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Verfahren zur Erleichterung des Abschaltens eines Verbranchers von
einer Stromquelle Die Erfindung bezieht sich: auf ein Veufah@ren zum Abschalten
eines, elektiriischen Verbrauchers von einer Spannungsquelle durch einen mechanischen
Schalter. Esi gedingt durch sie, die Leistungsfähigkeit der bekannten Schalter erheblich
zu steigern.
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Zur Erhöhung der Leistunigsfähligkeft von Schaltern sind bereits Abschaltverfahren
bekanutgeworden; bei denen die im: Stromkreis wirkende EMK durch Erzeugen einer
dagegenigerichteten Spannung vermindert oder zu Null gemacht wird, um dem Schaltier
die Trennung zu :erleichtern:. Dk Gegrnspannunig wird; durch einen Motor hervorgerufen,
der im zu unterbrechenden S.bromlereils liegt und zur Erzeugung der Gegenspannung
antigelassen wird, oder stier wird. durch: einen in die Strombahn eingeschalteten
Luft- oder Eiisentransform2tar erzeugt. Das Anlasisen eines Motors dauert meits@tens:
viel zu lange, um darauf mit dem Betätigen eines Sch:allters@ -,varten zu können.
Ben der Verwendung eines Motors oder eines Eitsentransform,ators müssen denen Wicklungen
in der Lage sein, sowohl dien Betriebsstrom in der Anlage zu bewältigen als auch
eine Gegenspannung von der Größe der Betriebsepannung hervorzurufen. Ein derartiger
Motor oder Transformator benötigt einten sogroßen Aufwand, daß Schaltverfahren damit
nicht wirtschaftlich durchgeführt werden können. Wird die Gegienspannun!g durch
einen Lufttransformator in der Strombahn
des Schalters erzeugt,
so müssen!, um die-- Spannung bei erträglichem Auffand übertragen zu können, schnelle
Schwingwngen benutzt werden. Der Schialter muß dementsprechend in der Lagre sein,
bei einem sehr schnellen Nulldurchgang von Strom und Spannung zu trennen. Ein weifterer
Nachteil dieser Anordnungen ist, daß durch die in die Strombahn geschalteten Wicklungen
immer ein unerwünschter Spannungsa!bfall entsteht.
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Schließlich ist es bekanntgeworden, dem Schalterlichtbogen eine sAuelle
Schwim!gung, die. durch eine Iio:ndensatorentdadung erzeugt werden kann, aufzudrücken
und den Schalterstrom dadurch kurzzeitig zu Null zu machen. Die schnelle Schrwlngung
mit ihrem raschen Nulldurchgang bewirkt, daß immer noch hohe Anforderungen an die
Abschaltfähigkeit dies Schalters zu stellen sind. -Demgegenüber besteht die Erfindung
aus einem Verfahren zur Erleichterung des Abschaltenseines Verbrauchers: von einer
Stromquelle mit Hilfe eines mechanischen Schialters, das dadurch gekennzeichnet
ist, daß nach dem Öffnen des mechanischen Schalters an dem Verbraucher eine Hilfswechselspannung
in dem Augenblick angeschaltet oder zur Wirkung gebracht wird, in welchem sie größer
ist als der Augenblickswert der abzuschaltenden Spannung der Stiromquelle und dadurch
den Lichtbogen am Hauptschalter zum Erlöschen: bringt, und d!aß nach dem Erlöschen
dieses! Lichtbogens die Hi:lfswechselspannun!g mit den. üblichen Mitteln unterbrochen,
wird.
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Die Erfindung kann mit niedrigfrequentem Wechselstrom durchgeführt
werden, ohne d@aß ein Transformator oder eine Maschine in, die Strombahn geschaltet
werden muiß und einen Spanhungsabfall während des Betriebes hervorruft. Da die H:ilfs,.vechisc,lispannung
an den abzuschaltenden Verbraucher gelegt wird, beeinflußt sie den übrigen Stromkreis
nicht, und sie braucht nach dem Abschaltvorgan:g nicht von der spannungsführenden
Trennstelle entfernt zu werden, sondern nur von dem Verbraucher, der im allgemeinen
kurze Zeit nasch der Abschaltung spannungsfrei wird, wenn die Motoren des Verbrauchers;
die kurzzeitig als Stromerzeuger dienen, zum Stillstand gekommen sind.
