DE2657594A1

DE2657594A1 - Ueberstromschutz

Info

Publication number: DE2657594A1
Application number: DE19762657594
Authority: DE
Inventors: Walter Friedrick Praeg
Original assignee: US Department of Energy
Current assignee: US Department of Energy
Priority date: 1975-12-18
Filing date: 1976-12-18
Publication date: 1977-06-30
Also published as: CA1079347A; FR2335976A1; JPS5278049A; FR2335976B1; US4054933A; GB1566289A

Description

PATENTANWALT DIPL.-ING. 8000 MÜNCHEN 22

KARL H. WAGNER _n GEWORZMÜHLSRASSE 5

J POSTFACH 246

76-R-199O

DEC I Ö 1976

United States Energy Research And Development Administration, Washington, D.C. 20545, V.St.A.

Überstromschutz

Die Erfindung bezieht sich auf einen Überstromschutz, und zwar insbesondere auf den Schutz von elektrischen Gleichstrombelastungen gegenüber einer Schädigung durch Überstrom. Insbesondere ist die Erfindung bei Schaltungen verwendbar, wo eine Zusammenbruch der Isolierung in der Last einen plötzlichen Stromanstieg hervorruft. Ein derartiger Anstieg ist characteristisch für einen Fehler in einer Hochspannungsröhre oder einer Hochspannungs-Beschleunigungsanordnung. Erfindungsgemäß ist zum Zwecke des Überstromschutzes, wie im folgenden näher ausgeführt ist, ein zeitverzögernder Transformator mit Sättigung vorgesehen.

Mit eine Hochspannung aufweisenden Gleichstromleistungsversorgungen verbundene elektrische Lasten sind häufig einem Zerstörungsrisiko dadurch ausgesetzt, daß infolge eines Fehlers Teilen der Last übermäßige Leistungsmengen zugeführt werden. Dies gilt insbesondere für Hochspannungs-Beschleunigungsanordnungen, die mit Hochspannungsleistungsversorgungen verbunden sind, obwohl nahezu jede mit einer Gleichspannungsversorgung verbundene Last zumindest örtlich durch Fehlerströme geschädigt werden kann. Die Gefahr eines elektrischen Zusammenbruchs ist jedoch bei denjenigen elektrischen Lasten am größten, die mit Leistungsversorgungen von re-

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lativ hoher Spannung, in der Größenordnung von Kilovolt, verbunden sind. Es ist üblich, derartige Lasten gegenüber einer Schädigung durch die Verwendung einer steuerbaren Kurzschlußschaltung ("crowbar") zu schützen. Diese steuerbare Kurzschlußschaltung kann an den Ausgangsklemmen der Leistungsversorgung angeordnet werden, um die Last kurzzuschließen und die elektrische Energie dadurch umzuleiten, welche andernfalls in einer übermäßigen Menge an die Last geliefert werden würde. Diese Kurzschlußschaltung ist häufig eine gasgefüllte Röhre, wie beispielsweise ein Ignitron, eine Festkörpervorrichtung, wie beispielsweise ein gesteuerter Siliziumgleichrichter (SCR), oder eine auslösbare Funkenstrecke. Ein Steuersignal für die Kurzschlußschaltung wird von einem Fühler des Laststromes, der Lastspannung oder beider Größen geliefert, wobei das Vorhandensein eines schädigenden Fehlers ein die Kurzschlußschaltung betätigendes Signal ist. Durch den Kurzschluß des Ausgangs wird die Last von der übermäßig großen elektrischen Energie getrennt, die andernfalls zur Last geliefert worden wäre, und die Überstromschutz vor richtung, die normalerweise in die Schaltung eingebaut ist, wird ausgelöst und verhindert eine Schädigung der Leistungsversorgung.

Die oben beschriebene Anordnung besitzt jedoch einen Hauptnachteil, der darin besteht, daß das zur Betätigung der Kurzschlußschaltung erforderliche Signal das Ergebnis des Anlegens von schädlichen Strömen an die Last ist. Es geschieht häufig, daß die Last vor dem Einschalten der Kurzschlußschaltung geschädigt wird. Selbst in solchen Fällen, wo die Last nicht unmittelbar durch den übermäßig großen Strom geschädigt wird, bleibt doch die Tatsache bestehen, daß die Last einen Strom oberhalb ihres normalen Betriebsbereichs führen muß, um die Kurzschlußschaltung auszulösen. Es läuft somit eine Zeitperiode lang durch die Last ein Fehlerstrom, der mehrere Größenordnungen größer sein kann als die normalen Lastströme. Es wäre also außerordentlich zweckmäßig, eine Schutzvorrichtung vorzusehen, deren Betrieb keine schädlichen Ströme erforderlich machen würde.

Die vorliegende Erfindung hat sich daher zum Ziel gesetzt, Schutzvorrichtungen für elektrische Gleichstromlasten vorzusehen, um die Schädigung durch überströme zu vermeiden. Die Erfindung sieht

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Die Erfindung sieht ferner Vorrichtungen zum überstromschutz für gleichstromelektrische Belastungen derart vor, daß der Durchgang von schädigenden Strömen durch die Last zur Betätigung der Schutzvorrichtung nicht erforderlich ist.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der weiter unten folgenden Beschreibung.

