DE621967C - Bei einem UEberstrom selbsttaetig ansprechende Schaltvorrichtung zur Beeinflussung des Ausschaltvorganges von Gleichstromanlagen - Google Patents

Description

DEUTSCHES REICH

AUSGEGEBEN AM
16. NOVEMBER 1935

REICHSPATENTAMT

PATENTSCHRIFT

JVi 621 KLASSE 21 c GRUPPE

Allgemeine Elektricitäts-Gesellschaft in Berlin*)

Patentiert im Deutschen Reiche vom 24. Dezember 1930 ab

Die Schwierigkeiten des Schaltens elektrischer Ströme steigen mit der Größe der Stromstärken. Beim Schalten von Gleichstrom wird daher die Tatsache ausgenutzt, daß beim Schalten großer Stromstärken und insbesondere bei Eintritt von Kurzschlüssen die volle Stromstärke nicht sofort erreicht wird, sondern stetig und in einer bestimmten Zeit auf diesen Wert ansteigt; diese Zeitdauer istgegeben durch die Zeitkonstante des Stromkreises; sie ändert sich, wenn auch im allgemeinen nicht erheblich, mit den Lastverhältnissen des Netzes. Es sind Schnellschalter bekannt, die bei Kurzschlüssen weit vor Be-

*5 endigung des vollen Stromanstiegs auslösen und daher nur einen Teil des im gleichen Fall bei langsamen Schaltern auftretenden Stromes zu unterbrechen haben. Der Vorgang ist schematisch in Abb. 1 dargestellt. Hierin bedeutet die Kurve 1 die Zeitcharakteristik für den Anstieg des Stromes im Kurzschlußfall. Ein normaler Schalter hätte hiernach den vollen Kurzschlußstrom J^ zu bewältigen, während der Schnellschalter mit der Auslösezeit £₀

^a5 bei J₁ unterbricht. Da der Strom bei den üblichen Verhältnissen außerordentlich schnell ansteigt, andererseits die Möglichkeiten der Schnellauslösumg konstruktiv beschränkt sind, so gelangt man mit diesem Mittel bald an eine Grenze.

Man hat auch bereits in Serie zu einer thermischen Unterbrechungsvorrichtung einen Ohmschen oder induktiven Widerstand gelegt, der zur Dämpfung des Öffnungsfunkens dienen soll. Dieser Widerstand soll dabei den Absolutbetrag des Kurzschlußstromes begrenzen. Eine derartige Vorrichtung läßt sich nur für Stromkreise kleiner Leistungen verwenden, da ja der Begrenzungswiderstand sich im Betrieb geltend macht und hier zu dauernden Verlusten führt.

Die Erfindung sucht nun die Stromstärke im Augenblick des Unterbrechens dadurch herabzusetzen, daß in einer bei einem Überstrom selbsttätig ansprechenden Schaltvorrichtung, bei der in Serie zu dem abzuschaltenden Anlageteil Drosselspulen liegen, diese Drosselspulen derart bemessen werden, daß die Zeitkonstante des Stromkreises so weit vergrößert wird, daß die Abschaltung bereits bei einem verhältnismäßig geringen Teilwert des vollen Uberstromes erfolgt und daß an sich bekannte Schutzeinrichtungen vorgesehen werden, die bei Richtungswechsel der Klemmenspannung an den Drosselspulen diese überbrücken.

*) Von dem Patentsucher ist als der Erfinder angegeben worden:,

Richard Tröger in Berlin-Zehlendorf.

Die Erfindung besteht somit darin, daß in den Schaltstromkreis eine Selbstinduktion eingeschaltet wird, die so bemessen ist, daß sie die'-Zeitkonstante 'dieses Stromkreises merklich vergrößert und infolgedessen der Schalter nach dem Eintritt eines Kurzschlusses schon bei einem verhältnismäßig niedrigen Teilwert des vollen Kurzschkißstromes unterbricht. Dabei werden die sonst ίο mit dem Einbau von Selbstinduktion verbundenen zusätzlichen Überspannungen durch eine besondere Schutzschaltung unterdrückt. Bei der bekannten Schaltanordnung, bei der eine thermische Unterbrechungseinrichtung in Serie zu einem Widerstand geschaltet ist, ist die Unterbrechungsdauer infolge der thermischen Zeitkonstante viel zu groß, als daß die Beeinflussung des Systems durch eine Induktivität einen Sinn hätte. Der Kurzschlußstrom wird ja infolge der thermischen Trägheit des Sicherungsschalters unterbrochen, wenn er seinen vollen Wert erreicht hat.

