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Auslösegerät zum synchronen Abschalten eines Leistungsschalters Die
Unterbrechung eines Stromkreises durch einen Leistungsschalter geht bekanntlich
dann am leichtesten vor sich, wenn die Schaltstücke im Augenblick des Stromnulldurchganges
die für die Lichtbogenläschung günstigste Entfernung voneinander haben. Es sind
deswegen eine Reihe von Einrichtungen an Schaltern bekanntgeworden, mit deren Hilfe
der Ausschaltvorgang synchron mit dem Verlauf des abzuschaltenden Stromes gesteuert
werden. sollte. Bei den bekannten Einrichtungen dieser Art wird jedoch meist nicht
der zu unterbrechende Strom selbst unmittelbar zur Steuerung benutzt, sondern statt
dessen ein synchron schwingendes bzw. umlaufendes mechanisches System, das erst
seinerseits wiederum durch den zu unterbrechenden Strom in Bewegung gesetzt oder
gehalten wird, oder sogar nicht einmal durch den Strom, sondern durch die treibende
Spannung. Es ist klar, daB durch die Einfügung eines mechanischen Systems in den
Steuerungsverlauf Abweichungen
vom normalen Stromverlauf nicht
erfaßt werden, wenn diese mit einer Störung der regelmäßigen Folge der Nulldurchgänge
des Stromes verbunden sind. Gerade dies tritt aber gewöhnlich a,ls Begleiterscheinung
der als Auslöseursache wirkenden Überströme oder Kurzschlußsträme ein, indem sich
nämlich eine Gleichstromkomponente dem normalen Stromverlauf überlagert. Daher würden
die erwähnten Auslö@sevorrichtungen gerade in denjenigen Fällen, für die sie hauptsächlich
bestimmt sind, die Gefahr von Fehlschaltungen in sich bergen. Aus dem gleichen Grunde
ist es auch dann, wenn die Auslösung durch den Stromverlauf selbst unmittelbar gesteuert
wird, nicht für alle Fälle ausreichend, die Auslösung jeweils zu einem nicht genau
bestimmbaren Zeitpunkt kurz vor dem ersten auf die Auslöseursache folgenden Nulldurchgang
des Stromes beginnen zu lassen. Die Trägheit der Unterbrechungseinrichtung erfordert
nämlich eine bestimmte Eigenzeit vom Beginn des Auslösevorganges bis zu dem Zeitpunkt,
in welchem der für die Lichtbogenlöschung günstigste Abstand der Kontakte voneinander
erreicht ist. Es muß nun dafür gesorgt sein, daß auch am Ende dieser Zeit der Strom
gerade wieder durch Null geht, damit die gewünschte Erleichterung der Lichtbogenlöschung
erzielt wird. Zu diesem Zweck ist es üblich, die Eigenzeit des Schalters derart
zu bemessen, daß die Zeit vom Ansprechen des Auslösegerätes bis zu dem Augenblick,
in welchem die Schaltstücke den für die Lichtbogenlöschung günstigsten Abstand voneinander
haben, gleich der Zeit einer Halbwelle des zu unterbrechenden Stromes ist oder ein
ganzzahliges Vielfaches dieser Zeit beträgt.
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Um nun mit Sicherheit zu erreichen, daß unabhängig von der Stromstärke,
welche die Abschaltung verursacht (Stoßkurzschlußstrom) der günstigste Löschabstand
der Kontakte stets mit einem Nulldurchgang des Stromes zusammenfällt, ist erfindungsgemäß
das Auslösegerät so ausgebildet, daß sein Ansprechen bei durch >r berstrom verursachter
selbsttätiger Auslösung unmittelbar von einem der Auslöseursache folgenden Richtungswechsel
des Stromes, also einem Nulldurchgang des abzuschaltenden Überstromes abhängt und
daß dieser das Ansprechen des Auslösegerätes bewirkende Stromnulldurchgang in Bezug
auf den Zeitpunkt der Auslöseursache (Kurzschlußstrom) mit Rücksicht auf die Zeitkonstante
des Gleichstromgliedes gewählt wird.