Wie bereits oben kurz erwähnt, sieht die Erfindung zum Schütze einer elektrischen Gleichstromlast gegenüber einer Überstromschädigung eine Vorrichtung vor, welche einen sättigenden Transformator aufweist, dessen Primärwicklung in Serie mit der Last liegt. Eine zweite Wicklung führt einen Vorspannstrom, der entgegengesetzt zum Primärstrom magnetisiert und der zusammen mit dem Laststrom im Transformatorkern ein Nettoflußniveau erzeugt, das sich in Sättigung, aber nahe dem Knie der B-H-Kurze befindet. Ein Lastfehler bewirkt das Ansteigen des Primärstromes auf einen Wert, der den Kern außer Sättigung bringt, wodurch eine entgegenwirkende EMK erzeugt wird, welche den Stromanstieg begrenzt. Wenn der Kern aus dem Sättigungsgebiet herauskommt_r wird ein Signal erzeugt, welches zur Auslösung einer Kurzschlußschaltung der oben genannten Art verwendet werden kann, um die Schaltung von der Leistungsversorgung abzuschalten. Dieses Signal kann von der zweiten Wicklung oder einer dritten für diesen Zweck hinzugefügten Wicklung abgenommen werden. Zwischen der Abfühlwicklung und der Kurzschlußschaltung kann eine Kurzschlußschaltungs-Zeitverzögerung eingebaut sein, um den Betrieb der Kurzschlußschaltung zu verzögern, um auf diese Weise.die Betriebsunterbrechung durch nicht aufrechterhaltene Bögen zu vermeiden. Die Ausloswicklung kann auch eine Funkenstrecke betätigen _r die in Serie mit einem geladenen Kondensator liegtr der über die Last entladen wird, um den Fehler zu beseitigen und den normalen Betrieb der Schaltung wiederherzustellen. .

Weitere bevorzugte Einzelheiten der Erfindung ergeben sich insbesondere aus den Ansprüchen sowie aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung? in der Zeichnung zeigt:

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Fig. 1 ein erfindungsgemäßes Schaltungsdiagramm zur Durchführung der Erfindung;

Fig. 2 eine typische Hysterese- oder B-H-Kurve für den Kern eines erfindungsgemäßen Trairsfoxmators;

Fig. 3 eine zeitabhängige Darstellung fön Strömen und Spannungen in der Schaltung der Fig.- 1;

Fig. 4 eine Schaltung eines alternativen Ausführungsbeispiels der Erfindung.

Fig. 1 zeigt ein Schaltungsdiagramm einer Vorrichtung zur Durchführung der Erfindung. Dabei, handelt es sich in Fig. 1 bei der Last 10 um eine elektrische Last, die im Falle des Auftretens eines Fehlers in der Last beschädigt werden kann. Beispiele solcher elektrischer Belastungen sind Hochspannungsbeschleunigungsanordnungen und Hochspannungsvakuumröhren. Die Last 1ö is zur Bildung einer Serienschaltung mit der Primärwicklung 11 eines Transformators 12 und einer Gleichspannungsleistungsquelle 14 verbunden. Brückengleichrichter 16 und ein Dreiphasentransformator 18 sind durch eine Schaltervorrichtung 20 und Schaltungsunterbrecher 22 mit einer Wechselstromquelle verbunden _f um so die Gleichspannungsleistungsversorgung 14 zu bilden. Eine Kurzschlußschaltung 24 liegt an den Klemmen der Leistungsversorgung 14, um einen Kurzschluß an die LeistungsVersorgung 14 legen zu können, um dadurch die Last 10 zu schützen. Ein Stromdetektor 26 liegt in Serie mit der Kurzschlußschaltung 24, um ein Signal zur Auslösung der Schaltungsunterbrecher 22 zu erzeugen, um so die Wechselstromquelle vom Transformator 18 abzuschalten und dadurch die LeistungsVersorgung 14 gegenüber Schädigung zu schützen. Alternativ kann der Schaltungsunterbrecher 22 normal unter dem Einfluß eines ffberstroms durch den Schaltungsunterbrecher 22 auslösen .

Schaltungen in dieser Art gemäß Fig. 1, bei denen eine Leistungsversorgung 14 eine Last 10 versorgt und eine Kurzschlußschaltung 24 zum Schutz der Last 10 vorgesehen ist_f sind bekannt.

