DE2821548C2

DE2821548C2 - Schaltung zur Unterbrechung von Hochspannungs-Gleichstromkreisen

Info

Publication number: DE2821548C2
Application number: DE2821548A
Authority: DE
Inventors: Hiroyuki Hitachi Sugawara; Shunji Tokuyama
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1977-05-18
Filing date: 1978-05-17
Publication date: 1985-01-10
Also published as: JPS5949663B2; GB1594287A; JPS53142679A; US4216513A; DE2821548A1

Description

dadurch gekennzeichnet, daß

d) die Amplitude des oszillierenden Stromes (i_o) ansteigt.

e) daß die Kapazität (12) und die Induktivität (14) so bemessen sind, daß der über den Unterbrecher fließende resultierende Strom zum Zeitpunkt des ersten Nullwerdens eine Stromsteilheit von Null aufweist, und

0 daß die Kapazität (12) und die Induktivität (14) so bemessen sind, daß die Frequenz des oszillierenden Stromes (/_o) einen oberen Wert (fH), bei dem die Periodendauer (T) des oszillierenden Stromes (i_o) das 20facht der Lichtbogenzeitkonstante fT^beträjät, nicht überschreitet.

2. Schaltung zur Unterbrechung von Hochspannungs-Gleichstromkreisen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Unterbrecher (10) ein Druckluftschalter ist und daß die Frequenz des oszillierenden Stromes (i„) zwischen 4,5 kHz und 25 kHz liegt, wobei der Wert der Induktivität einschließlich der Streuinduktivität zwischen 10 und 100 μΗ liegt und die Kapazität einen Wert von 4 bis

Die Erfindung betrifft eine Schaltung zur Unterbrechung von Hochspannungs-Gleichstromkreisen mit den im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen.

Eine derartige Schaltung ist aus der deutschen Patentschrift 9 73 362 bekannt. Dem zu unterbrechenden Gleichstrom wird dort ein oszillierender Strom überlagere·, der von einem eine Serienschaltung aus einer Kapazität und einer Induktivität umfassenden Poulsen-Generator erzeugt wird, hn negativen Bereich der Lichtbogen-Widerstandskennlinie (d. h. im Bereich abnehmenden Lichtbogenstroms bei steigender Spannung) nimmt dabei die Amplitude des oszillierenden Stroms zu, wns auch aus »Direct Current«, August 1966. Seiten 87 bis 107, bekannt ist. Der aus dem zu unterbrechenden Gleichstrom und dem überlagerten oszillierenden Strom gebildete Summenstrom weist daher kurzzeitige Nulldurchgänge auf.

Bei der Anordnung nach der deutschen Patentschrift 73 362 reichen jedoch diese Nulldurchgängc zur Abschaltung der Anlage nicht aus, da es nach jedem Nulldurchgang zu einer erneuten Zündung des Lichtbogens kommt. Um diese erneuten Zündungen zu vermeiden, erfordert daher die bekannte Anlage zusätzlich Entladungsgefäße, die den Widerstand im Strompfad nach einem Nulldurchgang erhöhen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltung der eingangs bezeichneten Gattung derart weiterzubilden, daß sich ohne zusätzliche mechanische oder elektrische Bauelemente eine Erhöhung des Aus-

ic schaltstroms und eine Verkürzung der Ausschaltzeit erreichen lassen.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Kennzeichnungsteil des Patentanspruchs 1 angegeben. Danach wird erreicht, daß mindestens der erste Strom-Nulldurchgang mit geringer Stromsteilheit erfolgt und die Dauer, während der die Stromsteilheit klein ist und somit auch der Strom in der Nähe des Wertes Null liegt, lang genug ist, um ein Erlöschen des Lichtbogens zu gewährleisten.

