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Schaltanordnung für hohe Betriebsstromstärken und Abschaltleistungen
Um in elektrischen Anlagen mit hohen Betriebsstromstärken und hohen Betriebsspannungen
die Leistungsschalter vom Dauerstrom zu entlasten, ist es schon bekannt, dem Leistungsschalter
einen Stromschalter parallel zu schalten, der nur für kleine Abschaltleistung bemessen
zu sein braucht. Dieser Stromschalter wird dabei so gesteuert, daß er beim Einschalten
nach dem Leistungsschalter, beim Ausschalten dagegen vor ihm geschaltet wird.
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Es wird im allgemeinen erforderlich sein, der zum Stromschalter parallelen
Leiterschleife, in welcher der Leistungsschalter liegt, einen gewissen Widerstand
zu geben, damit der Stromschalter während des Normalbetriebes einen entsprechend
großen Anteil des Gesamtstromes übernimmt. Dieser Widerstand der zum Stromschalter
parallelen Leiterschleife bewirkt aber bei der Abschaltung des Kurzschlußstromes,
daß der Stromschalter einen sehr großen Anteil des Kurzschlußstromes zu unterbrechen
hat und daß außerdem auch die Spannung an den Kontakten dieses Schalters nach der
Unterbrechung verhältnismäßig groß wird. Unter diesen Umständen kann auf den Stromschalter
also eine beträchtliche Abschaltleistung kommen, so daß dieser nicht mehr in der
einfachen Konstruktion ausgebildet werden kann, welche die Anwendung dieser Schaltanordnung
vorteilhaft macht.
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Um diesen Nachteil zu beseitigen, wird nach der Erfindung die zum
Stromschalter parallele Leiterschleife mit einer Drosseleinrichtung ausgerüstet,
deren induktiver Widerstand durch Bemessung oder Steuerung ihres Induktionsflusses
beim Schalten unter Kurzschluß stark vermindert wird. Hierdurch ist erreicht, daß
einerseits bei der Kurzschlußabschaltung der Stromschalter durch eine Leiterschleife
von sehr geringem Widerstand kurzgeschlossen ist, also seine Abschaltung sehr erleichtert
ist, andererseits kann aber durch richtige Bemessung der Drosseleinrichtung für
den Normalbetrieb die richtige Stromverteilung auf die beiden Schalter, welche dem
Verhältnis ihrer Nennstromstärken entsprechen muß, hergestellt werden. Zweckmäßig
wird man mit der Verminderung des induktiven Widerstandes der Drosseleinrichtung
in der parallelen Leiterschleife so weit gehen, daß die Spannung, welche beim Öffnen
des Stromschalters unter Kurzschluß an seinen Kontakten entsteht, unterhalb der
Lichtbogenminimalspannung liegt, d. h. geringer ist, als 30 Volt. Dann wird
ein Wechselstromlichtbogen ohne Zuhilfenahme jedweder Löscheinrichtung von selbst
erlöschen.
Für die Verminderung des induktiven Widerstandes der
Drosseleinrichtung lassen sich die Sättigungserscheinungen in einem ferromagnetischen
Drosselkörper ausnutzen. Man kann zu diesem Zweck einen ferromagnetischen Drosselkörper
von solcher Bemessung anordnen, daß seine magnetische Sättigung weit unterhalb des
Kurzschlußstromes das Sättigungsknie erreicht. Man kann auch den Induktionsfluß
in der Drosseleinrichtung unter Zuhilfenahme von sekundären Wicklungen steuern,
indem man etwa zwei mit Sekundärwicklungen ausgerüstete Drosseln verwendet, von
welchen die eine in der Leiterschleife des Leistungsschalters, die andere in der
Leiterschleife des Stromschalters angeordnet wird und deren Sekundärwicklungen so
bemessen und geschaltet sind, daß sich bei Normalbelastung ihre Induktionsspannungen
das Gleichgewicht halten. Nach der Unterbrechung des Stromes durch den Stromschalter
fällt dann die Gegenspannung für die Sekundärwicklung der im Leistungsschalterstromkreis
angeordneten Drossel weg, so daß ihre Sekundärwicklung plötzlich den vollen Kurzschlußstrom
führt und dadurch den induktiven Widerstand in. dieser Leiterschleife vermindert.