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Dadurch ist es möglich, bei Verwendung normaler Leistungsschalter
mit normalem Antrieb in jedem einzelnen Fall je nach den am Aufstellungsort herrschenden
Bedingungen entweder eine praktisch sofortige Auslösung herbeizuführen, wie sie
häufig erwünscht ist oder die Auslösung um die Zeit einer odei mehrerer Halbwellen
zu verzögern, je nach dem, ob und bis zu welcher Zeitdauer der Auslösevorgang von
einem die Regelmäßigkeit des Eintritts der Nulldurchgänge störenden Vorgang begleitet
sein kann oder nicht.
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Einem etwa auftretenden Gleichstromglied kann nach der weiteren Erfindung
beispielsweise dadurch Rechnung getragen werden, daß das Auslösegerät mit einer
Sperrvorrichtung versehen ist, deren selbsttätig begrenzte Sperrzeit gegenüber der
Zeitkonstanten für das Abklingen des bei Kurzschluß auftretenden Gleichstromgliedes
derart abgestimmt ist, daß das Auslösegerät erst dann bei Stromnulldurchgang anspricht,
nachdem das Gleichstromglied, z. B. bis auf etwa die Hälfte des Maximums des gleichzeitig
auftretenden symmetrischen Wechselstromgliedes oder weniger, abgeklungen ist. Der
zeitliche Abstand der darauffolgenden Stromnulldurchgänge voneinander ist dann nur
noch unwesentlich größer als der normale des symmetrischen Wechselstromes, so daß
dadurch der gewünschte Ablauf des Schaltvorganges nicht merklich beeinträchtigt
wird. Das Gleiche ist der Fall, wenn die Zeitkonstante des Gleichstromgliedes ungewöhnlich
groß ist, derart, daß der zeitliche Abstand jedes zweiten Stromnulldurchganges vom
vorvorhergehenden von der Zeit einer Periode nur unwesentlich abweicht. Wenn dann
die Eigenzeit vom Ansprechen des Befehlsgerätes bis zur Erreichung des günstigsten
Löschabstandes gerade gleich der Zeit einer oder mehrerer voller Perioden ist, kann
die Sperrzeit sehr klein bemessen sein.
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Man kann nach der weiteren Erfindung in besonders schwierigen Fällen
ein Steuergerät vorsehen, mit dessen Hilfe der Stoßkurzschlußstrom in seine beiden
Komponenten, Gleichstromglied und symmetrisches Wechselstromglied, zerlegt und das
Befehlsgerät in Abhängigkeit von dem Verhältnis dieser beiden Stromglieder gesperrt
bnv. freigegeben wird. In den meisten Fällen genügt es aber, die Sperrung unabhängig
vom Strom durch ein Zeitwerk oder mit Hilfe der Trägheit der mit besonders abgeglichener
Masse versehenen bewegten Teile des Befehlsgerätes zu bewirken. Die Sperrzeit ist
dann konstant. Bemißt man sie etwa gleich einem Drittel bis zu einem Halben der
Zeit einer Halbwelle des zu unterbrechenden Stromes, so werden damit auch die ungünstigsten
Verhältnisse bezüglich der Größe der Zeitkonstanten und des Augenblicks, in welchem
der Kurzschluß eintritt, gemeistert.
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Das soll im folgenden an einem Ausführungsbeispiel der Erfindung näher
erläutert
werden, das in der Zeichnung dargestellt ist. Die einzelnen
Figuren geben dabei verschiedene Ausführungsformen des Befehlsgerätes an, der Hauptschalter
ist jeweils schematisch angedeutet. Gleiche Teile sind in sämtlichen Figuren mit
gleichen Bezugszeichen versehen.
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In Fig. i bezeichnet i i die Netzleitung mit dem Hauptschalter 12
und einem Auslösestromwandler 13. Dessen Sekundärwicklung 14 speist -die Erregerwicklung
eines Wechselstrommagneten 16. Ihm gegenüber ist in einem bestimmten Abstand ein
Gleichstrommagnet 18 angeordnet, der über Hilfskontakte ig von einer Gleichstromquelle
2o# erregt werden kann. Er kann mit einer kurzgeschlossenen Dämpferwicklung 26 versehen
sein, deren Bedeutung weiter unten erläutert werden soll. Die Kontaktbrücke 25 für
die Hilfskontakte ist an dem Anker 2i befestigt, der sich zwischen den Magneten
16 und 18 befindet und von ihnen beiden gemeinsam beeinflußt wird. Während die Hilfskontakte
ig von der Kontaktbrücke 2.5 aus gesehen auf der dem Wechselstrommagneten
zugekehrten Seite angeordnet sind, befinden sich ihnen gegenüber auf der anderen,
dem Gleichstrommagneten zugekehrten Seite der Kontaktbrücke weitere Hilfskontakte
24, über welche die Auslösespule 23 des Hauptschalters 12 aus einer besonderen Hilfsstromquelle;
beispielsweise ebenfalls aus der Batterie 2o, gespeist werden kann.
