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Synthetikprüfkreis für Hochspannungs-Leistungsschalter
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Die Erfindung betrifft einen Synthetikprüfkreis für Hochspannungs-Leistungsschalter
nach dem Prinzip der WEIL-Schaltung mit Stromüberlagerung und ein Verfahren zu dessen
Betrieb.
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Diese Schaltung ist aus der Praxis bekannt (E. Slamecka, Prüfung von
Hochspannungs-Leistungsschaltern, Springer-Verlag 1966, S. 243 ff.). Sie ermöglicht
die Laborprüfung von Schaltern hoher Schaltleistung, für deren direkte Prüfung die
im Labor zur Verfügung stehende Leistung nicht mehr ausreicht, nach einem indirekten
Verfahren. Der Kurzschlussstrom und die wiederkehrende Polspannung werden dabei
aus verschiedenen Kreisen entnommen und zeitlich aufeinanderfolgend an den Prüfling
angelegt. Als Energiequelle des Hochstromkreises wird ein Kurzschlussgenerator verwendet,
der vor Beginn der Prüfung auf Nenndrehzahl gebracht wird und während des ersten
Prüfungsabschnitts einen Kurzschlussstrom mit mehreren Halbwellen Dauer über den
Hochstromtranstormator durch den Prüfschalter treibt.
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Je nach Einschaltzeitpunkt schwingt dieser Ñectìsel3trsm symmetrisch
oder asymmetrisch zur Nullinie und ermöglicht es, die verschiedenen, im Netz auftretenden
BelasturlgsXaL-le des Leistungsschalters nachzubilden.
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Während eines Schaltzyklus sinkt die Drehzahl des Kurzchlussgenerators
durch Energieentnahme. Die entnommene Energie setzt sich zusammen aus der Schaltarbeit,
die im Lichtbogen des Prüfschalters geleistet wird und Verlusten im Hochstromtransformator,
Leitungssystem und im Kurzschlussgenerator selbst. Hinzu kommen in der Gesamtbilanz
diejenigen Verluste, die beim Hochfahren des Generators entstehen. Bei einem Kurzschlussschaltzyklus
von 50 ms Dauer hat die Schaltarbeit in einer realen Prüfanlage nur einen Anteil
von etwa 5 % an der aus dem Generator entnommenen Energie. Entsprechend gering ist
der Gesamtwirkungsgrad eines solchen Hochstromkreises.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, den Gesamtwirkungsgrad
des Hochstromkreises beträchtlich zu verbessern.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass der Hochstromkreis
ein Schwingkreis ist und aus mindestens einer Kondensatorbatterie, einer Induktivität
und einem gesteuerten Schalter besteht. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung ist die Kondensatorbatterie mit dem in Serie liegenden,
gesteuerten Schalter und der Primärwicklung des Hochstromtransformators zu einem
Schwingkreis zusammengeschaltet. Die Kondensatorbatterie wird bei geöffnetem Schalter
über eine geeignete Stromversorgung aufgeladen. Nach Schliessen des Schalters schwingt
ein sinusförmiger Wechselstrom durch die Primäricklung, dessen Frequenz durch die
Kapazität der Kondensatorbatterie und die Induktivität dieser Wicklung gegeben ist,
und dessen Amplitude aufgrund der unvermeidlichen Verluste in den Leitungen und
im Hochstromtransformator annähernd exponentiell abnimmt.
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Daraus ergibt sich der Vorteil, dass in der Gesamtenergiebil..nz des
Prfkreises keine den Kurzschlussgenerator-lJer-
lusten entsprechenden
Verluste auftreten. Diens hat einen erheblich verbesserten Gesamtwirkungsgrad zur
Folge. Ein weiterer wichtiger Vorteil ist das Fehlen beweglicher Teile und damit
verbunden eine Verkürzung der reparaturbedingten Ausfallzeiten des Prüfkreises.
Weiterhin entfallen die besonderen baulichen Massnahmen, die für eine rotierende
Maschine von der Grösse eines Kurzschlussgenerators erforderlich sind Ein zusätzlicher
Vorteil ist die Verkürzung der Zykluszeit aufgrund der kürzeren Nachladedauer der
Kondensatorbatterie.
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Nachfolgend werden anhand von Zeichnungen Ausführungsbeispiele der
Erfindung und deren Wirkungsweise erläutert.
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Dabei zeigt: Fig. 1 eine WEIL-Schaltung, deren Hochstrom-Schwingkreis
aus Kondensatorbatterie, gesteuertem Schalter und Primärspuleninduktivität besteht;
Fig. 2 einen Hochstrom-Schwingkreis mit einer zweiten, in Serie geschalteten Induktivität;
Fig. 3 einen Hochstrom Schwingkreis mit antiparallelen Ventilen als Schalter; Fig.