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Der mechanische Hauptschalter mu@ß so aus"ebild!et sein, daß er nach
dem Löschen ! seines Lichtbogiens der auftretenden Spannung widersteht. Es, ist
deshalb zweckmäßig, eines oder mehrere der bekannten Mittel zur Verhinderung der
Rückzündung von Schaltern anzuwenden. Der Schalster kann also, alisi O1-,
Wasser- oder Druckbrnasschalter ausgebildet werden. Auch. kann sein Lichtbogenweg
mehrfach unterteilt oder ein magnetisches Gebläse zur Einwirkung auf den Lichtbogen
gebracht werden. An Hand von Ausfülrrunigsbeds:pielen sei die Erfindung weiter erläutert.
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In Ab!b. i speist ein Gleich- oder Wechselstromnetz i einen Verbraucher
2. Der mechanische Hauptschalter 3 dient zum Abschalten des Verbrauchers. Auf den
Schalter 3 wird die Erfindung angewandt. Nach dem Offnen von 3 wird. an den, Verbraucher
2 über dien Schalter 4. die Hi!lfswech.selspannung 5 gelegt, die die Speisung von
a übernimmt und dem Schalter 3 die vollständige Stromunterbrechung gestattet. Nach
dieser Trennung wird 4 geöffnet, und der Abschaltvorgang ist beendet. Die Hilfswechsels
pannu g braucht n:ur kurzzeitig wirksam zu sein, wenn bei ihrer Zuschaltung der
mechanische Schalter genügend weit geöffnet ist, um bei einer kurzzeitigen Entlastung
trennen zu können. Die vollständige Stromunterbrechung wird dann durch, das Verschwinden
des Lichtbogens ausgeführt.
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Ein Ansteigen der Hilfswechselspannung 5 übler die im Netz nach der
Entlastung auftretende Spannung hinaus bewirkt im allgemeinen keime Wiederzündung
des Schalters 3. Sollte sie doch auftreten, so ist sie ungefährlich-, da die treibende
Spannung, der Unterschied zwischen Netz- und Hilfswechselspannung, gering ist und
die Entladung selbsttätig beim Sinken der Hilfswechselspannung unter die Netzspannung
wieder löscht.
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Als Hilfswechselspannung nach der Erfindung kann jede Spannung benutzt
werden, die in der Lage ist, den Verbraucher kurze Zeit zu speisen, und deren Stromkreis
günstiger zu unterbrechen ist als der Hauptstromkreis. Vielfach sind große Leistungen
bei kleiner Frequenz, etwa bei der Bahnfrequenz 16z/3 Hz, abzuschalten. Oft beansprucht
die Brenndauer des Schalterlichtbogens während einer halben Periode den Schalter
dabei schon in unzulässiger Weise. Nach der Erfindung kann der Lichtbogen früher
gelöscht und die Beanspruchung herabgesetzt werden. Vielfach steht bei Anlagen,
die mit der Frequenz 16z/3 Hz betrieben werden., Wechselspannung von 5o Hz zur Verfügung,
so daß die Erfindung leicht durchgeführt werden kann. In Abb. 2 stellt 7 die Spannung
des zu unterbrechenden Stromkreises dar und 8 eine Spannung höherer Frequenz. Im
Zeitpunkt 9 erfolgt die Übernahme der Speisung des Verbrauchers von der Spannung
niedriger auf die Spannung höherer Frequenz. Es wird dadurch erreicht, daß der Lichtbon
des mechanischen Hauptschalters nicht bis io zu brennen braucht, sondern bei i i
bereits verlöscht.
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Auch bei Verwendung einer Hil,fswechselspannung von der Frequenz der
Betriebsspannung läßt sich die Erfindung durchführen.
In A.bb. 3
Ist ein Beispiel dargestellt, in, dem 15 den Verlauf der Netzspannung, etwa im Punkt
6 der Abb. i, darstellt. Zur Verfügung steht noch. eine Hilfswechselis:pannung,
die nach 16 verläuft. Läßt man den Schaltier, der den Verbraucher mit der Netzspannung
verbindet, sich so früh öffnen, daß er zur Zeit 17 geöffnet ist, so kann
durch Zuschalten von 16 in diesem Zeitpunkt der Schalterstrom zu Null gemacht weirden.