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Die Kurzschlußschaltung 24 wird typischerweise entweder durch Abfühlen eines Spannungsabfalls an der Last 10 oder einen Anstieg des Stroms durch die Last 10 ausgelöst. Ein jedes dieser Mittel zur Auslösung macht es erforderlich, daß die Last 10 einen Strom führt, der wesentlich oberhalb ihres normalen Betriebsstromes liegt, um die Kurzschlußschaltung 24 auszulösen. Die vorliegende Erfindung vermeidet diesen Nachteil in der folgenden Weise. Ein gemäß der Erfindung vorgesehener Transformator 12 besitzt eine Wicklung 28, die eine Eingangsgröße für eine Zeitverzögerungsschaltung 30 zur Auslösung der Kurzschlußschaltung 24 erzeugt. Der Transformator .12 erzeugt ebenfalls eine Gegen-EMK, welche dem Anstieg des Laststromes entgegenwirkt, der andernfalls einen Ausfall in der Last 10 zur Folge hätte. Der Arbeitspunkt wird durch den Strom in Vorspannwicklung 32 eingestellt. Dies ist ein Wechselstrom, der durch die Vorspannversorgung 34 über Widerstand 36 geliefert wird. Die Kombination aus Kondensator 40 und Induktion 42 bildet einen Filter zur Trennung oder Isolierung der Vorspannversorgung 34 von Impulsen, die ±n der Vorspannwicklung 32 durch Änderungen im Laststrom durch den Transformator 12 erzeugt werden. Im Transformator 12 muß die Primärwicklung 11 derart bemessen sein, daß sie den Lastström führen kann, und sie muß ebenfalls· hinreichend isoliert sein, um den an die Last 10 angelegten Spannungen zu widerstehen. Der Kern 46 des Transformators 12 hält den Fluß aufrecht, der die magnetische Kopplung zwischen Primärwicklung 11, Wicklung 28 und Vorspannwicklung 32 herstellt.

Zum Verstädnis der vorliegenden Erfindung sei auf Fig. 2 verwiesen, wo eine idealisierte B-H-Kurve des Kerns 46 des Transformators 12 der Fig. 1 dargestellt ist. Fig. 2 ist zur Vereinfachung der Zeichnung und der Beschreibung idealisiert, wobei aber diese Idealisierung der Kennlinien für die Erfindungsbeschreibung nicht signifikant ist. Die Kurve der Fig. 2 stellt die Haupthystereseschleife für das Material dar. Es handelt sich um die Kurve der Magnetflußdichte B als Funktion der Magnetisierungskraft, (magnetische Feldstärke) H, einer Kurve, die auch als B-H-Kurve bezeichnet wird. Diese Kurve wird dadurch erhalten, daß man die magnetische Feldstärke an einer geschlossenen Schleife aus dem Material zyklisch verändert, und zwar in einer hinreichenden Größe,

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um zu bewirken, daß das Material abwechselnd in positiven und negativen Richtungen in den Sättigungsbereich gelangt. Dies ist in Fig. 2 durch den zyklischen Betrieb zwischen Punkt 50 und Punkt 52 dargestellt. Die Bedeutung des Ausdrucks "Haupthystereseschleife" besteht darin, daß das Anlegen von größeren magnetischen Feldstärken in der einen oder anderen Richtung die Kurve nicht ändern wird, zu welcher das Material zurückkehrt, wenn die magnetische Feldstärke reduziert wird. Dies steht im Gegensatz zu den kleineren Hystereseschleifen, die dann erhalten werden, wenn man die magnetische Feldstärke zyklischen Veränderungen auf Werten unterwirft, die den Materialzustand innerhalb der Fläche anordnen, die durch die Kurven 53, 54, 55 und 56 begrenzt ist. Die Kurven 54 und 56 sind als geradlinige und etwas geneigte Vertikallinien dargestellt. Das Vorhandensein eines Luftspalts im Kern würde den Kurven 54 und 56 einen endlichen Neigungswert, gleich für beide Kurven, geben und würde die Herstellung des Transformators 12 der Fig. 1 erleichtern, aber ansonsten die Erfindung nicht beeinflussen. Die Erfindung wird dadurch durchgeführt, daß man die Spannung der VorspannungsVersorgung 34 in Fig. 1 oder den Widerstandswert des Widerstands 36 der Fig. 1 derart einstellt, daß sich ein Strom i2 mit einem Wert ergibt, der im Kern 46 der Fig. einen Zustand der Sättigung am Punkt 50 der Fig. 2 erzeugt. Diese Sättigung wird sodann auf Punkt 58 reduziert, und zwar durch den Durchlauf eines Laststroms durch die Primärwicklung 11 der Fig. Das Resultat der beiden entgegenwirkenden Effekte im Kern 46 besteht darin, daß der Punkt 58 im Sättigungsbereich angeordnet wird, aber dicht am Knie der Kurve der Fig. 2, welches durch den Punkt 60 bezeichnet ist. Die Schärfe des Knies am Punkt 60 ist eine Funktion des speziellen Materials, aus dem der Kern 46 hergestellt ist, und ist ebenfalls eine Funktion des Maßstabs, mit welchem die Kurve der Fig. 2 gezeichnet ist. Die Sättigung in der Kurve der Fig. 2 ist jedoch unzweideutig und es ist erforderlich, daß der Punkt 58 im Sättigungsbereich des Kerns liegt. Aus einer Betrachtung der Fig. 2 folgt, daß dann, wenn der Strom i2 in Vorspannwicklung 32 konstant gehalten wird, vVeränderungen im Laststrom durch die Primärwicklung 11 eine entsprechende Bewegung des Punktes 58 längs der Kurve hervorrufen. Weil sich der Punkt 58 in einem Sättigungsbereich befindet, bewirken diese Änderungen hinsichtlich der Lage im wesentlichen keine Änderung