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Der Anker 2i wird durch eine als Blattfeder ausgebildete Mittelstellungsfeder
22 in einer mittleren Stellung zwischen den beiden Magneten gehalten, solange beide
unerregt sind.
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Tritt ein Überstrom oder ein Kurzschluß auf, so wird der Wechselstrommagnet
16 erregt und zieht infolgedessen den Anker 21 an. Dadurch werden die Hilfskontakte
ig geschlossen und somit der Gleichstrommagnet 18 erregt. Der Anker 21 wird
jedoch zunächst vom Wechselstrommagneten 16. festgehalten, da ja das Feld des Gleichstrommagneten
18 wegen des verhältnismäßig großen Luftspaltes zwischen ihm und dem Anker 21 nicht
sehr stark ist. Erst wenn der Erregerstrom des Wechselstrommagneten 16 sich dem
Stromnulldurchgang genähert hat, überwiegt schließlich das Feld des Gleichstrommagneten
i8, dieser reißt infolgedessen den gemeinsamen Anker 21 zu sich heran, wobei zugleich
die Hilfskontakte 24 überbrückt werden. Damit spricht also das Befehlsgerät an und
gibt den Auslösebefehl an die Auslösespule z3, welche die Auslösung des Schalterantriebes
in bekannter Weise verursacht. Der Schalterantrieb führt den Auslösebefehl so aus,
daß die Trennung der Hauptkontakte kurz vor dem nächsten bzw. einem der nächsten
Stromnulldurchgänge beginnt und bis zum Stromnulldurchgang gerade so weit fortschreitet,
daß im Stromnulldurchgang die für die Lichtbogenlöschung günstigste Trennstrecke
vorhanden ist.
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Mit der Abziehung des Ankers 21 von der Seite des Wechselstrommagneten
16 wird zwar gleichzeitig der Erregerkreis des Gleichstrommagneten i8 wieder unterbrochen,
aber trotzdem beendet der Anker 21 wegen der magnetischen Trägheit des Gleichstrommagneten
18 seine Bewegung zu diesem hin bis zur Überbrückung der Hilfskontakte 24, löst
sich dann aber gleich nach kurzzeitiger Abgabe des Auslösebefehls wieder, um nach
der Beendigung des Abschaltvorganges seine Mittellage wieder einzunehmen..
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Der Abstand des Ankers 21 von jedem. der beiden Magneten in der Ruhestellung
braucht nicht gleich groß zu sein, sondern ist nachträglich nach Wunsch einzustellen.
Die in der Zeichnung als fest dargestellte Einspannstelle der Feder 22 ist zu diesem
Zweck verstellbar zu machen. Zur Verhinderung störender mechanischer Schwingungen
des Ankers 21 vor und nach dem Ansprechen ist eine zusätzliche Federeinrichtung
vorgesehen, die aus einer zweiten Blattfeder 27 besteht, mittels deren die resultierende
Federkennlinie bei Ausschlag des Ankers nach der Seite des Wechselstrommagneten
hin beeinflußt wird. Nach der anderen Seite hin ist die Zusatzfeder 27 durch einen
Anschlag 28. abgefangen. Ihre Vorspannung kann mit Hilfe der Stellschraube 29 willkürlich
verändert und somit nachträglich nach Wunsch eingestellt werden.
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Es ist zu beachten, daß der Sekundärstrom des Wandlers 13-1q. dem
in seiner Primärwicklung fließenden Hauptstrom, der unterbrochen werden soll, in
der Phasenlage nicht genau übereinstimmt, sondern etwas nacheilt. Dies kann beispielsweise
durch die Einstellung des gemeinsamen Ankers 21 und seiner Federeinrichtung ausgeglichen
werden, derart, daß der vom Wechselstrommagneten 16 angezogene Anker nach der Gleichstromseite
hin bereits anspricht, bevor der Sekundärstrom in der Erregerwicklung des Wechselstrommagneten
den Nullpunkt erreicht hat, also etwa gerade in dem Augenblick, wo der zu unterbrechende
Wechselstrom in der Hauptleitung i i genau durch Null geht. Eine weitere Ausgleichsmöglichkeit
bietet die Feineinstellung der Eigenzeit des Hauptschalters.
