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Hochspannungsumformer mit mechanisch angetriebenen Kontakten für Starkstrom
Die Erfindung betrifft einen Hochspannungsumformer mit mechanisch angetriebenen,
einerseits an ein mehrphasiges Wechselstromsystem, andererseits an ein einphasiges,
insbesondere Gleichstromsystem angeschlossenen Kontakten für Starkstrom. Es ist
eine Reihe von Vorschlägen zum Bau von mechanischen Umformungseinrichtungen bekanntgeworden.
Diese beschränken sich jedoch, soweit sie überhaupt für Hochspannung bestimmt sind,
:auf die schematische Angabe bestimmter Anordnungen oder auf Einzelheiten in der
Ausbildung derSchaltstellen mitRücksicht auf die elektrischen Beanspruchungen, denen
sie ausgesetzt sind, jedoch ohne nähere Angaben über den Gesamtaufbau und insbesondere
über die Vereinigung mit der Antriebsvorrichtung. Die praktische Ausführung von
längere Zeit betriebsfähigen Hochspannungsstromrichtern ist bisher nur für sehr
kleine Ströme gelungen, wie sie z. B. in Röntgen- oder auch Gasreinigungsanlagen
gebraucht werden, nicht dagegen für Starkstrom zur allgemeinen Versorgung bzw. zur
Verwendung in Kraft-, Licht- und Wärmeanlagen o. dgl.
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Mit der vorliegenden Erfindung wird nun ein Weg zur Schaffung eines
Hochspannungsumformers für Starkstrom gezeigt, in dem eine Reihe von an sich bekannten
Merkmalen, die insbesondere im Schalterbau angewendet werden, vereinzelt auch f4r
periodisch arbeitendeUnterbrechungseinrichtungen empfohlen wurden, in solcher Weise
miteinander kombiniert sind, daß die einander in mancher Beziehung entgegengesetzten
Anforderungen sowohl hinsichtlich der elektrischen als auch der mechanischen Verhältnisse
in Einklang miteinander gebracht werden. Das ist deswegen nicht ohne weiteres möglich,
weil einerseits die hohen Spannungsbeanspruchungen weitere Isolierabstände und somit
große Abmessungen der einzelnen Teile erfordern, andererseits die rasche Bewegungsfolge
der beweglichen Kontakte und ihrer Antriebsteile möglichst geringe Geschwindigkeiten
und infolgedessen möglichst kleine Abmessungen dieser und der damit in Verbindung
stehenden Einrichtungen erwünscht erscheinen lassen.
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Die Erfindung besteht darin, daß an einem Umformer der bezeichneten
Art für jede der mit hin und her bewegten Stiftkontakten ausgerüsteten und mit Einrichtungen
zur Lichtbogenlöschung mit Hilfe eines strömenden Löschmittels versehenen Schaltstellen
ein besonderes sie umschließendes und unter statischem Überdruck stehendes Isolierrohr
eine tragende mechanische Verbindung zwischen den am Lagergerüst der Antriebsvorrichtung
befindlichen Kontakt- und Anschlußteilen eines Poles des einen Systems und den entsprechenden
Teilen .des zugehörigen und mit einem Pol des anderen Systems verbundenen ruhenden
Kontaktes bildet. Dadurch wird der weitere Vorteil .erreicht, daß isolierende
Wellen,
Pleuelstangen u. dgl. nicht erforderlich sind. Die Einführung des Wechselstromanschlusses
in das Innere des Isolierrohres verhindert 'ferner Glimmerscheinungen Wechselstrompol.
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Nach der weiteren Ausbildung der Er@@Jung sind die Kontakt- und Anschlußteile'je°i
eines Poles des einen Systems mit den Gegenkontakten und den Anschlußteilen mehrerer
zugehöriger Pole des anderen Systems in der Weise zu einer baulichen Einheit zusammengefaßt,
daß die verlängerten Achsen der Isolierrohre mindestens paarweise in V-Form zürAntr.iebsvorrichtunghin
zusammenlaufen. Der ganze Umformer erhält so äußerlich das Aussehen eines Verbrennungskraftmotors
in V-Form oder Sternform. Er zeichnet sich durch erschütterungsfreien Lauf und besonders
geringe Abnutzung der mechanisch bewegten Teile aus.