Für praktische Fälle besonders geeignete Bemessungswerte für den Schwingkreis sind im Patentanspruch 2 angegeben.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnungen näher erläuterL In den Zeichnungen zeigt

F i g. 1 ein Schaltbild zur Erläuterung grundsätzlicher Überlegungen;

F i g. 2 den Verlauf des oszillierenden Stroms i_o nach F i g. 1;

F i g. 3 den Verlaaf des Summenstroms i. der durch den Unterbrecher fließt, wenn der Stromkreis nach F i g. I geöffnet ist;

Fig.4 ein Impulsdiagramm zur detaillierten Darstellung des Verlaufs des Summenstroms /in der Nähe der Stromnullinie;

F i g. 5 ein Schaltbild zur Erläuterung eines Ausführungsbeispicls:

F i g. 6 eine schematische Darstellung für den Aufbau des Ausführungsbeispiels nach F i g. 5:

•to F i g. 7 bis 9 Diagramme zur Erläuterung der Beziehung zwischen der Frequenz /'des oszillierenden Stroms und dem maximalen Schaltstrom /max in dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 5 und

Fig. 10 ein Diagramm zur Erläuterung der Beziehung zwischen der Induktivität Lo des Schwingkreises und dem maximalen Schaltstrom /max gemäß dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 5.

Der in Fig. 1 in einem Gleichstromkreis enthaltene Unterbrecher 10 arbeitet im negativen Bereich der Lichtbogenwiderstands-Kennlinie. Als Unterbrecher können herkömmliche Druckgas-Wechselstromunterbrecher, Vakuumunlerbrecher und solche mit magnetischer Funkenlöschung eingesetzt werden. Parallel zu dem Unterbrecher 10 liegt ohne Zwischenschaltung eines Hilfsschalters oder einer Funkenstrecke eine Serienschaltung, die einen Kondensator 12 und eine Induktivität 14 umfaßt.

Beim Schließen des Unterbrechers 10 wird der Kondensator 12 durch den Unterbrecher 10 im wesentlichen

bö kurzgeschlossen und elektrisch nicht aufgeladen. Über den Unterbrecher 10 fließt ein Gleichstrom aus einer (nicht gezeigten) Gleichstromquelle. Beginnen die Elektroden des Unterbrechers 10 beim Empfang eines Untcrbrcchungssignals zum Zeitpunkt /ι mechanisch zu

b5 öffnen, so entsteht /wischen den Elektroden des Unterbrechers ein Lichtbogen. Andererseits wird aufgrund der negativen Lichtbogenwiderstands-Kcnnlinie des Unterbrechers 10, der vorgegebenen Kapazität des

Kondensators 12 und des Wertes der Induktivität 14 der in F i g. 2 gezeigte oszillierende Strom i„ steigender Amplitude erzeugt Dieser oszillierende Strom ü der durch die folgende Gleichung (1) gegeben ist, wird dem aus der Gleichstromquelle zum Unterbrecher 10 fließenden Gleichstrom überlagert:

Ό —
wobei

R 'ILo

sin

VHc

t\

A die Lichtbogenspannung bedeutet,

C die Kapazität des Kondensators 12,

Lo die Induktivität 14, und

R den Widerstand des Lichtbogens.

Der durch den Unterbrecher 10 fließende Summenstrom / wird daher gemäß F i g. 3 zum Zeitpunkt /3 zu Null, so daß der Lichtbogen am Unterbrecher 10 zu diesem Zeitpunkt erlischt. Selbst wenn τυ diesem Zeitpunkt fs, zu dem der Summenstrom zum ersten Mal Nu!! wird, der Lichtbogen nicht erlischt, wird er an einem der folgenden Nulldurchgänge des Stroms zu den Zehpunkten U, fs,..- gelöscht.

Wie ferner Fig.3 zeigt, nimmt die Amplitude des Summenstroms / allmählich zu und erreicht die Stromnuliinie zum Zeitpunkt tj mit einer Stromsteiiheit

d/

= 0.

In diesem Zeitpunkt wird der Strom unterbrochen. Infolge der zu Null werdenden Stromsteilheit -^ läßt sich

d/

der maximale Schaltstrom /max steigern, ohne die Induktivität des Schwingkreises über mehrere mH zu erhöhen.

Außerdem nimmt die Stromsteiiheit selbst dann nicht zu, wenn zur Verkürzung der Unterbrechungszeit die Frequenz des oszillierenden Stroms auf mehr als ! kHz erhöht wird.

Nach Erlöschen des Lichtbogens fließt der Gleichstrom / in den Kondensator 12 und lädt diesen auf die Spannung der Gleichstromquelle auf. Nach Aufladung des Kondensators 12 wird der Gleichstrom / zu Null, womit der Unterbrechungsvorgang abgeschlossen ist.