4 einen Prüfkreis mit einer zusätzlichen Verlagerungswicklung im Hochstromtransformator;
Fig. 5 die Anordnung der aufgeteilten Verlagerungswicklung im Hochstromtransformator;
Fig. 6 die Anordnung der aufgeteilten Primärwicklung im Hochstromtransf-Drmator;
Fig. 7 eine Schaltung zur Erzeugung des Verla,eru.ngsct,romes.
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In Fig. 1 ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel für die vorliegende
Erfindung wiedergegeben. Die Frequenz f des Schwingkreises aus der Kondensatorbatterie
1 mit der Kapazitrat C und der Primärwicklung p des Hochstromtransformators 3 mit
seiner Induktivität L ergibt sich nach der üblichen Schwingkreisformel zu
6' Die maximal erreichbare Stromamplitude I ist bei Vernachlässigung der Leitungs-
und Transformatorverluste proportional zur Ladespannung UL der Kondensatorbatterie
1:
Die Kurzschluss-Strombelastung des Prüfschalters 7 auf der Sekundärseite des Transformators
kann daher in einfacher Weise unter Berücksichtigung des Uebertragungsverhältnisses
durch die Wahl einer entsprechenden Ladespannung eingestellt werden. Da die Schwingkreisverluste
zu einer Dämpfung der Stromschwingungen führen, müssen sie einerseits möglichst
gering gehalten und andererseits zur Einhaltung genormter Prüfbedingungen bei der
Einstellung des Kreises berücksichtigt werden.
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In einem weiteren AusführungsbeispieL, das in Fig. 2 dargestellt ist,
wird eine zweite Induktivität 4 zur Primärwicklung des Hochstromtransformators in
Reihe geschaltet. Diese Induktivität erlaubt es, ohne aufwendige Veränderungen am
Transformator die Frequenz des Kurzschlussstromes den jeweiligen Früfbedingungen
anzupassen.
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Zur Erfüllung der synthetischen Prüfbedingunen können als Minimalwerte
für den Hochstromkreis eine Frequenz f von 50 Hz, ein Spannungs-Effektivwert UK
am Schalter von 10 kV und ein Stromeffektivwert IK von 80 kA gelten. Mit
einem
angenommenen Uebersetzungsverhältnis üT = 2 des Hochstromtransformators ergeben
sich für die Schwingkreiskapazität ein erforderlicher Wert von 6,4 mF und die Induktivität
ein Wert von 1,6 mH. Der entsprechende Energieinhalt des Schwingkreises beträgt
dann 2,56 MWs, die Ladespannung UL beläuft sich auf 28,3 kV.
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Hat der Hochstromtransformator eine tatsächliche Streuinduktivität
von 1 mH, muss die zweite Induktivität 4 einen Wert von 0,6 mH aufweisen, um die
Bedingungen für die o.a.
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Frequenz zu erfüllen.
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Fig. 3 zeigt ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Hochstrom-Schwingkreises.
Als steuerbarer Schalter ist eine antiparallele Kombination aus einem steuerbaren
Ventil 5 und einem einfachen Ventil 6 eingesetzt. Die Ladespannung der Kondensatorbatterie
ist so gepolt, dass sie in Durchlassrichtung des gesteuerten Ventils liegt. Wird
das Ventil geöffnet, lädt sich die Kondensatorbatterie mit der ersten Stromhalbwelle
um Die folgende, umgekehrte Stromhalbwelle fliesst ungehindert durch Ventil 6 zurück.
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Wird während der Zeit dieser Halbwelle Ventil 5 geschlossen, endet
die Schwingung automatisch im Nulldurchgang des Stromes. Dadurch wird einerseits
die Steuerung vereinfacht und andererseits können als Schalter wartungsarme Halbleiterventile
verwendet werden. Insbesondere bietet sich der Einsatz eines rückwärtsleitenden
Thyristors (RLT) an, dessen Aufbau und Wirkungsweise in der Zeitschrift Klektroniker,
Nr. 5, 1981, S. 22 ff. beschrieben sind.