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Besondere Vorteile bietet eine solche Anordnung, bei der von den verschiedenen
Kontakt- und Anschlußteilen sämtlicher Pole je einer Baueinheit nur diejenige eines
der beiden Systeme mit der Grundfläche des Aufstellungsplatzes unmittelbar durch
Isolierträger in Verbindung stehen, während diejenige des anderen Systems freitragend
auf jenen angeordnet sind. Hierdurch wird mit geringem Aufwand eine gute Isolation
aller spannurigführenden Teile, insbesondere der Anschlüsse für die abgehenden Leitungen
gegen Erde, erzielt. Vie Isolierrohre kennen konzentrisch in je einem Durchführungsisolator
angeordnet sein, z. B. in den Durchführungsisolatoren eines zugehörigen Speisetransformators.
Diese Maßnahme führt insbesondere bei Geräten für sehr hohe Spannungen zu einer
wesentlichen Ersparnis anHochspannungsisolationsmaterial.
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In den Fig. i und 2 ist je ein Schaltungsschema einer Gesamtanordnung
zum Umformen von mehrphasigem Wechselstrom in Gleichstrom oder umgekehrt dargestellt:
Fig. 3 zeigt die Ausbildung einer einzelnen Schaltstelle. Die Fig. q. und 5 zeigen
den konstruktiven Zusammenbau mehrerer Schältstellen zu einer baulichen Einheit.
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In Fig. i ist die normale Sechsphasenschalteng für einen Gleich- bzw.
Wechselrichter dargestellt. Die Schalter S1 . . . SB, welche synchron angetrieben
sind und der Reihe nach Kontakt machen, verbinden die Transformatorenwicklung jeweils
mit dem einen Gleichstrompol, während der andere Gleichstrompol durch den Nullpunkt
des Transformators gegeben ist. Im gezeichneten Augenblick fließt der Strom von
O über den Schalter S1 nach dem Punkt A, von da über die Ringleitung nach B über
.die Gleichstrombelastung CD und von hier zurück nach dem Nullpunkt O. Etwas später
wird der Schalter S2 eingeschaltet. Es arbeiten dann die .Wicklungen OSi und 0S2
für kurze Zeit par-Darauf wird der Schalter S, geöffnet. @'er Strom fließt dann
nur über S2. Diese 4.Unordnung wird man dann verwenden, wenn ein Punkt des. Systems
geerdet wird, d. h. vor allem dann, wenn die Erde als Rückleitung benutzt wird.
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Eine andere Schaltungsart ist in Fig.2a und 2b dargestellt. Man erkennt,
däß in diesem Fall je zwei Schalter zu einer Einheit zusammengefaßt sind und daß
nicht wie in Fig. i die Phasenspannung; sondern die verkettete Spannung auf den
Gleichstromkreis geschaltet wird. In dem gezeichneten Augenblick fließt der Strom,
hervorgerufen durch die Spannung U12, über S2, A2, B2, CD" Bi, A3, S3. Es folgt
dann die um 6o° elektrisch verschobene, umgeklappte Spannung U13, wie sie punktiert
dargestellt ist. Der Sehalter So bleibt geschlossen. Der Schalter S3 öffnet sich,
dafür schließt sich jedoch, wie punktiert angedeutet, der Schalter S5. Es fließt
dann der von U13 erzeugte Strom über S2, A2, B2, CD; B1, A5, S5. Man erkennt,
daß die Stromrichteng in der Gleichstrombelastung CD die gleiche geblieben
ist. Die Schaltung hat den besonderen Vorteil, ,daß zum Betrieb des Umformers kein
gesonderter Transformator notwendig ist. Man erkennt dies am besten aus der Darstellung
der Schaltung in Fig. 2b, wo auf der einen Seite das Drehstromsystem ic,
v, w, auf der anderen ' Seite des Gleichstromsystem +, -dargestellt ist.