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Wenn der Widerstand in der zum Stromschalter parallelen Leiterschleife
von Haus aus zu groß ist, um die richtige Stromverteilung bei der Normalbelastung
herbeizuführen, dann muß eine zusätzliche .Drossel im Stromkreis des Stromschalters
angewendet werden. Man wählt diese zusätzliche Drossel so groß, daß sie sich bei
Kurzschluß nicht sättigt und bei Normalstrom den Widerstand der sich sättigenden
Drossel im Leistungsschalterstromzweig ausgleicht bzw. noch überwiegt, damit ein
genügend großer Stromanteil den Leistungsschalterzweig durchfließt.
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In den Figuren sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt.
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Fig. i zeigt den Fall, daß der Stromzweig h des Leistungsschalters
L, der geradlinig verläuft, den kleineren, der Stromzweig 12 des Stromschalters
S dagegen, welcher eine Schleife bildet, den größeren induktiven Widerstand besitzt.
In diesem Fall würde sich also ohne besondere Maßnahme der Stromschalter im Normalbetrieb
nicht entsprechend belasten. Beispielsweise soll bei 4ooo Ampere Gesamtstrom eine
solche Stromverteilung erreicht werden, daß der Strom h durch den Leistungsschalter
L iooo Ampere, der Strom 12 durch den Stromschalter S dagegen 300o Ampere beträgt.
Man muß dann das Drosseleisen D um den Leiter h, welcher zum Leistungsschalter
führt, anordnen. Dieses Drosseleisen verstärkt das Magnetfeld um den Leiter, und
dadurch vergrößert sich der induktive Widerstand dieses Leiters so weit, als erforderlich
ist, um das richtige Widerstandsverhältnis bei Normalbetrieb und daher die richtige
Stromverteilung auf die beiden Schalter herzustellen. Das Drosseleisen D ist dabei
erfindungsgemäß ungefähr bis zum Knie seiner Magnetisierungscharakteristik gesättigt.
Tritt nun der Kurzschlußstrom auf, der etwa den zehnfachen Betrag des Normalstromes
hat, also 4o ooo Ampere, dann vermindert sich infolge der Sättigung des Drosseleisens
der induktive Widerstand des Leiters h sehr stark, das Verhältnis der Widerstände
1z : 12 beträgt dann nicht mehr 3 : i, sondern beispielsweise z : i. Hierdurch wird
einerseits der Stromschalter S von Strom entlastet, andererseits wird der Spannungsabfall
im Leiter h, der beim öffnen des Schalters S durch den gesamten, nach dem Leiter
1i gedrängten Kurzschlußstrom hervorgerufen wird, vermindert, Der Schalter S wird
daher unter einem kleineren Strom geöffnet, und der Lichtbogen erlischt rasch, weil
die wiederkehrende Spannung an den Schalterelektroden von S sehr gering ist. Nachdem
der Strom im Leiter 1, durch den Stromschalter S unterbrochen wurde, öffnet
der Leistungsschalter L und unterbricht den ganzen Kurzschlußstrom unter der vollen
Betriebsspannung von beispielsweise 6 kV. Durch die Schaltungsanordnung ist also
der Vorteil erreicht, daß für den Leistungsschalter trotz des hohen Dauerstroms
der Anlage ein normaler typenmäßiger ioöo-Ampere-Schalter angewendet werden kann,
wobei der ihn ergänzende Stromschalter zufolge der fast leistungslosen Unterbrechung
ein Schalter sehr einfacher, billiger Bauart sein kann.