Um zu erreichen, daß der Unterbrecher den Unterbrechungsvorgang innerhalb der vorgegebenen Zeitspanne beendet, darf die Frequenz /'des oszillierenden Stroms i„e<nen Höchstwert /Hnicht überschreiten. Eine Stromsteilhei»

d/
df

= 0

zum Zeitpunkt des ersten Stromnullwerdens des Summenstromes bedeutet, daß das Minimum des Summenstroms /die Stromnull-Linie in Fig.4 berührt. Dabei nimmt der durch den Unterbrecher 10 fließende Summenstrom / gemäß F i g. 4 vom Zeitpunkt t₂ bis zum Zeitpunkt fj i»b und erreicht schließlich die Stromnull-Linie.

Indem Unterbrecher wird beim Nullwerden des Stromes der Widerstand des Lichtbogens nicht sofort unendlich. VieirAehr steigt der Lichtbogenwiderstand exponentiell mit der vorgegfbcnen Lichtbogen-Zeitkonstante Ta. De'· Lichtbogenwiderstand muß daher innerhalb der Zeitspanne 774 (wobei Γ die Periode des oszillierenden Stroms i'o angibt), innerhalb der der Summenstrom ausgehend von f2 abzunehmen beginnt und zu Null wird, genügend groß geworden sein. Nach einer Zeitspanne, die etwa 5mal langer ist als die Zeitkonstante Ta, kann mit ausreichender Sicherheit damit gerechnet werden, daß der Lichtbogenwiderstand groß genug geworden ist, um den Strom zu unterbrechen. Daher findet nur dann eine Unterbrechung statt, sofern die folgende Gleichung (2) erfüllt ist:

> 5Ta oder T>20Ta.

Gleichung (2) läßt sich erfüllen, wenn die Frequenz f des oszillierenden Stroms /_u so gewählt wird, daß sie kleiner ist als die durch die nachstehende Gleichung (3) gegebene Frequenz fH:

ßf =

20Ta

Ferner ist es erforderlich, daß der Lichtbogen gelöscht wird, solange der Unterbrecher 10 in der Lage ist zu unterbrechen, d. h. innerhalb der maximal zulässigen Lichtboge.-.dauer Tb. Die Amplitude des oszillierenden Stroms i„ muß deshalb innerhalb der maximal zulässigen Lichtbogendauer Tb die Größe des zu unterbrechenden Gleichstroms / erreichen und überschreiten, so daß der Summenstrom /null wird. Der Zeitpunkt f3, zu dem dies zum ersten Mal geschieht, ist mit Gleichung (1) zu ermitteln und hängt hauptsächlich von der Kapazität C und der Induktivität Lo des Schwingkreises ab. Wenn die Frequenz f zu niedrig gewählt wird, so daß sie einen unteren Wert fL erreicht, wird die Dauer Tc (mit Tc = ti— f|) gleich der maximal zulässigen Lichtbogendauer Tb, und der Lichtbogen kann nicht mehr gelöscht werden. Daher wird die Frequenz f des oszillierenden Stroms i„ so gewählt daß sie größer ist als die Frequenz fL, so daß das erste Stromnullwerden stets innerhalb der Dauer Tb erfolgt.

In Fi g. 5 und 6 ist ein Ausführungsbeispiel gezeigt, bei dem eine Unterbrecherkammer 16 eines Druckgas-Unterbrechers zwischen einer unteren Befestigung 18 und einer oberen Befestigung 20 gehaltert ist. Der Unterbrecher arbeitet im negativen Bereich der Lichtbogen-Widerstandskennlinie.

Um die Kontakte der Unterbrecherkammer 16 zu öffnen, wird in einem Lufttank 24 gespeicherte Druckluft über ein Porzellanrohr 22 zugeführt.

Die Unterbrecherka:nmer 16 wird mittels eines Magnetventils 26 geöffnet bzw. geschlossen, das zwischen dem Porzellanrohr 22 und uem Drucklufttank 24 angeordnet ist. in Serie mit der Unterbrecherkammer 16 ist ein Trennschalter 28 vorgesehen, der mittels ^ines Hebels 30 geöffnet wird, nachdem die Unterbrecherkammer 16 geöffnet worden ist. Auf einem Porzellanstützer 32 ist eine eisenlose Drossel 34 angeordnet, die aus einem auf einen Isolierrylinder aufgewickelten Leiter be-

bo steht. Die Drossel 34 ist mit Abgriffen 36,38 zur Einstellung der Induktiviiät Lo des Schwingkreises versehen. Parallel zu der Porzellanstütze 32 liegt ein ölkondensator40.

