseiten
der Schenkel des Ringprofils auf einem weiteren Führungsstück 11. Seitlich zum festen
Kontakt 8 sind in einem Füllstück 12 Blaskanäle 13 angeordnet, die im Zusammenhang
mit Blaskanälen 14 im festen Kontakt 8, das Löschmittel direkt in die Kontaktzone
leiten.
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An die Kontaktvorrichtung schließt sich eine Löschkammer 15 an, welche
an dem zylindrischen Schaltergehäuse 1 befestigt ist. Die Löschkammer ist zunächst
kegelförmig ausgebildet und geht dann in einen zylindrischen Teil 16 über, der durch
eine halbkugelige Haube 17 abgeschlossen ist.
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In der Löschkammer sind divergierende Laufschienen 18,19 für den Lichtbogen
angeordnet, wobei eine Laufschiene 18 ander Innenseite des kegelförmigen Teiles
der Löschkammer angeordnet
ist, während die andere Laufschiene
19 mit dem festen Kontakt 8 leitend verbunden ist, und durch den ringförmigen, beweglichen
Kontakt 10 in die Löschkammer 15 hineinragt. Zwischen den beiden divergierenden
Laufschienen sind Kühlkörper 20 aus Keramik oder Kunststoff angeordnet zur Verlängerung
des Lichtbogens bzw. zur Vielfachbeblasung.
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Der zylindrische Teil der Löschkarmmer dient als Kühleinrich-.
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tung und Expansionsraum für die Lichtbogengase und ist deshalb mit
Kühlelementen 21 ausgestattet, die spiralförmigü den Querschnitt des Expansionsraumes
ausgebreitet und hinter einander angeordnet sind.
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Nach dem Passieren der Kühleinrichtung gelangen die Licht.-bogengase
in einen Gasauffangbehälter 22, aus dem sie über ein Ventil 23 in die Atmosphäre
abgelassen werden.
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Die Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch die Löschkammer15 des Schalters.
In einem den Innenquerschnitt ausfüllenden Isolierstück 30 sind in einer Ebene nebeneinander
Kanäle 31 angeordnet zur Aufnahme der Kühlkörper 20 und der freienEnden der divergierenden
Laufschienen 18,19 für den Lichtbogen.
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Der Schalter funktioniert wie folgt: Der elektromagnetische Auslöser
ist so bemessen, daß er z.B. bei Anstieg des Kurzschlußstromes im Bereich von ca.
3 mal JN auslöst. Dabei schlägt der Anker 7 der Auslösevorrichtung auf den Schaft
4 des Blasventils 3, so daß dieses beginnt sich von seinem Ventilsitz abzuheben,
wobei aufgrund seiner Ausbildung als Differentialkolben der Auslöseimpuls sofort
pneumatisch verstärkt wird und das Blasventil einen Schaltimpuls ausführt, so daß
die hochverdichtete Druckluft aus dem Hochdruckgefäß 2 zunächst das bewegliche Kontaktstück
10 betätigt, und den dabei entstehenden Lichtbogen von den Schaltstücken zwischen
die divergierenden Laufschienen 18,19 in der Löschkammer15
und
weiter zwischen die Kühlkörper 20 treibt, zur Verlängerung und damit Kühlung und
Löschung des Lichtbogens.
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Das Impulsverhalten des als Differentialkolben ausgebildeten Blasventils
3 wird durch eine entsprechend bemessene Bohrung 24 im Boden desselben erreicht,
so daß ein Druckausgleich zwischen dem Innern des Hochdruck gefäßes 2 und dem Raum
über dem Blasventil entsteht, und das Blasventil somit aufgrund seiner größeren
Kolbenfläche 25 gegenüber der unteren, zunächst durch einen ringförmigen, wulstartig
ausgebildeten Ventilsitz 27 verkleinerte wirksame Kolbenfläche 26, selbsthaltend
in Schließstellung bleibt. Durch den Auslöseimpuls der elektromagnetischen Auslöseeinrichtung
beginnt sich das Blasventil von seinem Ventilsitz 27 abzuheben, wodurch sich seine
untere wirksame Kolbenfläche vergrößert. Gleichzeitig wird der Druck auf die obere
Kolbenfläche 25 über die Bohrung 24 soweit abgebaut, daß das Blasventil seine volle
Hubbewegung in Öffnungsrichtung ausführen kann und gegen den stärker abfallenden
Druck im Hochdruckgefäß wieder schließt. Der Druckluftimpuls betätigt den beweglichen
Kontakt 10 gegen die Kraft einer Feder 28, welche den Kontakt nach der sicher ausgeführten
Schalthandlung wieder in die geschlossene Schaltstellung bringt.
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Die Isolierstrecke wird über den in der Trennkammer angeordneten Trenner
sichergestellt, auf den hier, da es zum Verständnis der Erfindung unnötig ist, nicht
näher eingegangen wird.
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