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Fig. z zeigt den Fall, daß die Stromschleife 1, des Stromschalters
den kleineren, die Stromschleife h des Leistungsschalters dagegen den größeren induktiven
Widerstand hat. Hier kann der Fall eintreten, daß das Verhältnis der Widerstände
der beiden Stromzweige gerade das für die richtige Stromverteilung erforderliche
ist; beispielsweise kann sich bei 4ooo Ampere Gesamtstrom der Widerstand der Stromschleife
h zu dem Widerstand der Stromschleife 12 wie 3 : i verhalten, so daß der Leistungsschalter
iooo Ampere, der Stromschalter 3ooo Ampere führt, was ihren Nennströmen entsprechen
möge. Man hätte dann ohne Anwendung von Drosseleinrichtungen im Kurzschlußfall das
gleiche Widerstandsverhältnis, also die gleiche Stromverteilung. Bei 4.o ooo Ampere
Kurzschlußstrom würden also auf den Stromschalter allein 3o ooo Ampere Entfallen,
was für die Abschaltung dieses Schalters sehr ungünstig wäre. Um den Abschaltstrom
für diesen Schalter zu verkleinern, muß man den
Widerstand der parallelen
Stromschleife h veränderlich machen, und zwar derart, daß er sich im Kurzschlußfall
auf einen entsprechend geringen Wert vermindert, um einen entsprechend großen Anteil
des Kurzschlußstromes zu übernehmen. Wird jedoch zu diesem Zwecke in dem Stromkreis
l, allein eine Drossel Dl angeordnet, deren Sättigung so wie im Fall Fig. i beim
Normalstrom in der Nähe des Sättigungsknies liegt, dann wird durch ihre Wirkung
im Normalbetrieb der Widerstand der Schleife l, zu groß, so daß auf dem Leistungsschalter
h nicht der seiner Nennleistung entsprechende Strom entfiele und der Stromschalter
S überlastet würde. Um den Einfluß der Drossel Dl auszugleichen, wird daher in dem
Stromkreis l., eine zweite Drossel D2 angeordnet. Diese ist so bemessen, daß sie
sich bei Kurzschluß nicht sättigt. Der Widerstand der Drossel D2 wird also konstant
bleiben, während sich der Widerstand der Drossel Dl bei Kurzschluß sehr stark verkleinert.
Dadurch wird bewirkt, daß ein großer Anteil des Kurzschlußstromes von der parallelen
Leiterschleife l1 übernommen wird.
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Die Verhältnisse bei der Anordnung nach Fig. a liegen jedoch meistens
so, daß der Widerstand der Stromschleife h des Leistungsschalters im Verhältnis
zum Widerstand des Leiters 12 zu groß ist, um die richtige Stromverteilung im Normalbetrieb
herbeizuführen. Man muß dann die Drossel D2 auch aus dem Grund anwenden, um eine
Belastung des Leistungsschalters L entsprechend seiner Nennstromstärke herbeizuführen.
Sie wird dann entsprechend größer bemessen.
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Nach Fig. 3 werden zwei Drosseleisen D3 und D4 verwendet, welche Sekundärwicklungen
W3 und W4 tragen. Die Windungszahlen dieser Sekundärwicklungen sind so gewählt,
daß die Induktionsspannungen, die in ihnen von dem die Leitungszweige h und
1,
durchfließenden Normalstrom erzeugt werden, gleich groß sind. Die Wicklungen
W3 und W4 werden dann derart gegeneinandergeschaltet, daß sich die Induktionsspannungen
im Normalbetrieb das Gleichgewicht halten. Wenn bei der Abschaltung des Kurzschlusses
der Stromschalter S geöffnet hat, wobei der Leistungsschalter Z, noch geschlossen
ist, verschwindet die Sekundärspannung in der Wicklung W4. Mithin wird die Wicklung
W3 sofort von dem vollen Kurzschlußstrom durchflossen, der dem Magnetisierungsfluß,
welcher von der Leitung 1l erzeugt wird, entspricht. Der Magnetisierungsfluß wird
hierbei durch die Gegenwirkung der Sekundäramperewindungen in bekannter Weise aus
dem Drosseleisen D3 herausgedrängt, wodurch sich der induktive Widerstand der Leiterschleife
h bedeutend verkleinert. Es wird also mit dem Öffnen des Stromschalters S sofort
entsprechend dem gesunkenen Widerstand der Leiterschleife h der Spannungsabfall
in dieser Leiterschleife und somit auch die Öffnungsspannung am Schalter S vermindert.