Die Hiilfswechlselspannung geht sehir bald bei 18 durch Null, so daß auch der vorn
ihr erzeugte Strom, wenn er der Spannung nacheilt, bald! durch Null geht. In; Abb.
3 ist auch der Spannungsverlauf dargestellt für die Verwendung einer Hilfswechselspannung,
die kleiner ist als die Netzspannung. Die Hifsiwechs elspannung icg übernimmt zu
der Zeit zo die Speisung des Verbranchers. In. diesem Zeitpunkt ist- der Augenblickswert
der Hilfswechselspannung größer als der der Netzspannung. Die Hilfswechselspannung
geht auch in diesem Beispiel eher durch Null als. die Betriebisspannung, sd daß
auch ihr Stromkreis eher unterbrochen werden kann. In dieser Weise ist es beispielsweise
möglich, einte Phase eines Mehrphasensystems als. Hidfswechsels:pannung für einen
mechanischen Hauptschalter zu verwenden, der in i einer anderen Phase, des, Mehrphasen-Systems
liegt.
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In Abb. 4 ist hierfür ein Beispiel dargestellt. In der PhasieS eines:-Drehstromisystems
wird im Zeitpunkt 22 ein Schalter geöffnet bzw. der Schalter wird so frühzeä,tiig
geöffnet, daß er im Zeitpunkt 2a genügend geöffnet ist. Die Phase R übernimmt im
Zeitpunkt 22 die Speisung des Stromverbrauchers, der die Phase S belastet. Bei
23 geht die Spannung von R durch Null, entsprechend seiner Phasen.-verschieabung
bald darauf auch der dazugehörige Strom. In Abb. 5 ist dargestellt, wie die Schaltung
vorgenommen werden kann. 7:5 stellt dien in der Phase S liegenden mechanischen HauptschaIter
dar und 26 die Schaltmittel, durch die die als Hilfswechselspannungsque3le
benutzte Phase R zugeschaltet wird.
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Sofern die Spannung im abgeschalteten Teil,, also die Spannung am
Verbraucher, verschwindet, isst die Unterbrechung des Stromkreises der Hilfswechselspannung
besonders leicht durchzuführen. Ist dies: jedoch nicht der Fall, so kann nach der
Erfindung die Hi:lfsivechsel,sip,annun@g über einen Kondensator angelegt werden.
Nach dem Verlöschen des Lichtbobiens zwischen den Kontakten des Hauptschalters ist
dann durch die Schaltmittel, durch die die Hilfswechseaspannung angelegt wird, nur
noch der Ladestrom des Kondensators abzuschalten. Der Kondensator I:ann auch vor
dem Anlegen der Hilfswechselspannurig noch durch eine besondere Spannung aufgeladen
werden. Durch die Größe des Kondensators läßt sich auch die Phasenhage der Hilfswechselspannung
beeinflussen.
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Als Hilfswiechsedspannung kann auch die Spannung eines. Kondensat:o,rs:,
der miit Gleich-oder Wechiselspannung aufgeladen wird, verwendet werden. Der Kondensator
kann auch aus Teilkondenisatoreen bestehen, die zum Ablösen der Netzspannung in
Reihe geschaltet werden. Falls die Au.fladu.nig der einzelnen Kondensatoren- über
Widerstände oder Ventile vorgenommen wird, kann sie aus einer gemeinsamen Spannungsquelle
erfolgen. Die Einrichtung kann, ähnlich wie bei Stoßschaltungen getroffen werden.
Die nach der Zusch:aftung abklingende Konde -satorspannun:g stellt die dar.
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Die Hilfswechselspa,nniung kann zur Erhöhung der Abschalts.icherheit
mehrfach hintereinander zugeschaltet oder wirksam gemacht werden. S,ie läßt stich
auch sa zuschalten oder wirksam machen, daß vor oder nach dem Nulldurchgang des.
Stromes., der über den mechanischen Hauptschalter fließt:, künstlich weitere Nulldurchgänge
hervorgerufen werden.
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Dias, Zuschalten der Hilfswechselspannung kann durch mechanische Schalter
oder durch Ventile geschehen. Diese Schaltmitte-1 können mechanisch, elektrisch.
oder auf beide, Arten mit dem mechanischen Hauptschalteir gekuppelt sein. Es ist
beispielsweise möglich, beim Offnen des Hauptschalters oder bei einer bestimmten
Stellung desselben einen Hilfslichtbogen hervorzurufen:. Der Hilfsilichtbogen kann:
dazu verwendet werden, u:m einen Lichtbogen zwischen den Kontakten des Schalters
oder den Elektroden des Ventils hervorzurufen, über das die Hilfswechselspannung
angelegt wird. Der Hilfsd.ichtbogen kann durch Entfernen eines: Kontaktstückes von
einem anderen Kontaktstück, wobei Spannung zwischen den Kontaktstücken liegt; hervorgerufen
werden oder unmittelbar durch eine an zweit Elektroden gelegte Spannung. Die Verwendung
eines: Hilfslichtbogens zur Zün, dune hat den Vorteil:, daß unabhängig von der Raumtemperatur
und von der Temperatur der Elektroden genügend Ladungsträger auch biet eigner einmaligen
Zündung in jedem erfor derliehen Augenblick vorhanden si.ndi. Die Ventile können
auch, in anderer bekannter Weise gesteuert werden. Wird ein Schalter zum Anlegen,
der Hidfswech,seds.p:annung verwendet, so lassen: sich nach. der Erfindung alle
zur Zündung von Funkenstreckenanord'nungen bekannten Mittel zu seiner Zündung verwenden.
Die Ventile, über die die Hilfswechselspannung angelegt wird, lassen sich ganz erheblich
überlasten, da sie nur Izurzzeitig
beansprucht werden. Werden Lichtbogenstromrichter
verwendet, so spielt der Elektrodenabbrand oder die Elektrodcnerwärmu@ng beispielsweise
kenne nachteilige Rolle.
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Nach der Erfindung kann auch der beim öffnen des Hauptschalters: entstehende
Lichtbogen verwendet werden, um die. Schaltmittel zu zünden, die der Zus chaltiung
der Hilfswechselspannung dienen. Dabei ist es besonders vorteilhaft, als: Hauptschailter
einen Druckluftschalter zu verwenden. Sein Lichtbogen kann ähnlich wie bei Lich.tbogenstromrichtern
zwischen die Elektrodenanordnung geblasen werden., über die die Ili.lfsÄechsedspannung
-angelegt wird, und sie zum Zünden bringen. Durch. den Lichtbogen des. Hauptschalters
kann auch eine sonstige Elekt.rodenanordnung gezündet werden, die mittelbar die
Betätigung der Schaltmittel zur Anlegung der Hilfswechselspannung vornimmt.
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Nach der Erfindung .ist, es auch möglich, d!ie Hilfswechselspannung
über einen mechanischen Schalter oder ein gesteuertes Ventil an,-zulegen, mit dem
in Reihe ein Ventil mit Gleichrichtereiigenschaften geschaltet ist. Der Schalter
oder das gesteuerte Ventil läß@t Sich dann in der Sperrzeit des. Gleichrichters:
einschalten. In der darauffolgenden Durchl.aßzeit wird die Hiil:fswechselspannung
wirksam. Dabei übernimmt sne während einer Halbwelle die Speisung des Verbrauchers
und gestattet dem Hauptschalter, während der ganzen Dauer der Halbwelle die Trennung
vorzunehmen. Die Abschaltung der Hilfswechselspannung erfolgt in der nächtsten Sperrhalbwelle
dies Gleichrichters. Es: w,irdso möglich, zum Abschalten des Verbrauchers zunächst
seine Speisung durch die Hilfswe chsel-spannung vorzunehmen und dabei die Kontakte
des Hauptschalters vollkommen oder nahezu entladungsfrei zu trennen. Der Hauptschalter
kann dann; als Trennschalter ausgebildet werden. Da er in sehr kurzer Zeit trennen
mud3,, ist es: zweckm.äßdg, seine- Schaltwege möglichst kurz zu gestalten. Um dies
zu erreichen, werden; zweckmäßigerweiise Trennschalter verwendet, deren Kontakte
unter stationärem Druckgas stehen. Eine! Gasströmu@ng ist meistens nicht erforderlich;
sie kann aber in geringem Maße angewandt werden, ohne daß es nötig wäre, auf die
bei Leistungsschaltern üblichen Anordnungen. zu kommen.
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Bekanntlich, spielt die Elektrodeniform eine maßglühliche Rolle in
der Ausbilldung der elektrischen Festigkeit einer Elektrodenanordnung. Die höchste
elektrische Festigkeit besitz:t die Anordnung, die ein homogenes. Feld erzeugt.
Eine solche Anordnung erfordert jedoch Elektroden von so großer Masse, daß sie nicht
schnell genug zu betätigen sind. Vorteilhafter läßt sich eine möglichst kleine Elektrode
von einer ruhenden großen entfernen. Dera.rti.gennsymmetrischeElektrodenanordnunge:n
besitzen dann eine hohe elektrische Festigkeit, wenn die kleinere Elektrode negativ
iist. Nach der Erfindung wird der mechanische Hauptschalter in einem solchen Zeitpunkt
geöffnet, in dem die kleinere Elektrode. bei der mach der Trennung auftretenden
ersten Beanspruchung durch die wiede@rkehrende Spannung negativ ist.
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Haupt- und Nebenschalter können so gesteuert werden, daß sie bei der
künstlich herbeigeführten Lichtbogenlöschu.ng oder bei der künstlich herbeigeführtem
und der natürlichen Lichbogenilöschung ihre günstigste Stellung für die Unterbrechung
besitzen.
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Die Steuerungen der Schalteinrichtungen, die bei der Erfindung verwendet
werden, lassen sich in Abhängigkeit des Scheitelwertes des Stromes oder der Spannung
vornehmen, wie dies an Hand der Abb. 6 erläutert sei.
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Im Anodenkreis einer steuerbaren Gasent ladunggröhre 30 liegt
eine, Relaisspule 31 oder eine sonstige Einrichtung zur Hervorrufung von
Ventil- oder Schaltersteuerungen. Bei dem Ansprechen des Relais wird beispielsweise
der Hauptschalter sofort oder verzögert betätigt. Die Anodenspannung von
30 wird so gewählt, daß die der Sekundärseite eines vom Schalterstrom beeinflußten
Stromwandlers 32
entnommene Spannung, die über dein Kondensator 33 der Steuerelektrode
der Entladungsröhre 30 zugeführt wird, nicht zur Zündung ausreicht. Soll
eine Schaltung stattfinden, so wird die Steuerelektrode langsam positiv aufgeladen.
Dies kann beispielsweise durch Eiinscha,lten des Schalters 34 geschehen. Bei der
Aufladung setzt eine Zündung im Scheitelwert der Spannung von 32 ein, also so auch
im Scheitelwert des Sch:alte.rstromes. Der Beitätiguingsaualenblick kann durch eine
Verzögerungseinrichtung getroffen werden. Statt Gasentladungs:röhren können. auch
sonstige Entladungsröhren verwendet werden. Die Schaltung läßt sich. auch ähnlich:
einer Kippschaltung wählen und der Kippvorgang mit der Netzspannung synchronisieren.
Die Einrichtung nach Abb. 6 spricht immer nur dann an, wenn; das Steuergitter positiv
isst. Sie ist also besonders geeignet, um Steuerungen bei einer bestimmten Polarität
vorzunehmen. Soll aus irgendeinem Grund dieser Polaritätseffekt im Ansprechen nicht
vorhanden sein, so, ermöglicht eine Gegentaktschaltung; wie sie beispielsweise in
Abb; 7 dargestellt ist, seine Beseitigung. Es. spricht je nach dem Zufall des Ei.nschaltens
entweder die Röhre 35 oder 36 an.
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Eine Hi,lfs.,.vechselspaniniuinigsquelle kann zur Absehaltung mehrerer
Stromkreise bereitgestesft
werden, wodurch such die Avliage,-kos:ten
erheblich verringern.