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Bei dem Befehlsgerät nach Fig.2 ist ein Teil des Eisenrückschlusses
des Wechselstrommagneten 16 als zweiter beweglicher Anker 17 ausgebildet. An ihm
ist die Brücke 30 befestigt, welche die Kontakte ig zu überbrücken und damit
die Erregung des Gleichstrommagneten
18 einzuschalten bestimmt
ist. Der gemeinsame Anker 2i ist hierbei drehbar gelagert und liegt in der Ruhestellung
unter dem Einfluß einer schwachen Haltefeder 22 oder seines eigenen Gewichtes am
Wechselstrommagneten 16 an.
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Bei Auftreten eines Überstromes klappt zunächst der Anker 17 an und
schaltet damit die Gleichstromerregung für den Magneten i8 ein, beim nächsten Stromnulldurchgang
spricht der Anker 21 an, indem er vom Gleichstrommagneten 18 angezogen wird, und
gibt durch Überbrückung der Kontakte 24 den Auslösebef ehl, Nach Fig. 3 ist zum
Schließen des Erregerkreises des Gleichstrommagneten ein besonderes Hilfsrelais
32 vorgesehen, das von einer dritten Wicklung 15 des Stromwandlers oder von einem
besonderen in der Hauptleitung liegenden Stromwandler aus erregt wird, im übrigen
entspricht dieses Befehlsgerät der Ausführung nach Fig. 2. Das Hilfsrelais 32 kann
ein normales sein, wie es auch für andere Zwecke in Massenfabrikation und daher
sehr billig hergestellt wird. Eine besondere Ausbildung des Wechselstrommagneten,
wie z. B. nach Fig. 2, oder der Federeinrichtung des Ankers 21 nach Fig. i wird
dadurch überflüssig. Die Speisung des Hilfsrelais 32 aus einer besonderen Wicklung
bzw. aus einem besonderen Stromwandler hat den Vorteil, daß die Phasenübereinstimmung
mit dem Hauptstrom besser ist, da das Hilfsrelais eine sehr kleine Bürde für den
Wandler darstellt.
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Zwecks Einschaltung einer Sperrzeit zum Abklingenlassen des Gleichstromgliedes
kann das Hilfsrelais 32 mit einerZeitverzögerungseinrichtung versehen, also beispielsweise
als Wärmerelais ausgebildet sein. Bei der Ausführungform nach Fig.2 wird die Sperrung
in einfacher Weise dadurch erzielt, daß die Masse des zweiten Ankers 17 besonders
groß bemessen wird, so daß von dem Augenblick, in welchem die Zugkraft des Magneten
16 auf ihn zu wirken beginnt, bis zu dem Augenblick, in welchem er in die angezogene
Stellung, gelangt und die Hilfskontakte 1g schließt, eine genügende Zeitspanne vergeht.
Bei der Ausführungsform nach Fig. i dient dazu die obenerwähnte Dampferwicklung
26, die den Anstieg des Gleichstromfeldes verzögert. Sie erleichtert ferner nach
dem Ansprechen des Befehlsgerätes die funkenfreie Unterbrechung ds Gleichstromerregerkreises.
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Der gemeinsame Anker 2i soll unter Einfluß des auf seine volle Höhe
gelangten Gleichstromfeldes möglichst unverzögert ansprechen und ist daher in jedem
Fall mit möglichst geringer 'lasse auszuführen.
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Statt des mit Gleichstrom erregten Magneten 18 kann auch ein Dauermagnet
Verwendung finden. Zwecks Veränderung der auf den gemeinsamen Anker 2i einwirkenden
Feldstärke dieses Dauermagneten müßte entweder die Stellung des letzteren mit Hilfe
eines als Anker ausgebildeten Teils des Eisenkreises des ZVechselstrommagneten gesteuert
oder eine mechanische Sperrvorrichtung des gemeinsamen Ankers 21 zu einem geeigneten
Zeitpunkt zwischen zwei Stromnulldurchgängen aufgehoben «-erden. Ebensogut kann
statt des Gleichstrommagneten ein Kraftspeicher, z. B. eine Feder, verwendet werden.
