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Wechselstromschalter Die Kontaktöffnung der meisten bekannten Hochleistungsschalter
für Wechselstromkreise erfolgt zu einem mit Bezug auf die zeitliche Änderung des
Wechselstromes willkürlichen Zeitpunkt.
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Man ist nun in neuerer Zeit dazu übergegangen, dieHochleistungsschalter
mit hochwertigen Stromunterbrechungseinrichtungen für die Löschung des än den Kontakten
auftretendenLichtbogens auszurüsten, die den Strom in der Regel in dem der Kontakttrennung
folgenden ersten oder zweiten Stromnulldurchgang unterbrechen. Die Vorzüge dieserS
tromunterbrechungseinrichtungen werden jedoch durch die bekannte Steuerung der Schalter
nicht voll ausgenützt. Die Schaltarbeit und damit die gesamte Beanspruchung des
Schalters ist bei den bekannten Einrichtungen immer noch sehr beträchtlich.
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Die Erfindung geht davon aus, daß die Stromünterbrechung an den geöffneten
Kontakten eines Wechselstromschalters nur im Stromnulldurchgang möglich und zweckmäßig
ist und die neueren Stromunterbrechungseinrichtungen durchwegs unter Berücksichtigung
dieser Tatsache gebaut sind. Sie löst die Aufgabe, den zwischen den sich öffnenden
Kontakten übergehenden Lichtbogen bzw. Strom nur während des Bruchteiles einer Halbwelle
des Wechselstromes bestehen zu lassen und macht zu diesem Zweck von Auslöseeinrichtungen
Gebrauch, die den Auslöseimpuls in Abhängigkeit von der Stromphase erzeugen.
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Es sind Schalter bekannt, deren Auslösung in Abhängigkeit von der
Stromphase durch besondere Auslöseeinrichtungen herbeigeführt wird. Diese Schalter
sind indessen nicht geeignet, Stromkreise größerer Leistung mit einer Lichtbogendauer,
die kleiner ist als eine Wechselstromhalbwelle, zu unterbrechen. Sofern bei diesen
Schaltern die Kontakte genau im Augenblick des Stromnulldurchganges getrennt werden,
sind die Voraussetzungen für dieStromunterbrechung nicht erfüllt, weil die Kontakte
eine gewisse Unterbrechungsstrecke zurücklegen müssen, damit der Lichtbogen nicht
wieder zündet. Auch eine Kontakttrennung kurz vor dem Stromnulldurchgang, jedoch
zu einem beliebigen Zeitpunkt, reicht nicht aus, um die Verlängerung des Lichtbogens
über die Daüer einer Wechselstromhalbwelle zu verhindern.
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Die Erfindung besteht dariiz, daß der Schalter mit einer Auslöseeinrichtung
ausgerüstet ist, die die Trennung der Kontakte um eine solche Zeitspanne vor einem
Stromnulldurchgang herbeiführt, die gerade noch ausreicht, daß bis zu diesem Stromnulldurchgang
die von den Verhältnissen des Schalters abhängige und für jede Schalterart angebbare
Löschdistanz der Kontakte erreicht ist.
Die Löschdistanz der Kontakte
und die für die Einschaltung dieser Löschdistanz erforderliche . Zeitspanne ist
für jede Schalterart durch eine Reihe von Eigenschaften des' Schalters bzw. seiner
Löschvorrichtung festgelegt. Als solche Eigenschaften kommen in "Betracht: Die Kontakttrennungsgeschwindigkeit,
die Kontaktform, die Art der Löschvorrichtung, die Trägheit, mit der die Löschmittelströmung
in Gang kommt, die Lage der Löschzone in bezug auf die Kontaktstelle und vieles
andere. Diese Zeitspanne kann bei den für die Erfindung angewendeten Löscheinrichtungen
unter allen Umständen kleiner gehalten werden als die Halbwellendauer des Wechselstromes.
In neuerer Zeit sind eine ganze Anzahl hierfür geeigneter Stromunterbrechungs- und
Lichtbogenlösclieinriclitungen bekamitgeworden, v. 13. Düsen für die Löschung
des Lichtbogens durch ein gasoller dampfförmiges strömendes oder expandierendes
Löschmittel, Expansionskammern für die Unterbrechung des Lichtbogens durch Erzeugung
einer sprunghaft plötzlichen Druckentlastung der vom Lichtbogen aus einer Flüssigkeit
gebildeten Dämpfe u.a. Die für die Erreichung der Löschdistanz der Kontakte erforderliche
Zeitspanne braucht hier nicht konstant zu sein, sondern kann sich in einem bestimmten
Verhältnis mit dem Abschaltstrom ändern. Wesentlich ist nur, daß sie von vornherein
für jede Abschaltung festliegt.