Die Unterbrecherkammer 16, der Kondensator 40 und die Drossel 34 sind mit Klemmen 42, 44, 46, 48, 50, "52 und 54 versehen, die über Leiter 56, 58,60 und 64 so verbunden sind, daß sie die in F i g. 5 gezeigte Schaltung bilden. Die in F i g. 5 ferner eingezeichnete Streuindukti-

vität 66 besteht aus den dem ölkondensator 40 und den Leitern 56 bis 64 innewohnenden Induktivitäten. Die Unterbrecherkammer 16, der ölkondensator 40, die Drossel 34 und die Streuinduktivität 44 entsprechen dabei dem Unterbrecher 10, dem Kondensator 12 und der induktivität 14 gemäß Fig. I und unterbrechen den Gleichstrom /, wie dies anhand von Fig. 1 dargestellt worden ist.

In einem praktischen Ausführungsbeispiel der obigen Anordnung betrug Ta = 2 μsec, C = 4 μF. Lo — 500 μΗ, R = — 2 Ω und A - 1000, und ein Gleichstrom / von 700 A wurde mit einer Verzögerung von I msec unterbrochen, nachdem der Unterbrecher 10 zu öffnen begonnen hatte. Nach etwa 3,5 Zyklen (nach 1 msec), nachdem der Unterbrecher zu öffnen begann, überschritt der oszillierende Strom i„ den Gleichstrom /, so daß der Summenstrom /den Wert Null erreichte. Setzt man in diesem Fall die obengenannten Werte in die Gleichungen (1) und (3) ein, so erhält man für die Frequenzen (L - 3,5 kHz und (H = 25 kHz.

In den Diagrammen der Fig.7 bis 9 sind die Beziehungen zwischen der Frequenz / des oszillierenden Stroms und dem maximalen Schaltstrom /max gemäß dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel dargestellt, wobei jeweils der maximale Schaltstrom / max für drei Unterbrecher A, Bund Cbei Änderung der Kapazität auf 4 μΡ und 12 μΡ dargestellt ist. A bedeutet dabei einen Druckgas-Unterbrecher unter Verwendung einer Düse mit einem rechteckigen oder quadratischen Querschnitt aus einer Kombination von Isoliermaterial und Metall. Seinen Druckgas-Unterbrecher mit einer zylindrischen Düse aus einer Kombination von isoliermaterial und Metall, und C einen Druckgas-Unterbrecher mit einer zylindrischen Metalldüse. In allen Fällen liegt der maximale Schaltstrom /max bei Frequenzen von etwa 5 bis 1OkHz und nimmt zu beiden Seiten dieses Bereichs drastisch ab.

in dem Diagramm nach Fig. 10 ist der maximale Schaltstrom / max über der Induktanz mit der Kapazität als Parameter aufgetragen. Überschreitet gemäß Fig. 10 die Induktivität des Schwingkreises den Wert von 500 μΗ, so nimmt der maximale Schaltstrom /max selbst bei Erhöhung der Kapazität nicht zu. Beträgt die Kapazität 4 bzw. 8 μΡ. so ergibt sich ein erhöhter maximaler Schaltstrom /max, wenn die Induktivität etwa 60 bzw. 40 μΗ beträgt. Ein hoher maximaler Schaltstrom /max wird erreicht, wenn die Induktivität Lo des Schwingkreises zwischen 10 und 100 μΗ und die Kapazität zwischen 4 und 12 μΡ liegt, d. ru wenn die Frequenz /des oszillierenden Stroms in einen Bereich von 4.5 bis 25 kHz fällt.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Schaltung zur Unterbrechung von Hochspannungs-GIeichstromkreisen, umfassend

a) einen Unterbrecher (10), der im negativen Bereich der Lichtbogenwiderstands-Kennlinie arbeitet,

b) einen spätestens gleichzeitig (fi) mit dem öffnen des Unterbrechers (10) zu diesem parallel geschalteten Serienkreis aus einer Kapazität (12) und einer Induktivität (14), wobei

c) die Kapazität (12) und die Induktivität (14) so bemessen sind, daß beim öffnen des Unterbrechers (10) ein oszillierender Strom (i_o) mit vorgegebener Frequenz erzeugt wird.