Zum Spannen der Feder können die gleichen Einrichtungen dienen, die in den gezeichneten
Ausführungsbeispielen das Einschalten der Gleichstromerregung bewirken.
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An Hand des Ausführungsbeispiels nach Fig. 2 sei im _ folgenden ein
Zahlenbeispiel genannt. Die Zahlenwerte sind ungefähre Angaben, von denen kleine
Abweichungen zulässig sind, und gelten beispielsweise für Einphasenwechselstrom
von 1623 Perioden in der Sekunde, also mit einer Halbwellendauer von 30 Millisekunden.
Für andere Frequenzen, z. B. 5o, sind die entsprechenden Werte rechnerisch leicht
zu ermitteln.
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In den Fig. 4 bis 6 sind verschiedene Diagramme des Ablaufs der Vorgänge
nach Eintritt eines Kurzschlusses unter verschiedenen Voraussetzungen dargestellt,
wobei verschiedene Kurven des Kurzschlußstromes I in Abhängigkeit von der Zeit t
aufgetragen sind. Die Fig. 4 und 5 gelten für den Fall, daß das Gleichstromglied
infolge eines verhältnismäßig hohen Wirkwiderstandes zwischen Stromquelle und Kurzschlußstelle
mit kleiner Zeitkonstante abklingt, während der Fig.6 die Annahme einer großen Zeitkonstante
des Gleichstromgliedes zugrunde liegt. Die ausgezogenen Kurven des Kurzschlußstromes
sind in den Diagrammen mit K bezeichnet. Sie entstehen aus der Zusammensetzung zweier
gestrichelt gezeichneter Komponenten, nämlich eines symmetrischen Wechselstromgliedes
W und eines Gleichstromgliedes G. In Fig. q. ist angenommen, daß der Kurzschluß
in einem Augenblick stattfindet, in welchem der Wechselstrom gerade ansteigt, während
er in Fig. 5 gerade fällt. In Fig.6 sind die beiden entsprechenden Fälle gemeinsam
eingezeichnet. TV.", sind jedesmal die beiden strichpunktiert gezeichneten
Verbindungskurven der positiven und negativen Maxima des symmetrischen NZ'echselstromgliedes.
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Der Augenblick, in welchem die Anzugskraft des Wechselstrommagneten
16 auf den zweiten Anker 17 die zum Anziehen erforderliche Größe A nach Eintritt
eines Kurzschlusses erreicht hat, ist für den weiteren Verlauf der Vorgänge belanglos.
Damit ist
der Einfluß des Zufalls, welchen Augenblickswert die Stromkurve
gerade im Augenblick des Kurzschlusses hat, ausgeschaltet. Der zweite Anker 17 setzt
sich in Bewegung; er erreicht infolge seiner Trägheit nach einer Sperrzeit von 15
Millisekunden entsprechend der schraffierten Anfangszone seine Anzugsstellung und
überbrückt gleichzeitig die Hilfskontakte ig. Während dieser Sperrzeit ist das Gleichstromglied
bis auf einen nicht mehr störenden Wert, z. B., nach den Fig. 4 und 5 auf annähernd
die Hälfte von Wmax abgeklungen. Ferner kann unter Umständen der erste auf den Eintritt
des Kurzschlusses folgende Nulldurchgang (Punkt i in Fig. 4) in die Sperrzeit fallen.
Auf einen solchen Nulldurchgang, dessen Lage infolge des großen Einflusses des noch
nicht genügend abgeklungenen Gleichstromgliedes von der normalen Lage der Stromnulldurchgänge
des symmetrischen Wechselstromgliedes sehr stark, z. B. mehr als 5 Millisekunden
abweicht, spricht also das Auslösegerät nicht an. Erst dem auf das Ende der Sperrzeit
folgenden Stromnulldurchgang (Punkt 2 in F'ig. 4 bzw. Punkt i in Fig.5) kommt für
den Auslösevorgang die Hauptbedeutung zu.. Im Augenblick dieses Stromnulldurchganges
spricht der gemeinsame Anker 2 1 an, springt zum Gleichstrommagneten 18 hinüber
und gibt damit durch Kontaktschluß bei 24 den Auslösebefehl an die Spule 23. Er
braucht dazu wegen seiner geringen Masse nur wenig als i Millisekunde. Nun setzt
sich der Schalterantrieb in Bewegung, damit fängt auch der bewegliche Kontakt an,
sich zu bewegen. Er gleitet zunächst noch innerhalb des festen Kontaktes, so daß
die leitende Berührung noch andauert, ein Lichtbogen somit noch nicht entsteht.