In Abb. ι zeigt Kurve 2 den zeitlichen Stromverlauf nach Einbau der Induktivität, die ihrer Funktion entsprechend kurz als Zeitdrossel bezeichnet werden soll. Hiemach hat der gleiche Schalter mit der Auslösezeit t₀ statt J₁ (Kurve 1) nur den Strom Z₂ zu unterbrechen, obwohl der volle Kurzschlußstrom/^ in beiden Fällen gleich ist.

Die Abb. 2 bis 10 zeigen Ausführungsbeispiele der Erfindung.

Abb. 2 stellt das Schema einer Energie-Übertragung dar; es bedeuten: g den Generator, η das Netz, α den Schalter der Speiseleitung (der Einfachheit halber sind in dieser wie in allen folgenden Abbildungen Schalter und Zusätzeinrichtungen nur einpolig dargestellt), b die Zeitdrossel und c, d die Schutzeinrichtung zur Vermeidung von Überspannungen, die sonst durch die Zeitdrossel verursacht würden. Diese Schutzeinrichtung beruht auf der Erkenntnis, daß bei Abschaltang elektromagnetischer Stromkreise eine dem Ohmschen Spannungsabfall des Ausgangszustandes entgegengesetzte EMK erzeugt wird, so daß die Richtung des Spari-.-nungsgefälles zwischen den Klemmen der Induktivität (Zeitdrossel) sich umkehrt, sobald die vorerwähnte EMK den Ohmschen Spannungsabfall übersteigt; infolgedessen wird erfindungsgemäß parallel zu der Zeitdrossel eine Vorrichtung angebracht, welche bei Richtungswechsel der Spannung an der Zeitdrossel diese kurzschließt.

Diese Vorrichtung läßt sich in. mannigfaltiger Weise ausführen. In dem Beispiel der Abb. 2 ist hierfür ein besonderer Schalter c vorgesehen, der in normalem Betriebe geöffnet ist; die Einschaltung' erfolgt durch ein Relais d, das nur bei Rückstrom anspricht, also wenn das Potential der als positiv angenommenen Leitung an der Stelle 2 infolge eines Schaltvorganges das Potential an der 6g Stelle ι übersteigt.

Um zu verhindern, daß der Schutzschalter c nach Wiedereinschalten des Hauptschalters a noch geschlossen und daher die Schutzdrossel b unwirksam ist, werden das Relais d und die Betätigung von c. zweckmäßig in bekannter Weise so ausgeführt, daß der Schutzschalter r nur so lange geschlossen bleibt, als die durch den Schaltvorgang der Zeitdrossel aufgedrückte Umkehrspannung anhält, daß mithin der Schutzschalter c selbsttätig öffnet, sobald der Stromstoß abgeklungen ist.

Eine wesentliche Vereinfachung bedeuten die in den folgenden Abbildungen dargestellten Ausführungsbeispiele der Schutzeinrichtang. Statt des auf Richtungsstrom ansprechenden Schutzschalters c (Abb. 2) werden hierbei Richtungsröhren verwendet, das sind Elektronenröhren mit Ventilwirkung bekannter Ausführung, welche die Eigenschaft besitzen, nur in einer Richtung stromdurchlässig zu sein. Als Beispiel einer derartigen Röhre sei der Quecksilberdampfgleichrichter mit Glüh- oder Zündkathode erwähnt, der zur Umformung von Wechselstrom in Gleichstrom dient und von den kleinsten Stromstärken und Spannungen bis zu den höchsten Strom- und Spannungswerten (Eisengleichrichter) ausgeführt wird.

Die Bezeichnung Röhre ist nicht auf eine aus Glas hergestellte Röhre beschränkt; unter dieser Bezeichnung ist vielmehr ganz allgemein eine Apparatur beliebiger Größe und Herstellungsart zu verstehen, die die Eigenschaft der gerichteten Stromdurchlässigkeit besitzt. Auch gesteuerte Elektronenröhren sind hierfür verwendbar, wenn man die Steuerung in bekannter Weise so einstellt, daß sie vorwiegend oder ganz in einer gewollten Richtung .stromdurchlässig sind. Man kann auch richtungsunabhängige Überspannungsableiter, wie Funkenstrecken oder Glimmröhren," inSerie mit Gleichrichtern verwenden. Tritt ein Kurzschluß auf der Linie ein (Abb. 3), so wird das Ansteigen des Stromes, solange der Schalter α geschlossen ist, durch die Drosselspule & verzögert; mit dem Beginn der Stromunterbrechung beim. Öffnen des Schalters d vollzieht dieKlemmenspannungan der Zeitdrossel einen Richtungs wechsel; dabei zündet das Rohr c, was praktisch einem Kurzschluß der Zeitdrossel und damit der Unterdrückung von Überspannungen gleichkommt. Die Abb. 4 zeigt eine Anordnung, bei der das Schutzrohr c nur einen Teil der Windüngen der Zeitdrossel überbrückt; hierbei nimmt das Rohr im ersten Augenblick der