Neben den synchron betätigten Schaltern S1 . . . S, ist noch ein Schalter S vorgesehen,
.der Kurzschlüsse abschälten soll. Der Synchronmotor M treibt die punktiert angedeutete
Kurbelwelle an, ' durch welche die Schalter S1 ... S, betätigt werden. Bei
dieser Schaltung wird man im allgemeinen die Gleichstromübertragungsleitung -als
Doppelleitung ausführen, was für den Aufbau des Umformers von Bedeutung ist.
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In Fig. 3 ist ein einzelner Pol eines mehrphasigen Umformers dargestellt.
Es bedeutet darin i das Isolierrohr, welches auf einem Stutzer 2 befestigt ist.
Die Schaltstelle ist vorteilhaft in der Nähe des einen Endes des Isolierrohres,
also tief in letzteres hineinragend, anzuordnen, wobei die Zuleitung zum feststehenden
Kontakt größtenteils freitragend ausgeführt ist, so däß ein langer Kriechweg im
Innern des Isolierrohres entsteht. Demgemäß ist der Hochspannungswechselstromanschluß
3 am unteren Ende ,des Isolierrohres angeordnet. Der feststehende Kontakt q: sitzt
am oberen Ende des Metallrohres 5. 6 sind Isolierstücke, welche das Metallrohr 5
zentrieren, Das obere Ende des
Isolierrohres trägt die Kappen 7
und 15, die gleichzeitig den einen Gleichstrompol bilden. Die Kappe 7 trägt
den mechanischen Antrieb, die Kappe 15 den Kontakt für die Stromabnahme vom
Schaltstift g. 8 ist die Kurbelwelle, welche den beweglichen Kontakt 9 antreibt.
Die Kappe 7 ist auf der dem feststehenden Kontakt zugewendeten »Seite io verrundet.
Weiterhin sind noch Abschirmelektroden ii vorgesehen, um eine günstige Feldverteilung
zu erzielen. Die Löschflüssigkeit wird der Kappe 7 durch ein Rohr 13 zugeführt.
Sie fließt dann an dem beweglichen Kontakt 9 vorbei in das Rohr 5 und fließt von
da durch das Isolierrohr 14, welches im Innern des Stützers z angeordnet ist, ab.
Man erkennt aus dieserAnordnung, daß im Innern des Isolierrohres i zwischen dem
Kontakt 4 und dem beweglichen Kontakt 9 sehr lange Kriechwege vorhanden sind, daß
ferner einerseits der Kontakt 4, andererseits der bewegliche Kontakt 9 und die Kappe
7 auf den einander zugekehrten Seiten allseitig von flüssigem Isoliermittel umgeben
sind, wodurch eine sehr sichere Isolation bei Vermeidung von Vorentladungen erreicht
wird. Der Antrieb selbst ist kraftschlüssig mit dem Isolierrohr und mit dem feststehenden
Kontakt verbunden.
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In Fig.4 bedeutet 21 ein Metallgefäß, in dem der Kurbelmechanismus
27 untergebracht ist. Dieses Gefäß sitzt auf einem Stützer 22. Die Isolierrohre
23 sind mit Porzellanüberwürfen 24 versehen. Die Hochspannungsanschlüsse 25 liegen
am oberen Ende der Isolierrohre 23. Die beweglichen Kontaktstifte 26 sind schräg
nach oben gerichtet. Diese Anordnung eignet sich besonders für Aufstellung im Freien.
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In Fig. 5 ist der Zusammenbau eines Umrichtertransformators; der nach
Fig. i geschaltet ist, mit den Isolierrohren und dem Schaltmechanismus für die Kontaktbetätigung
aufgezeichnet. Es bedeutet darin 31 den Transformatorkessel, 32 Durchführungen,
in deren Innerm _ die Isolierrohre 33 untergebracht sind, 34 sind die feststehenden,
35 die beweglichen Kontakte, 36 Pleuelstangen. 37 ist die Kurbelwelle, die mit Hilfe
der Kurbel 38 nach oben und unten in den Pfeilrichtungen 5i, 52 verstellbar ist.
« 39 sind Rollkontakte, welche den Strom auf die beweglichen Schaltstücke 35 übertragen.