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Durch die Erfindung ist der Vorteil erzielt, daß die Schaltarbeit
auf den überhaupt erreichbaren Mindestwert herabgesetzt wird, da die StVomunterbrechung
in dem der Kontakttrennung folgenden Stromnulldurchgang zufolge Vorhandenseins der
erforderlichen Löschdistanz gewährleistet ist und somit der Lichtbogen bzw. Stromübergang
zwischen den geöffneten Kontakten auf den Bruchteil einer Halbwelle beschränkt bleibt.
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Man legt z. B. den steuernden Auslösebefehl auf den Stromnulldurchgang
fest. Es ist nun möglich, auf Grund der feststehenden EigenzeitEi der Stromunterbrechungseinrichtung,
in der die Löschdistanz der Kontakte erreicht wird, der Ausschalteinrichtung eine
solche Eigenzeit E2 zuzuweisen, daß die Summe der Eigenzeiten Ei -E- E2 vom Auslösepunkt
mit Bestimmtheit wieder zu einem Stromnulldurchgang führt, wie dies Abb. i der Zeichnung
veranschaulicht, in der in dem mit A bezeichneten Stromnulldurchgang des Überstromes
der Auslösebefehl gegeben wird und in dem mit B bezeichneten Stromnulldurchgang
die Unterbrechung vollzogen ist. Man wird zu diesem Zweck die Kontakte von einer
auf Millisekunden genau einstellbaren Ausschalteinrichtung bewegen lassen, deren
Eigenzeit EZ so bemessen ist, daß die Kontakttrennung um die Eigenzeit Ei der Stromunterbrechungseinrichtung
vor einem auf -den Auslöseimpuls folgenden Stromnulldurchgang erfolgt. Wenn E1 für
alle Stromstärken konstant ist, kann die Ausschalteinrichtung auf eine unveränderliche
Eigenzeit E2 eingestellt werden. Wenn sich dagegen El mit der Stromstärke ändert,
kann die Ausschalteinrichtung so beschaffen sein, daß sich ihre Eigenzeit EZ selbsttätig
je nach dem abzuschaltenden Überstrom ebenfalls ändert.
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Außer der Verminderung der Schaltarbeit besitzt eine derartige Synchronsteuerung
noch den Vorteil, daß die Stromunterbrechungseinrichtung selbst wesentlich einfacher
und genauer arbeiten kann, weil überflüssige Beanspruchungen dieser Einrichtung
fortfallen. Unter Umständen kann man finit wesentlich einfacherenUnterbrechungseinrichtungen
auskommen als bisher, bei Druckgaslöscheinrichtungen kann der Blasdruck vermindert
werden usw.
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Die Eigenzeit Ei neuzeitlicher Stromunterbrechungseinrichtungen beträgt
den Bruchteil einer Halbwelle. Bei Verwendung solcher Stromunterbrechungseinrichtungen
ist es vorteilhaft, den Auslöseimpuls im Stroninulldurchgang zu geben und die Eigenzeit
E2 der Ausschalteinrichtung so groß zu bemessen, daß sie sich mit der Eigenzeit
Ei der Stromunterbrechungseinrichtung zu einer oder einigen wenigen vollen Wechselstrornperioden
ergänzt. Ist beispielsweise Et = 0,003 Sekunden, dann wird E2=0,017, 0,037 usw.
Sekunden. Mit einer derartigen Einstellung erieicht man, daß auch die Unterbrechung
eines nicht symmetrisch verlaufenden Kurzschlußstromes, z. B. des einseitig verlagerten
Stoßkurzschlußstromes unddesKurzschlußstromes in der zweit- und drittlöschenden
Phase eines Drehstromschalters, im richtigen Augenblick eingeleitet wird. DieVerlängerung
der Eigenzeit der Ausschalteinrichtung so, daß sie sich mit der Eigenzeit Ei zu
einem Vielfachen einer vollen Wechselstromperiode ergänzt, läßt sich zum Zwecke
selektiver Einstellung mehrerer Schalter verwenden.