4o bis 5o Millisekunden vergehen, bis die Berührung der Kontakte aufhört. Für die
Diagramme wurden 45 Millisekunden angenommen. Der erste auf das Ansprechen des Ankers
21 folgende Stromnulldurchgang (Punkt 3 in Fig. 4, Punkt 2 in Fig. 5) ist inzwischen
vorüber, der Lichtbogen wird gezogen, während sich der Zustandspunkt des zu unterbrechenden
Stromes auf dem fallenden Ast der Stromkurve bewegt (Punkt T). Die Hauptkontakte
entfernen sich weiter voneinander und befinden sich in dem Augenblick, wo der Strom
wieder durch Null geht, im günstigsten Abstand, so daß der Lichtbogen erlischt.
In diesem Augenblick sind seit .dem Ansprechen des Ankers 2.i nach den Fig. 4 und
5 etwas weniger als 6o Millisekunden vergangen. Der Schalter wird beispielsweise
so eingestellt, daß er von der Abgabe des Auslösekommandos bis zur Erreichung der
günstigsten Löschdistanz 58 Millisekunden braucht. Damit ist für alle denkbaren
Fälle gewährleistet, daß der letzte Stromnulldurchgang kurz nach Erreichen des günstigsten
Löschabstandes erfolgt.
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Würde man in Fig. 4 die erwähnte Sperrzeit von 15 Millisekunden nicht
einführen, so würde bereits der erste Stromnulldurchgang (Punkt i) zum Auslösen
führen. Die Zeit von hier bis zum übernächsten Stromnulldurchgang (Punkt 3) beträgt
nun aber 65 Millisekunden, also beträchtlich mehr, als zur Erreichung des günstigsten
Löschabstandes eingestellt wurde. Dies hat eine Vergrößerung der Lichtbogendauer
und damit eine Vergrößerung der Schaltarbeit zur Folge, so daß in einem solchen
Schaltfall nicht die gleiche hohe Abschaltleistung erzielt werden kann. Die Einführung
der Sperrzeit bringt also eine Vergrößerung der Abschaltleistung mit sich.
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Aus Fig. 6 ist zu entnehmen, daß unter Umständen bei sehr langsamem
Abklingendes Gleichstromgliedes G eine Sperrzeit des Auslösegerätes nicht erforderlich
ist. Unter den im praktischen Betrieb befindlichen Schaltanlagen sind aber solche,
bei denen ein sehr langsames Abklingen des Gleichstromgliedes auf alle Fälle gewährleistet
ist, kaum zu finden. Vielmehr wird je nach der Entfernung der Kurzschlußstelle mit
einem mehr oder weniger schnellen Abklingen des Gleichstromgliedes zu rechnen sein.
Es ist infolgedessen eine Sperrzeit am Auslösegerät des Schalters ein für allemal
einzustellen, die den ververschiedenen möglichen Abklingzeiten des Gleichstromgliedes
Rechnung trägt. Wird demnach auch in Fig. 6 die gleiche Sperrzeit von 15
Millisekunden wie in den Fig. 4 und 5 berücksichtigt, so wird zwar unter den gleichen
Umständen, wie zu Fig. 4 erläutert, der erste Stromnulldurchgang für das Arbeiten
des Auslösegerätes unwirksam gemacht, jedoch ist beim Ansprechen auf den folgenden
Stromnulldurchgang ebenfalls eine ordnungsgemäße Stromunterbrechung gesichert.
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Die Leistungsfähigkeit eines normalen in ein Bahnnetz eingebauten
Hochleistungsschalters wird mit Hilfe der Erfindung bis auf etwa das Zwanzigfache
gesteigert, wobei natürlich der Umstand, daß nur einphasige Unterbrechung erforderlich
ist, die Wirkung begünstigt.