Abschaltung angenähert einen im Windungsverhältnis SJs₁ (Abb. 4) größeren Strom auf als bei der Anordnung nach Abb. 3; diese Schaltung wird man daher vorzugsweise in Fällen hoher Betriebsspannung wählen, wo die abzuschaltenden Stromstärken verhältnismäßig gering, also auch nach oben übersetzt, mit Röhren bewältigt werden können und die Herstellung von Röhren in der Größenordnung der Betriebsspannung Schwierigkeiten bietet. Die Zeitdrossel verhält sich in dieser Schaltung beim Abklingen des Stromes wie ein Autotransformator.
Umgekehrt wird die Schaltung nach Abb. 5 vorzugsweise in Fällen verhältnismäßig niedriger Betriebsspannung in Frage kommen, wo mit hohen Kurzschlußströmen zu rechnen ist, die nur schwierig mit Röhren zu bewältigen sind, wahrend dabei die zulässige Span-

üo nungsgrenze der Röhren unvollkommen ausgenutzt ist. Hierbei wird die Spannung des Rohres im Verhältnis S₂Js₁ nach oben und seine Durchgangsstromstärke im umgekehrten Verhältnis nach unten übersetzt.

Durch die bisher behandelten Schutzeinrichtungen werden lediglich die Überspannungen der Zeitdrossel beseitigt, jedoch nicht die durch Abschaltung des Netzes hervorgerufenen Überspannungen; die Netze enthalten meist Induktivitäten, die bei Stromunterbrechung ebenfalls Überspannungen erzeugen,, deren Spitzenwert unter den üblichen Verhältnissen durch die Kapazität des Netzes nur teilweise ermäßigt wird. Wenn diese Überspannungen auch bei Verwendung von Zeitdrosseln _ an sich kleiner sind, verglichen mit den üblichen Schaltungen, da die Zeitdrossel den Unterbrechungsstrom, wie wir gesehen haben, herabsetzt, so wird es in manchen Fällen erwünscht sein, derartige die Isolation gefährdenden Überspannungen zu vermeiden und damit gleichzeitig das Abschalten selbst zu erleichtern.

Abb. 6 zeigt eine Anordnung, die diese Aufgabe löst. Hier ist außer dem Schutzrohr c der Zeitdrossel noch ein zweites Schutzrohr d vorgesehen, das zwischen der Hin- und Rückleitung des Netzes liegt. Dieses Rohr ist ebenso wie c derart geschaltet, daß es für die normale Netzspannung stromundurchlässig ist, dagegen bei Schaltvorgängen und dem dadurch bedingten Richtungswechsel der Spannung das Netz kurzschließt und damit das Auftreten von Überspannungen verhindert.

Abb. 7 zeigt die gleiche Anordnung mit nur einem Rohre; es ist ohne weiteres erkennbar, daß hierbei gleichzeitig die Zeitdrossel und das Netz gegen Überspannungen bei Schaltungen gesichert wird.

Man kann auch bei diesem kombinierten · Schutz von der an Hand der Abb. 4 und S dargelegten Übersetzung der auf das Rohr entfallenden Ströme und Spannungen Gebrauch machen, indem man die Drossel nach dem Prinzip der Autotransformatoren ausführt. Abb. 8 zeigt beispielsweise eine derartige Schaltung mit dem Ziel, die Durchgangsstromstärke des Rohrs gegenüber der Abschaltstromstärke zu verringern.

Da die Wirkung der Zeitdrossel und der Schutz gegen Überspannung nur bei Schaltvorgängen, also· bei Stromänderungen, verlangt wird, so kann man bei allen Schaltungen die transformatorische Wirkung der Drosseln ausnutzen und demnach das Schutzrohr c, anstatt es unmittelbar mit der Betriebsleitung zu verbinden, an eine Sekundärwicklung legen und dabei Spannung und Stromdurchgang des Rohres durch das Verhältnis der primären und sekundären Windungszahl beliebig übersetzen. Beispiele einer derartigen Schaltung zeigen die Abb. 9 und 10.