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Bei Schaltern mit mehreren Polen, die phasenverschobene Ströme führen,
müssen die Pole unabhängig voneinander unterbrochen und jeder Pol des Schalters
muß mit einer eigenen Synchronausschalteinrichtung ausgerüstet sein. Bei Drehstromschaltern..
kann es zweckmäßig sein, die beiden auf die erstunterbrechende Phase folgenden Phasen
in einem bestimmten zeitlichen Abstand von der ersten, jedoch gleichzeitig zu unterbrechen,
weil die Ströme in diesen Phasen nach der Lichtbogenlöschung am ersten Pol in Phase
kommen. Dies kann z. B. dadurch
erzielt werden, daß man durch den
Auslöse-Befehl der ersten unterbrechenden Phase die Auslöser der beiden folgenden
Phasen beeinflussen läßt.
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Der Synchronauslöser kann von einer auf den Stromnulldurchgangdes
Überstromes ansprechenden Vorrichtung, z. B. einem eine Funkenstrecke, eine Elektronenröhre
o. dgl. auslösenden gesättigten Stromwandler, gebildet werden. Der gesättigte Stromwandler
hat den Vorteil, im Stromnulldurchgang sehr scharf ausgeprägte Spannungsspitzen
für die Auslösung zu liefern.
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Die Eigenzeit der Ausschalteeinrichtung setzt sich in der Hauptsache
aus der Eigenzeit folgender Glieder zusammen: i. Dem Totgang bzw. der Überdeckung
des Schalterkontaktes bzw. seiner Antriebsvorrichtung, 2. dem Kontaktantrieb selber
(z. B. der Eigenzeit eines Druckluftintriebes), 3-. der Eigenzeit des mechanischen
Absperr-oder Verriegelungsorgans für die Kontaktantriebskraft (z. B. eines Druckluftventiles)
und q.. der Eigenzeit der elektrischen Steuerung dieses mechanischen Absperr- oder
Verriegelungsorgans, die sich wieder zusammensetzt aus der Eigenzeit des elektrischen
Steuerrelais und der magnetischen Zeitkonstanten des induktiven Steuerstromkreises.
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Man sieht zweckmäßigerweise eine leichte Regelbarkeit dieser Eigenzeiten
vor, indem man Beispielsweise die Eigenzeit der Elektromagnete durch Änderung ihrer
Erregung und die Eigenzeit von Organen-mit Druckluftsteuerung durch Änderung der
Druckluftzufuhr veränderlich macht.
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Um die Summe dieser Eigenzeiten auf Millisekunden genau abstimmen
zu können, ist es vorteilhaft, alle mechanischen Glieder der Steuereinrichtung mit
so starken Auslösekräften anzutreiben, daß die auftretenden Reibungskräfte 'neben
den Beschleunigungskräften vernachlässigbar klein sind. Zweckmäßigerweise werden
alle mechanischen Glieder mit einem gasförmigen Druckmittel angetrieben, welches
gegebenenfalls gleichzeitig als Stromunterbrechungsmittel verwendet wird. 'Durch
das g4sförmige Druckmittel erhält man immer gleichbleibende Beschleunigungskräfte,
außerdem ist die Trägheit einer solchen Einrichtung sehr klein.
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Es ist wesentlich, daß ein Teil der Eigenzeit der Steuereinrichtung
von einem bestimmten Kontakttotgang gebildet wird, mit welchem die Kontakte selbst
oder deren Be-: wegungseinrichtung ausgebildet ist, um eine bestimmte Kontakttrehnungsgeschwindigkeit
sicherzustellen. .
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Abb.2 der Zeichnung stellt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dar:
.Dem Äusführungsbeispiel liegt 5operiodiger Wechselstrom zugrunde: i ist ein Hartpapierrohr,
das gleichzeitig als Durchführung dient und welches den Stromwandler 2 trägt, der
einen gesättigten Eisenkern hat. 3 ist der feststehende rohrförmige Kontakt des
Schalters, q. der bewegliche Kontakt, welcher um eine bestimmte Strecke e in den
feststehenden Kontakt 3 eingreift und durch den Kolben 5 bewegt wird. Unter Umständen
kann zwischen den Kolben 5 und den Kontakt q. noch ein besonderer Totgang dazwischengeschaltet
sein, indem z. B. der Kolben den Kontakt nicht unmittelbar, sondern über einen Anschlag
mitnimmt. Der Kolben 5 gleitet in dem Mefallzylinder 6. 7 ist ein Trennschalter,
welcher über ein Gestänge 8 von dem im Zylinder 23 sich bewegenden Drucklüftkolben
g betätigt wird, dem die Druckluft beim Ausschalten über eine Leitung io von sehr
kleinem Querschnitt, beim Einschalten über eine Leitung ii und das Steuerventil
r2 zugeführt wird. 13 ist die Hauptdruckluftleitung, von der über das Ventil 14
die Druckluft in das Rohr i gelangt. 15 ist ein zwischen die Druckluftleitung 1.6
und das Isolierrohr i dazwischengeschaltetes isolierendes Anschlußrohr.