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des magnetischen Flusses im Kern 46 und somit keine induzierte EMK an der Primärwicklung 11. Wenn jedoch der Strom in der Primärwicklung 11 hinreichend stark ansteigt und bewirkt, daß der magenetische Nettofluß im Kern am Punkt 60 vorbeigeht und die Kurve 54 hinaufläuft, dann tritt der Transformator in eine Region ein, in der sich B und somit der magnetische Fluß ändert. Diese Änderung des magnetischen Flusses in einer gegebenen Zeitperiode erzeugt eine EMK in der Primärwicklung 11, die der Richtung des Stromanstiegs entsprechend der Lenz'sehen Regel entgegenwirkt. Die Entgegenwirkung erscheint in der Form einer EMK e = -n d(phi)/dt, die an der Primärwicklung 11 in einem Sinne auftritt, um von der Leistungsversorgungsspannung abgezogen zu werden oder ihr entgegenzuwirken. Diese entgegenwirkende EMK schützt die Last 10 der Fig. 1 dadurch, daß der Laststrom auf einem Wert gehalten wird, der den Kern in einem Teil der Kurve 54 für eine Zeitdauer anordnet, die gleich derjenigen ist, die erforderlich ist längs der Kurve 54 sich zu bewegen. Der Punkt 62 ist ein derartiger Punkt. Gleichzeitig erzeugt der Anstieg der F]ußVerkettungen, der mit der Entwicklung der Gegen-EMK an Primärwicklung 11 verbunden war, ebenfalls eine Spannung an Signalwicklung 28, die entweder direkt oder durch eine Zeitverzögerung, wie beispielsweise Zeitverzögerungsschaltung 60, verwendet werden kann, um die steuerbare Kurzschlußschaltung 24 auszulösen. Diese Auslösung erfolgt somit ohne die Notwendigkeit eines schädigenden Überstromesin Last 10 der Fig. 1.

Fig. 3 zeigt zeitabhängig die Strömung und Spannungen in der Schaltung der Fig. 1. Der Zeitmaßstab der Fig. 3 ist eine Funktion der Werte von Spannungen, Strömen und der Last in der Schaltung, wobei aber eine Markierung 64 angeordnet ist, um die Zeit von 50 bis 100 Mikrosekunden zu zeigen, die für einen breiten Bereich von Anwendungen typisch ist. Vier Zeitintervalle sind in Fig. 3 dargestellt und kennzeichnen sich wie im folgenden beschrieben. Das Intervall 66 ist eine Periode normalen Betriebs. Das Intervall 68 ist eine Zeitperiode,während welcher ein unerwünschter Bogen in der Last 10 der Fig. 1 vorhanden ist. Das Intervall 10 ist eine Zeitperiode, in welcher der Bogen ausgegangen ist und die Schaltung zum normalen Betriebszustand zurückkehrt. Intervall 12 ist wiederum eine Periode normaler Ströme

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und Spannungen. Diese Intervalle und die damit verbundenen Werte von Strom und Spannung werden am besten unter Bezugnahme auf die entsprechenden Punkte in Fig. 2 verstanden. Während des Intervalls 66 befindet sich die Stromkurve 74 auf einem konstanten, den normalen Laststrom repräsentierenden Wert. Die Lastspannungskruve 76 befindet sich auf einem konstanten Wert, der sich von der Quellenspannung nur durch die kleine Größe des Gleichspannungsabfalls der Transformatorspannungskurve 78 unterscheidet. Mit diesen Werten des Laststroms und der Lastspannung ist ein Arbeitspunkt 58 auf der B-H-Kurve der Fig. 2, markiert in Klammern in Fig. 3, verbunden. Intervall 66 endet, wenn sich ein Kurzschluß in Last 10 der Fig. 1 entwickelt. Der Laststrom beginnt augenblicklich einen starken Anstieg, der mit einer Bewegung des Arbeitspunktes in Fig. von Punkt 58 zu Punkt 60 verbunden ist. Während dieser Änderung ändert sich der Fluß im Kern 46 kaum. Daher wird die Versorgungsspannung aufgeteilt zwischen dem Spannungsabfall an der Transformator Streuinduktivität und demjenigen am Bogen. Sobald der Laststrom den Punkt 60 der Fig. 2 erreicht hat, bei einem Wert gezeigt in Fig. 3 in Klammern, tritt der Kernn in den stark ansteigenden Teil der Hysteresekurve, d.h. der Kurve 54 ein. Dieser Teil ist durch eine hohe Magnetisierungsinduktivität gekennzeichnet. Punkt 60 der Fig. 2 wird als Knie der Hysteresekurve bezeichnet. Der stark ansteigende Teil, nämlich die Kurve 54, nach dem Punkt 60 ist in Fig. 3 mit einem relativ konstanten Teil der Kurve für den Laststrom 74, einem abrupten Anstieg der Kurve der Transformatorspannung 78 und einem entsprechend abrupten Abfall der Lastspannungskruve 76 verbunden. Wenn einmal das Knie der B-H-Kurve durchlaufen ist, verhält sich die Transformatorwicklung 11 wie eine Induktivität und die Flußänderung im Kern bewirkt, daß im wesentlichen die ganze Lastspannung an der Primärseite des Transformators 12 auftritt. In einigen Fällen bewirkt dieser abrupte Abfall der Bogenspannung zusammen mit der durch den Transformator 12 auferlegten Grenze bezüglich des Maximalwerts des Laststroms die Selbstauslöschung des Fehlers. Die Kurven der Fig. 3 sind unter der Annahme gezeichnet, daß dies am Ende des Intervalls 68 geschehen ist. Die Zeit am Ende des Intervalls 68 ist in Fig. 2 mit Punkt 62 auf der B-H-Kurve verbunden, wie dies in Klammern in Fig. 3 angedeutet ist. Man erkennt, daß Punkt 62 in Fig. 2 sich im ansteigenden Teil der Hysteresekurve befindet.

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Die Wiederherstellung der normalen Betriebsbedingungen beginnt mit einem Abfall im Laststrom und erfolgt in drei Stufen. Die erste Stufe ist ein abrupter Abfall in einem kurzen Intervall verbunden in Fig. 2 mit einem schnellen Lauf längs einer kleineren Hystereseschleife zum Punkt 80 auf der B-H-Kurve oder Haupthystereseschleife des Materials. Als Nächstes ist der Strom nahezu konstant und zeigt nur einen leichten Abfall,während der Kern aus Punkt 80 in Punkt 82 gelangt. Dies entspricht dem Intervall 70 in Fig. 3, in dem die Werte entsprechend den Punkten 80 und 82 in Klammern gezeigt sind. Schließlich fällt beim erneuten Durchlaufen in die Sattigungszone am Punkt 82 vorbei der Strom abrupt auf seinen normalen Betriebspegel ab, wenn der Kern zum Punkt 58 zurückkehrt. Dies ist das Intervall 72 in Fig. 3. Die Transformator spannungskur.ve 78 ist ohne weiteres aus Fig. 2 dadurch ableitbar, daß man die Änderungen mit jedem Intervall in Beziehung bringt. Somit ist während des Intervalls 66 die Spannung am Transformator 12 konstant auf dem niedrigen Wert, nahezu 0, was den IR-Äbfall am Transformator repräsentiert. Eine Änderung in den Bedingungen der Schaltung, die die Bewegung des Arbeitspunktes des Kerns am Sättigungsniveau hervorruft, repräsentiert eine sehr geringe Änderung der Spannung am Primärtransformator 12, da sich der Fluß im Sättigungsbereich sehr wenig ändert und die Spannung proportional zur Änderungsgeschwindigkeit des magnetischen Flusses ist. Wenn jedoch der Zustand des Kerns am Punkt 60 vorbeigelaufen ist und sich in dem Bereich 54 der Fig. 2 befindet, dann ändert sich der Strom, der proportional zu H ist, sehr wenig, während sich der Fluß, der proportional zu B ist, sehr schnell ändert. Die Transformatorspannung erreicht somit einen hohen Wert und im allgemeinen wird fast die ganze Versorgungsspannung abfallen. Der Durchlauf von Punkt 62 zu Punkt 58 in Fig. 2 stellt eine Rückkehr gespeicherter magnetischer Energie vom Kern 46 des Transformators 12 dar, so daß die Spannung an der Primärwicklung 12 während dieses Intervalls negativ wird. Wenn diese Energie einmal zurückgeführt ist, was die Rückkehr des Kerns zu Punkt 58 gestattet, .so fällt die Spannung an der Primärwicklung 44 des Transformators 12 wiederum auf den niedrigen Wert ab, der den IR-Abfall am Transformator darstellt.

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Die geneigten Linien in sämtlichen Kurven der Fig. 3 repräsentieren geradlinige Annäherungen an Kurven, die im wesentlichen Expondentialkurven mit L/R-Zeitkonstanten sind, welch letztere lang verglichen mit der gezeigten Zeitskala sind. Die genaue Form dieser Kurven ist weniger wichtig als ihre relative Größe und Richtung des Anstiegs oder" Abfalls und sie daher als gerade Linien idealisiert. Eines sollte jedoch aus einem Vergleich der Kurven der Fig. 2 und 3 festgehalten werden: Die erfindungsgemäße Vorrichtung schützt eine Last nur solange, als der Betrieb auf Kurve 54 der Fig. 2 ausrechterhalten ist. Anders ausgedrückt, es gilt, daß der Betrieb den Punkt 84 der Fig. 2 nicht passieren darf, ein Punkt, der in Fig. 3 als das Ende einer gestrichelten Linie dargestellt ist. Demgemäß ist es zweckmäßig, eine Zeitverzögerung zum Betrieb der steuerbaren Kurschlußschaltung einzustellen, und zwar innerhalb einer Zeit, die kleiner ist als die Länge des Zeitintervalls 86, d.h. der Zeit vom Punkt 60 bis Punkt 84. Dies wird durch die Tatsache erleichtert, daß die Flußänderung im Kern 64 mit dem Anstieg der Transformatorspannungskurve 78 nach Punkt 60 verbunden ist, und daß diese Flußänderung verfügbar ist, um die Zeitverzögerungsschaltung 30 der Fig. 1 auszulösen. Die Länge des Zeitintervalls 86 ist direkt proportional zur Gesamtänderung der Flußverkettungen in der Primärwicklung und umgekehrt proportional zur Spannung der Leistungsversorgung. Wenn sich die Schaltung automatisch auslöscht, wie dies in Fig. 3 dargestellt ist, dann erzeugt der Teil der Fig. zwischen dem Punkt 60 und dem Punkt 80 in der Signalwicklung 28 einen Impuls, der zur Rückstellung der Zeitverzögerung für die steuerbare Kurzschlußschaltung verwendet werden kann und den Betrieb der steuerbaren Kurzschlußschaltung 24 der Fig. 1 verhindert. Wenn sich der Bogen nicht automatisch vor der vorbestimmten Zeit der Zeitverzögerungsschaltung löscht, dann wird die steuerbare Kurzschlußschaltung ausgelöst, um die Leistungsversorgung kurzzuschließen und die Last zu schützen. Der Aufbau der Zeitverzögerungsschaltung 30 für die steuerbare Kurzschlußschaltung ist eine Routinesache unter Verwendung von Zählern oder Flip-Flops zum Zwecke der Zeitsteuerung der gewünschten Warteperiode vor der Auslösung der steuerbaren Kurzschlußschaltung 24.