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In der Praxis treten am Leistungsschalter Belastungsfälle auf, bei
denen der Kurzschlussstrom asymmetrisch zur Nulllinie schwingt, d.h., dem Wechselstrom
eine Gleicnstromkomponente überlagert ist. Da in einem Schwingkreis keine natürliche
Stroma: mmetrie ( Verlagern) . i.¼'!i ri kann, wird sie, wie im Ausführungsbeispiel
der Fig. 4 dargestellt, künstlich erzeugt. Zu diesem Zweck ist im Hochstrom-
transformator
3 eine zusätzliche Verlagerungswicklung V angebracnt. Sie wird von einem zeitlich.
veränderlichen Gleichstrom %V durchflossen, der im Kern des Transformators einen
zeitlich veränderlichen, zusätzlichen Fluss hervorruft. Dieser Fluss induziert im
Sekundärkreis deS Hochstromtransformators die gewünschte Gleicnstromkomponente,
überlagert vom übersetzten Wechselstrom aus dem Hochstromschwingkreis. Grösse und
zeitlicher Verlauf der Asymmetrie können so, im Gegensatz zur herkömmlichen WEIL-Schaltung,
extern gesteuert werden.
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Für die Erzeugung des Verlagerungsstromes ly ist in einem bevorzugten
Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 7 eine Kondensatorbatterie 9 vorgesehen, die über
ein steuerbares Ventil 10 und einen Dämpfungswiderstand 8 durch die Verl.agerungswicklung
V aperiodisch entladen wird. Bei gegebener Kapazitrat der Kondensatorbatterie 9
und Induktivltät L der 'Serlagerungswicklung V wird die aperiodische Entladung erreicht,
wenn der Wert R des Dämpfungswiderstandes der Ungleichung
genügt.
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Nimmt man für die Verlagerungswicklung z.B. eine Streuinduktivität
LV von 0,14 mH an sowie ein OB = 50 mF und eine Ladespannung dieser Kapazität von
1500 V, ergibt sich für den Dämpfungswiderstand ein Wert von ~ 0 l.
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Da in den verschidenen Kreisen des Hochstromtransformators hohe Ströme
induziert werden, andererseits der Aufwand für die Elemente de Verlagerungskreises
so gering wie möglich sein soll, ist es vorteilhaft, die Rückwirkung der Primär-
und Sekundärwicklung auf die Verlagerungswicklung zu unterdrücken. Erfindungsgemäss
wird dies durch Aufteilen der Verlagerungswicklung in zwei Teilwicklungen
erreicht.
Ein Ausführungsbeispiel ist in Fig. 5 dargestellt Die beiden gleichartigen Teilwicklungen
V1 1 und V sind 2 jeweils konzentrisch zur Primärwicklung p und Sekundärwicklung
s auf den Aussenschenkeln des Transformatorkerns angeordnet. Sie sind so zusammengeschaltet,
dass sich die vom Hauptfluss induzierten Teilspannungen subtrahieren, während sich
der von Wicklung V 2 erzeugte Verlagerungsflus in in der Sekundärwicklung dem Hauptfluss
errindunsgemäss additiv überlagert.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel für den Hochstromtransformator
ist in Fig. 6 wiedergegeben. Um die Induktionswirkung der Verlagerungswicklung auf
den Primärkreis zu unterdrücken, ist auch die Primärwicklung in zwei gleichartige
Teilwicklungen Pl und p2 aufgeteilt, die jeweils konzentrisch zu den Teilwicklungen
V1 und 22 der 2 Verlagerungswicklung angeordnet sind. Pl und p2 sind im Gegensatz
zu V1 und V2 so zusammengeschaltet, dass die von ihnen erzeugten Teil flüsse additiv
den Hauptfluss 0 bilden.
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Der Mittelschenkel des Transformatorkerns bildet den Rückschluss für
den von den Verlagerungswicklungen V1 und V2 ausgehenden Verlagerungsfluss #V. Gleichzeitig
treten in ihm Streuflüsse der Primär- und Sekundärwicklung auf, die den Wirkungsgrad
des Hochstromtransformators herabsetzen. Um diese Streuflüsse zu verringern, ist
im Mittelschenkel erfindungsgemäss ein Luftspalt 11 vorgesehen, wie er in Fig. 5
oder Fig. 6 dargestellt ist.
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Da die beschriebene Prüfschaltung mit Ausnahme des Prüf-und Blockierschalters
erfindungsgemäss nur aus statischen Komponenten aufgebaut ist, ergibt sich im Vergleich
bisher bekannten Schaltung eine deutliche Senkung der Anlagen- und Betriebskosten.
Weiterhin lassen sich die Parameter, die nach den jeweiligen Prüfnormen vorgegeben
sind, leichter steuern. Darüber hinaus können an den frequenz-
und
amplitudenbestimmenden Elementen des Hochstromkreises in einfacher Weise Aenderungen
vorgenommen werden. Vorteil haft ist auch die Verwendung aufteilbarer Energiespeicher,
da einzelne Speicherelemente bei einem Ausfall leicht eretzt werden künnen.
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