Durch das Rohr 4o wird Öl in das Innere der Isolierrohre 33 hineingepreßt. Bei geöffnetem
Kontakt, wie es links dargestellt ist, fließt das Öl durch das Metallrohr 41 nach
unten und von da über die Rohre 42, welche im allgemeinen aus Isoliermaterial bestehen,
nach dem geerdeten Sammelrohr 43. Die Metallkappe 44 stellt den Gleichstrompol dar.
Ihre unteren Enden 45 sind verrundet und in Isoliermasse 46 eingebettet. Die Wirkungsweise
der Anordnung ist folgende: Solange der Kontakt geschlossen ist (vgl. Darstellung
rechts); fließt der Strom von der Wicklung 47 über das Metallrohr 41 zum feststehenden
Kontakt 34, dann über den beweglichen Kontakt 35 nach dem Rollenkontakt 39, von
da über die den Gleichstrompol bildende Metallkappe 44 zur Anschlußfahne 48, von
da über die punktiert angedeutete Gleichstrombelastung 49 zurück nach dem Nullpunkt
5o des Transformators. Kurz vor dem Stromnulldurchgang verläßt der Kontakt 35 den
feststehenden Kontakt 34. Infolge der Ölströmung wird der evtl. entstehende Licht:
bogen sofort gelöscht. Der Kontakt 34 und der Kontakt 35 sind durch Öl unter überdruck
getrennt und voneinander isoliert. Der Kontaktabstand wächst in dem. Maße wie die
Spannung zwischen dem Wechselstromkontakt 34 und dem Gleichstrompol 44 sich verändert.
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Zur Verstellung des Zeitpunktes der Kontaktberührung und des Kontakteingriffes
kann die Kurbelwelle selbst verstellbar, z. B. schwenkbar gelagert und mit dem treibenden
Synchronmotor entweder durch eine Zahnradübersetzung oder durch eine Kardanwelle
verbunden sein.
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Der Kontakteingriff kann bei .der Ausführungsform nach Fig. 5 durch
Steuerung des Hebels 38 nach Wunsch verändert werden.
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Es wird im allgemeinen zweckmäßig sein, den Kontakteingriff in Abhängigkeit
von elektrischen Größen, wie Strom, Phasenverschiebung u.,dgl., selbsttätig zu verändern.
Wird der Umformer z. B. mit umlaufendem Öl betrieben, so kann zur Verringerung des
Kontaktabbrandes und der Ölverrußung der Kontakteingriff so gesteuert sein, @daß
die Gasmenge, welche je Sekundie durch Zersetzung der Isolierflüssigkeit entsteht,
ein Minimum wird, z. B. dadurch, daß das Gas in einem Auffanggefäß gesammelt wird,
das eine kleine Öffnung besitzt. Je mehr Gas nun je Sekunde entsteht, desto größer
wird der Druck in dem Auffanggefäß sein. Der Druck bewirkt über ein Kontaktmanometer
unmittelbar die Verstellung der Kurbelwelle.
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Damit der Umformer bei unzulässiger Belastung; insbesondere bei Kurzschluß,
keinen Schaden erleidet, wird eine bei der unzulässigen Belastung selbsttätig ansprechende
Einrichtung vorgesehen, welche die Kontakte so weit verschiebt, daß sie überhaupt
nicht mehr zum Eingriff kommen. Vorteilhaft ist es, in der Umgebung der Kontaktstellen
noch an sich bekannte Einrichtungen zur sicheren Abschaltung des Kurzschlußstromes
anzubringen, indem man z. B. in das Isolierrohr eine
elastische
Expansionskammer; Deion-Grid, eine Ölströmungskammer o. dgl. einbaut. Unter Umständen
kann es zweckmäßig sein, bei unzulässiger Belastung die Kurbelwelle nach der anderen
Seite hin zu verschieben, derart, daß die Kontakte dauernd in Eingriff bleiben.
Dadurch wird erreicht, daß keinerlei Gasentwicklung und Lichtbogenbildung im Gleichrichter
selbst mehr auftritt. Der Kurzschluß muß dann aber durch einen dävorliegenden Hochleistungsschalter
abgeschaltet werden.