17 ist die Spule des Ventilmagneten; diese kann zweckmäßig mit erhöhter Spannung,
z. B. der 1,5- bis 2fachen Spannung, betätigt werden, um ein genaues Arbeiten des
Ventils zu erreichen. i8 ist eine Gleichstrombatterie, welche für den die Spule
17 enthaltenden Steuerstromkreis 3o den Steuerstrom liefert. In den Steuerstromkreis
3o ist die Sekundärspule des Stromwandlers 2 sowie die Funkenstrecke ig eingeschaltet.
Der Steuerstromkreis 3o für die elektrische Auslösung der Kontaktantriebskraft -hier
der Druckluft - ist außer durch den Synchronauslöser (2, ig) durch ein gewöhnliches
Überstrom- bzw. Selektivrelais 2.1 mittels des Kontaktes 2o gesteuert, derart, daß
der Auslösestrom im Kreis 3o erst fließen kann, wenn beide Relais, die Funkenstrecke
ig und das Relais 2o/2i, angesprochen haben. Die vom Synchronauslöser 2 erzeugte
Auslösespannung wird dabei unmittelbar in den Auslösestrornkreis 30, welcher das
darauf ansprechende Relais ig enthält, induziert. Anstatt einer Funkenstrecke ig
mit feststehenden Elektroden kann man auch eine solche mit Elektroden verwenden,
die -synchron mit dem Wechselstrom schwingen, wobei die Schwingungen z. B. so abgepaßt
sein können, daß sich die Elektroden im Stromnulldurchgang am nächsten stehen, daher
überschlagen werden und den Steuerstromkreis schließen. 22 ist ein Handschalter,
welcher für das willkürliche Ausschalten des Schalters dient. 28
ist
ein regelbarer Parallelwiderstand zur Spule 17.
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Die Stromunterbreclhungseinrichtung besteht aus den mit Druckluft
gespeisten Rohren i und 3 und dem das Schaltstück 4 bewegenden Kolben 5, wobei die
Rohre die Druckluft und den Lichtbogen so führen und der Kolben dem Kontakt 4 eine
solche Kontakttrennungsgeschwindigkeit erteilt, daß die Unterbrechung des zwischen
den geöffneten Kontakten fließenden Stromes durch eine 3 Millisekunden vor dem Stromnulldurchgang
erfolgende Kontakttrennung gewährleistet ist. Die Zeit von 3 Millisekunden ist dann
die Eigenzeit El der Stromunterbrechungsvorrichtung. Innerhalb dieser Zeit gelangt
der Kontakt ¢ in eine solche Entfernung, daß die zwischen den geöffneten Kontakten
nach dem Stromnulldurchgang auftretende Spannung die durch die Druckluftbelastung
entstehende Isoliertrennstrecke nicht mehr durchschlagen kann. Das Rohr 1 wird aus
der Druckluftleitung 13 mit Druckluft von einigen, z. B. 5 at gespeist. Von diesem
Druck ist die Eigenzeit ebenfalls abhängig.
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Die Eigenzeit E. der Ausschalteinrichtung setzt sich zusammen aus:
i. Der für das Zurücklegen der Überdekkung e des Kontaktes 4. erforderlichen Zeit,
2. der Eigenzeit, welche für <las Anfüllen des vom Rohr i, den Kontaktstücken
und dem Kolben 5 sowie der Rohrleitung 15, 16 umschlossenen Raumes mit Druckluft
vom Augenblick der Öffnung des Ventils rd. an erforderlich ist, 3. der Eigenzeit
des Ventils 14, welche dieses gebraucht, um vom Augenblick der Erregung der Spule
17 an in die ganz geöffnete Stellung zu gelangen, 4. der magnetischen Zeitkonstanten
des die Spule 17 enthaltenden Steuerstromkreises und 5. der Ansprechverzögerung
der Funkenstrecke ig.
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Für die Berechnung der Eigenzeit ist noch zu berücksichtigen, daß
sämtliche Glieder der Steuerung ihren Endzustand nicht plötzlich, sondern allmählich
erreichen.
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Die Abschaltung infolge einer Überlastung oder eines Kurzschlusses
in der Leitung 25, 26 vollzieht sich folgendermaßen: In der Sekundärspule des gesättigten
Stromwandlers 2 sind bei normalem Betriebsstrom nur ganz kleine Spannungen vorhanden,
die die Funkenstrecke ig nicht zum Ansprechen bringen. Im Falle eines Auslöseüberstromes
treten jedoch im Stromriulldurchgang des Überstromes sehr ausgeprägte hohe Spannungsspitzen
U gemäß Abb. 3 in der Sekundärwicklung des Stromwandlers auf. Diese erzeugen, sobald
der Kontakt 2o durch das Überstromrelais 21 geschlossen worden ist, beim Stromnulldurchgang
einen Überschlag der Funkenstrecke ig. Diesem Überschlag folgt der Steuerstrom aus
der Batterie 18 nach, und es fließt daher ein Gleichstrom über die Spule 17, wodurch
das Ventil 14 mit der ihm eigentümlichen Eigenzeit aufgerissen wird. Nun fließt
die Luft aus der Druckluftleitung 13 in die Leitung 15, 16 und das Rohr i und drückt
auf den Kolben 5. Der Kolben setzt sich mit wachsender Geschwindigkeit in Bewegung.
Die Kontakttrennung erfolgt jedoch erst, wenn der Kontakt 4 den Überdeckungsweg
e zurückgelegt hat. Auf diesem Weg wird der Kolben mit dem Schaltstück 4 so stark
beschleunigt, daß die Geschwindigkeit im Augenblick der Kontakttrennung ausreicht,
um der Kontakttrennungsstrecke innerhalb der Eigenzeit von 3 Millisekunden die für
die Unterbrechung erforderliche Länge zu geben, z. B. bei 5 at Druck und 16 kV effektiv
Betriebsspannung eine Länge von i cm. Die Steuerung wurde nun so eingestellt, daß
vom Überschlag der Funkenstrecke ig an bis zur Kontakttrennung eine Zeit von 17
Millisekunden verflossen ist. Diese Einstellung kann z. B. durch Regelung der Erregung
der Spule 17 mit Hilfe des Regelwiderstandes 28, durch Regelung . der Bohrung des
Ventils i-. oder der Kontaktüberdeckung e oder des Kontakttotganges erfolgen. Der
Kontakt 4 steht daher 17+3 = 20 Millisekunden, das ist bei Soperiodigem Wechselstrom
eine volle Periodendauer nach dem Überschlag derFunkenstrecke ig in jener Stellung,
wo die Stromunterbrechung möglich ist. Da der Überschlag der Funkenstrecke im Augenblick
eines Stromnulldurchganges erfolgte, so erreicht der Kontakt diese Stellung gerade
wieder im Stromnulldurchgang. Im Stromnulldurchgang kann nun die geschaffene Unterbrechungsstrecke
von i cm durch die Druckluftblasung vollkommen durchschlagsfest gemacht werden.
Hierdurch ist die Unterbrechung mit dem kleinsten möglichen Lichtbogen vollzogen.
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Der Kolben 5 bewegt sich noch weiter. Inzwischen hat auch der Zylinder
23 über das dünne Rohr io Druckluft erhalten, so daß sich der Kolben g nach rechts
bewegt und über das Gestänge 8 den Trennschalter 7 öffnet. Hierdurch wird eine sichtbare
Lufttrennstrecke in den Stromkreis eingeschaltet.
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Das Wiedereinschalten des Schalters kann entweder mit Hilfe der Kontakte
3, 4 erfolgen, indem der Kontakt 4 nach dem Absperren des Ventils 14 durch die Feder
24 mit dem Rohr 3 wieder in Eingriff gebracht wird. Es ist auch möglich, mit Hilfe
des Schalters 7 einzuschalten, wobei die Kontakte 3, 4 schon vorher durch die Feder
24 geschlossen werden müssen. Um den Schalter 7 zuschließen, wird
durch
öffnen des Ventils 12 über die Leitung i i die rechte Seite des Kolbens 9 unter
Druck gesetzt.
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Als Stromunterbrechungseinrichtungen lassen sich auch solche verwenden,
bei denen die Kontakte.unter einer stromleitenden Flüssigkeit getrennt und der Strom
lichtbogenfrei durch Einschaltung von Flüssigkeitswiderstand unterbrochen wird.