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Fig. 4 zeigt ein Schaltbild einer alternativen Ausführung der Erfindung. Fig. 4 ist ähnlich der Fig. 1 insoferne, als eine Last 10 über einen Transformator 12 mit einer Hochspannungsleistungsversorgung 14 verbunden ist. Eine steuerbare Kurzschlußschaltung 24 liegt an den Klemmen der Hochspannungsleistungsversorgung 14, um die Last 10 vor den Auswirkungen schädigender Überspannungen zu schützen. Der Transformator 12 umfaßt eine Primärwicklung 11, eine Signalwicklung 28 und eine Vorspannwicklung 32. Wie bei Fig. 1 ist die Vorspannwicklung 32 zur Vorspannung der Versorgung 34 geschaltet, und zwar durch eine Serien-Parallel-Kombination von Widerstand 36, Kondensator 40 und Induktivität 42, um Impulse in der Vorspannwicklung 32 zu filtern und die Vorspannungsversorgung 34 zu schützen. Beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 dient die Signalwindung 28 zwei Funktionen. Als erstes dient sie wie bei Fig. 1 zur Auslösung der steuerbaren Kurzschlußschaltung 24, entweder direkt oder, wie in Fig. 4 gezeigt, durch eine Zeitverzögerungsschaltung 30. Die andere Funktion der Signalwicklung 28 besteht darin, eine Überlastung in der gleichen Weise abzufühlen, wie dies unter Bezugnahme auf die Schaltung der Fig. 1 erläutert wurde, und um so ein weiteres Schutzansprechen für die Last 10 einzuleiten. Dies wird dadurch erreicht, daß man eine ausgelöste Hochspannungsfunkenstrecke 30 in Serie mit einem Kondensator 91 an die Last 10 legt. Der Kondensator 91 ist über Widerstand 92 von einer LeistungsVersorgung 93 auf eine Gleichspannung aufgeladen, die klein ist im Vergleich mit der normalen Betriebsspannung an der Last 10. Die Auslöseelektrode 94 ist in der Funkenstrecke 90 angeordnet, um die Leitung über die Funkenstrecke 90 hinweg infolge eines Signals von Signalwicklung 28 einzuleiten. Wenn dies auftritt, so entlädt sich die im Kondensator 91 gespeicherte Energie und treibt Strom durch den Fehler in der Last 10 in einer Richtung entgegengesetzt zum Fluß des Fehlerstroms. Durch diese Mittel geht der Nettostrom in Last 10 nach Null und der Bogen wird gelöscht. Der normale Betrieb der Schaltung der Fig. 4 umfaßt das Löschen des Bogens mittels der ausgelösten Funkenstreckt 90 und die Abführung von Energie vom Kondensator 91. Wenn jedoch der Bogen nicht gelöscht wird oder wenn der Bogen wieder

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überschlägt, bevor die Schaltung der Fig. 4 in die Bedingungen des stetigen Zustands zurückgebracht ist, dann bewirkt das Signal von der Zeitverzögerungs-Auslöseschaltung 30 den Betrieb der steuerbaren Kurzschlußschaltung 24 und das kurzschlußmässige Abtrennen der Leistungsversorgung 14, bevor das Zeitintervall 86 vergangen ist, auf welche Weise die Last gegenüber einer Schädigung geschützt wird.

Die Natur der Last 10 in den Fig. 1 und 4 wurde hier als eine Hochspannungslast beschrieben. Obwohl die vorliegende Erfindung besonders zweckmäßig in Verbindung mit Beschleunigungsröhren, Cockroft-Walton-Generatoren und anderen eine hohe Spannung aushaltenden Gebilden ist,so ist die Erfindung doch nicht auf solche Gebilde beschränkt. Der Sättigungs-Zeitverzögerungs-Transformator 12 der Fig. 1 und 4 kann gleichfalls auch zum Schütze von Lasten bei niedrigeren Spannungen in der Größenordnung von Hunderten von Volt oder weniger verwendet werden. Dies erweitert die Auswahlmöglichkeit für die in der steuerbaren Kurzschlußschaltung 24 verwendbaren Elemente, zu denen Ignitrone, Thyratrone, SCR's, Transistoren, Vakuumröhren und irgendeine Anzahl von anderen Elementen gehören, welche der Anforderung entsprechen, daß sie eine Betriebsspannung der Leistungsversorgung 14 mit sehr wenig Strom, wenn nicht ausgelöst, aushalten, in welchem Falle sie den Kurzschlußstrom der Leistungsversorgung 14 aushalten müssen. Der Transformator 12 besitzt eine Primärwicklung, die in der Lage sein muß, den Laststrom in Last 10 zu führen, und sie muß ebenfalls in der Lage sein, die Lastspannung der LeistungsVersorgung 14 auszuhalten. Die Vorspannwicklung 32 und die Signalwicklung 28 können für eine relativ niedrige Spannung ausgelegt sein. Die Signalwicklung 28 ist primär eine Impulswicklung und muß derart ausgelegt sein, daß sie ein angemessenes Ansprechen auf Impulse zeigt, die durch schnelle Flußänderung im Kern 46 der Fig. 1 und 4 induziert werden. Andere Anforderungen für die Schaltungen der Fig. 1 und 4 sind von den Parametern der Quelle und Last abhängende Konstruktionswahlmöglichkeiten. Beispielsweise gestattet es eine dieser Konstruktionswahlmöglichkeiten dem Konstrukteur,

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die Funktionen der Vorspannwicklung und der Signalwicklung in eine einzige Wicklung zu kombinieren. In diesem Fall wird das zur Auslösung der steuerbaren Kurzschlußschaltung und, wenn verwendet, der Funkenstrecke verwendete Signal durch Anschaltung an die Klemmen der Vorspannwicklung vor dem Filternetzwerk erhalten. Dieses ist eine offensichtliche Möglichkeit,obwohl dies nicht eine wahrscheinliche Wahlmöglichkeit ist wegen der typischen in einer derartigen Schaltung zu erwartenden Parameter.

Das folgende Beispiel wird dies klarmachen. Es sei das Problem des Schutzes mit einer Zeitverzögerung von 50 MikroSekunden bei einer Last betrachtet, die zur Leitung von 10 Ampere bei 200 Kilovolt konstruiert ist. Es sei angenommen, daß ein Kern verfügbar ist, bei welchem das Sättigungsniveau der Flußdichte 17 Kilo-Gauss beträgt und es sei weiter angenommen, daß eine Primärwicklung 100 Windungen umfaßt. Die Kernfläche würde dann

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294 cm betragen, was sich wie folgt ergibt. Die Änderung der Flußdichte erfolgt aus der Sättigung in einer Richtung zur Sättigung in der anderen, so daß die Nettoänderung 2 χ 17 Kilo-Gauss = 34 Kilo-Gauss beträgt, und diese Änderung erfolgt in höchstens 50 Mikrosekunden. Gemäß dem Faraday'sehen Gesetz ist die Querschnittsfläche des Kerns somit das Verhältnis aus dem Produkt von Spannung und Zeit zum Produkt aus Windungen und Änderung der Flußdichte. Die Substitution der obigen Werte

ergibt 294 cm oder einen quadratischen Querschnitt von annähernd 6,2 cm auf einer Seite. Während des normalen Betriebs ist die magnetomotorische Kraft (MMK) des Laststromes 100 Windungen χ 10 Ampere = 1000 Ampere-Windungen. Dieser Wert der MMK repräsentiert den Abstand zwischen Punkten 50 und 58 in Fig. 2. Der Wert der MMK, geliefert durch die Vorspannwicklung, muß gleich dieser Größe sein, und zwar plus einer zusätzlichen Größe ausreichend, um den Kern zum Punkt 58 zu bewegen. Eine routinemäßige Berechnung der Größe des erforderlichen Kerns

zur Erzeugung eines Querschnitts von 17,2 cm und einem genügenden Kernfenster zur Unterbringung einer Primärwicklung von .100 Windungen, isoliert für 200 Kilovolt, ergibt eine mittlere Kernlänge von annähernd 160 cm. Ein typischer Wert der magnetischen Feldstärke bei Sättigung ist 2 Ampere/cm. Das Produkt

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dieser magnetischen Feldstärke und der mittleren Länge zeigt, daß 320 Ampere-Windungen notwendig sind, um den Kern in Sättigung bei Punkt 58 zu bringen. Demgemäß muß die Vorspannwicklung die Summe von 1000 und 320 Ampere-Windungen oder 1320 Ampere-Windungen erzeugen. Eine Zweiwindungsspule erzeugt dies mit einem Strom von 660 Ampere. Wenn dieser Strom in der Vorspannwicklung fließt, würde der Kern am Punkt 58 der Fig. 2 in Betrieb gesetzt werden. Leichte Veränderungen dieses Stromwertes gestatten die Bewegung des Punktes 58 nach links oder rechts, um ohne weiteres eine Einstellung der Empfindlichkeit der Auslösung vorzunehmen. Es sei daran erinnert, daß die Auslösung nur dann erfolgt, wenn der Strom durch die Primärseite hinreichend erhöht ist, um die primären Ampere-Windungen vom Punkt 58 zu Punkt 60 und an diesem vorbei zu bewegen. Die für die Primärwicklung und die Vorspannwicklungen erforderlichen Spannungswerte sind aus dieser Konstruktionsannäherung ohne weiteres ersichtlich. Demgemäß muß jede Primärwicklung gegenüber der nächsten um eine Größe isoliert sein, die ausreicht, um dem Verhältnis von 200 Kilovolt/ 100 Windungen oder 2 Kilovolt pro Windung zu widerstehen. Die Vorspannwindung ist einer Herabsetzung von 100 : 2 bei 200 Kilovolt oder einer Spannung von 4 Kilovolt ausgesetzt.

Die vorstehenden Berechnungen machen klar, daß in Fällen, wo 4 kV eine zu hohe Spannung für die steuerbare Kurzschlußschaltungs-Auslöseschaltung ist, es leichter sein wird, gesonderte Wicklungen für die Vorspannwicklung und die Signalwicklung zu verwenden. Dies hängt jedoch mehr von der Konstruktionsbequemlichkeit als von der Notwendigkeit ab, da das Signal, welches zur Auslösung einer steuerbaren Kurzschlußschaltung ausreicht, an den Klemmen der Vorspannwicklung verfügbar ist und auch derart verwendet werden könnte. Es sollte ebenfalls klar sein, daß die angedeutete Verwendung von mehr als einem Ignitron als steuerbare Kurzschlußschaltung eine Konstruktionsmaßnahme ist. Wenn die Nennspannungskapazität der Leistungsversorgung die der ohne weiteres verfügbaren Igni-

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trone übersteigt, dann können einfach zusätzliche Ignitrone in Serie geschaltet werden, um die Lastspannung auszuhalten, oder sie können parallel geschaltet werden, um den Laststrom zu führen. In einem derartigen Fall ist es ebenfalls eine einfache Maßnahme, weitere Signalwicklungen dem Transformator hinzuzufügen, um diese Ignitrone zu steuern, wenn sie direkt gesteuert werden sollen. Alternativ kann eine Signalwicklung mit einer einzigen Zeitverzögerungsschaltung verbunden werden, die dann benutzt werden kann, um eine Vielzahl von Ignitronen über gesonderte Auslöseschaltungen auszulösen.

- Patentansprüche -

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Claims

Vorrichtung zum· Schutz einer elektrischen Last veriden mit einer Gleichstromversorgung gegenüber einer Schädigung durch tiberströme im Falle eines Lastauisfalls, gekennzeichnet durch

a) einen Transformator ft:2)) mit einer Primärwicklung,, einer Sekundärwicklung rand; einem ferromagnetischen Kern, der eine induktive Kopplung zwischen der Primärwicklung und der Sekundärwicklung aufrechterhalten kann_r wobei die Primärwicklung den Lastsinram· führt und der ferromagnetische Kern sieh in magnetischer Sättigung durch den magnetischen Fluß befindetρ der inn ferromagnetischen Kern durch den Laststrom hervorgeruifen wird«,

b) eine ^orspanEwersorgung^ die elektrisch mit der Sekundärwicklung verbrändlen ist und! einen Strom an die sekundäre Wicklung in der Sichtung zur Sättigung des ferromagnetisehen Kerns . liefert _r wobei dter Strom in der Sekundärwicklung eine MMK erzeugt _p die größer undi entgegengesetzt zu der MMK ist ρ die durch den ILaststrom erzeugt wird „ und wobei die MMK die Sättigung des Kerns auf einen Wert nahe des Knies der B—H—Kurare einstellt _r undi zwar im: Sättigungsbereich,: wodurch ein Fehler in der Last den Laststram vergrößert,, um den ferramagnetischen Kern aus der Sättigung herauszubringen und eine Gegen-EMK an der Primärwicklung zu erzeugen,, wodiurch die East während der Seit,? wo sich der Kern außerhalb; der Sättigung befindete geschützt wird*

c) einen Filter zwischen der ¥arspann\rerso)rgung und der Sekundärwicklung zur Trennung der Vorspannversargung gegenüber Impulsen _r, dlie In der Sekundärwicklung durch Änderungen des Laststromes dlurch die Primärwicklung erzeugt werden,,.

d) eine steuerbare KurzscfrluSschaltung !Crowbar} oder eine entfernbare Kurzschlußschaltung angeschlossen an die Gleichstromversorgung, und

e) eine Zeitverzögertmgsschaltung verbunden mit der steuerbaren Kurzschlußschaltung und dem Transformator und ansprechend auf Änderungen im Transformator,, die einen Fehler anzeigen, um ein verzögertes Äuslösesignal an die steuerbare Kurzschlußschalturig C24J anzulegen, nachdem ein vorbestimmtes Zeitintervall vergangen ist.
2., Vorrichtung nach Anspruch \_t gekennzeichnet durch eine Signalwicklung induktiv gekoppelt mit der Primärwicklung und der Sekundärwicklung wnd elektrisch verbunden mit der Zeitverzägerungsschaltung zur Einleitung einer zeitverzögerten Auslösung der gesteuerten Kurzschlußschaltung (24)*
3. Vorrichtung nach Anspruch % und/oder 2, gekennzeichnet durch eine ausgelöste Funkenstrecke verbunden in Serie mit einem Kondensator anliegend an der Last und durch eine Leistungsversorgung anliegend an dem Kondensator mit einer Polarität entgegengesetzt zur Polarität der Lastspannung.