Die Anwendung von Zeitdrosseln der dargestellten Art ist nicht auf die Hauptleitungen beschränkt, vielmehr kann man sie auch in beliebigen Zweigleitungen anbringen, um die Abschaltstromstärke dieser Leitungen zu verringern und damit die Benutzung eines kleineren Schalters zu ermöglichen bzw. die Abschaltleistung eines vorhandenen Schalters zu erhöhen. Man ist auch nicht auf die Anordnung der Drosseln in unmittelbarer Nähe der Schalter angewiesen; ihre Wirkung ist praktisch unabhängig von der Einbaustelle; sie bieten somit die Möglichkeit, durch zweckmäßige Verteilung im Netz die Abschaltstromstärke an den verschiedenen Netzstellen bei einer bestimmten Auslösezeit unabhängig von der Zahl der Leitungen und der Leistung der auf das Netz arbeitenden Maschinen beliebig festzulegen.

Man kann die Leistung der Schutzschaltung in bezug auf Stromdurchgang und Überschlagsspannung dadurch beliebig vergrößern, daß man statt einer mehrere Röhren verwendet und sie der jeweiligen Aufgabe entsprechend in bekannter Weise parallel und in Reihe schaltet. Es steht nichts im Wege, die vorliegende Erfindung gleichzeitig mit den bekannten Mitteln zur Unterdrückung von Überspannungen bei Schaltung von Gleichstrom anzuwenden, beispielsweise durch Parallelschaltung von Widerständen, Kondensatoren oder Drosselspulen zu dem Hauptschalter selbst.

Claims (9)

1. Patentansprüche:

   i. Bei einem Überstrom selbsttätig ansprechende Schaltvorrichtung zur Beeinflussung des Ausschaltvorganges von

   Gleichstromanlagen, bei der in Serie zu . dem abzuschaltenden Anlageteil Drosselspulen liegen, dadurch gekennzeichnet, daß diese derart bemessen sind, daß die Zeitkonstante des Stromkreises so weit vergrößert ist, daß die Abschaltung bereits bei einem verhältnismäßig geringen Teilwert des vollen Überstromes erfolgt und daß an sich bekannte Schutzeinrichtungen vorgesehen sind, die bei Richtungswechsel der Klemmenspannung an den Drosselspulen diese überbrücken.
2. 2. Einrichtung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß außer der Drosselspule das Netz bzw. Teile des Netzes, mit gleichartigen Schutzeinrichtungen ausgerüstet sind, die bei Richtungswechsel der Klemmenspannung des Netzes diese nebenschließen. '
3. 3. Einrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß für Drosselspule und Netz bzw. Netzteile eine gemeinsame Schutzeinrichtung vorgesehen ist, die bei Richtungswechsel der Summe der Klemmenspannungen an der Drossel und dem Netz beide nebenschließt.
4. 4. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Nebenschluß zu der Drossel ein Schalter liegt, der normalerweise geöffnet ist und bei Richtungswechsel der Spannung mit Hilfe eines polarisierten Steuerorgans selbsttätig geschlossen wird.
5. 5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerorgan für die Schalterbetätigung nach dem Abklingen der Überspannung den Nebenschlußschalter selbsttätig öffnet.
6. .6. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 3, * dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu den Drosselspulen bzw.zumNet'z eine oder mehrere in Reihe oder parallel liegende Entladungsröhren mit Ventilwirkung derart geschaltet sind, daß sie im normalen Betrieb keinen Strom durchlassen.
7. 7. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu den Drosselspulen bzw. zum Netz eine oder mehrere in Reihe oder parallel HegendeÜberspannungsableiter in Reihe mit Gleichrichtern derart geschaltet sind, daß im normalen Betrieb kein Strom durch den Ableiterkreis fließt.
8. 8. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Drossel als Autotransformator ausgeführt ist, derart, daß die Zahl der durch den Nebenschluß überbrückten Windungen größer oder kleiner ist als die im Hauptstromkreis liegenden Windungen.
9. 9. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Drossel als Transformator mit zwei Wicklungen von gleicher oder verschiedener Windungszahl ausgeführt ist und daß der als Schutzeinrichtung dienende Nebenschluß an die Sekundärwicklung der Drossel angeschlossen ist.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen