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Anordnung zur Uberstromprüfung, insbesondere Kurzschlußprüfung von
Wechselstromunterbrechern Es sind Anordnungen zur Überstromprüfung, insbesondere
Kurzschlußprüfung von Hochspannungswechselstromunterbrechern, z. B. von Schaltern,
Lichtbogenstromrichtern.
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Funkenstrecken oder Schmelzsicherungen bekannt, bei denen der die
Schaltstelle durchfließende Strom im wesentlichen einer Stromquelle hoher Ergiebigkeit
(Hauptstromquelle) entnommen wird, während die nach der Stromunterbrechung an der
Schaltstelle auftretende Spannung durch eine Stromquelle hoher Spannung (Hochspannungsquelle)
geliefert wird. Es ist ferner für Hochspannungsschalter vorgeschlagen worden, daß
die Ströme beider Quellen gleichzeitig über die Schaltstelle fließen und der Strom
der Hauptstromquelle durch einen mit der Prüfschaltstelle in Reihe liegenden Stromunterbrecher
(Hilfsschaltstelle) kurz vor dem Nulldulrchgang des resultierenden Stromes der Prüfschaltstelle
unterbrochen wird. Derartige Anordnungen ergeben zwar eine der natürlichen Prüfung
entsprechende Spannungsbeanspruchung der Schaltstelle, jedoch weicht die Strombeanspruchung
von dem natürlichen Stromverlauf ab.
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Die Erfindung betrifft derartige Prüfanordnungen und beseitigt diesen
Nachteil dadurch, daß im Hochspannungsstromkreis Eisendrosseln angeordnet sind,
welche derart bemessen und ausgebildet sind, daß der sic durchfließende Strom sich
an der Schaltstelle mit dem Strom der Hauptstromquelle so zusammensetzt, daß die
Überlagerung an der Schaltstelle einen praktisch sinusförmigen Stromrerlauf ergibt.
Zweckmäßig ist es dabei, die Drossel im Hochspannungsstromkreis in Form zweier gegensinnig
gleich stromvormagnetisierter Drosseln auszubilden, deren Kerne insbesondere auch
aus hochpermeablen Eisenlegierungen bestehen können.
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Die Erfindung wird im folgenden an Hand von einigen Beispielen erörtert,
aus denen auch verschiedene andere vorteilhafte Einzelheiten gegenüber den bekannten
Anordnungen erkennbar werden.
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In Fig. I bedeutet I die Hauptstromquelle, 2 die vorzugsweise mit
der Spannung von 1 gleichphasige Hochspannungsquelle, 3 die Prüfschaltstelle, 4
die Hilfsschaltstelle, 5 die Hauptstromdrossel, 6 und 7 zwei in Reihe geschaltete
Drosseln mit hochpermeablen Kernen und gegensinniger Gleichstromvormagnetisierung,
8 die Gleichstromquelle. Den Zusammenhang zwischen dem Fluß 0 und der Wechselstromdurchflutung
s#i bei den in Reihe liegenden Drosseln 6, 7 zeigt Fig. 2.
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Wird an derartige Drosselspulen eine sinusförmige Spannung angelegt,
so lassen sie einen trapezförmigen Strom hindurch, dessen Höhe durch die Größe der
Gleichstromvormagnetisierung zg, bestimmt wird, während seine Neigung durch die
Neigung der Isennlinie im Nullpunkt gegeben ist, d.h. durch die Luftinduktivitäten
der Wicklung der Drosseln 6 und 7. Derartige Drosseln werden u. a. in der Technik
in den ruhenden Gleichstromwandlern verwandt.
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Die Drossel 5 läßt dagegen einen sinusformlingen Strom hindurch.
Der Hochspannungsstrom wird nun derart abgestimmt, daß er gleiche Neigung beim Nulldurchgang
wie der sinusförmige Hauptstrom besitzt. Ferner wird die Nacheilung des Hochspannungsstromes
gegen den Hauptstrom durch die Wahl des Leistungsfaktors beider Stromkreise derart
geregelt, daß sie gleich der Dauer des Anstieges des Hochspannungsstromes vom Wert
Null auf den Amplitudenwert wird. Werden nun die beiden Ströme an der Schaltstelle
überlagert und wird der Hauptstrom bei seinem Nulldurchgang durch die Hilfsschaltstelle
unterbrochen, so setzt sich der Schalter- bzw. Hauptstrom praktisch sinusförmig
bis zum Nulldurchgang des dann allein fließen den Hochspannungsstromes fort.
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Nach sekundä,rer Unterbrechung durch die Prüfschaltstelle tritt an
der Prüfschaltstelle der Maximalwert der Spannung, der Hochspannungsquelle 2 auf.
Fig. 3 zeigt den Verlauf der Ströme an der Prüfschaltstelle. Dabei bedeutet ii den
die Hilfsschalltstelle 4 und die Hauptstromquelle 1 durchfließenden Hauptstrom,
12 den Hochspannungsstrom und I3 den die Prüfschaltstelle durchfließenden Strom.
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Die Anordnung nach Fig. I ergibt gegenüber den bekannten Anordnungen
eine völlig naturgetreue Prüfung der Schaltstelle sowohl in bezug auf den Strom-
wie auch auf den Spannungsverlauf. Sie ergibt jedoch nur eine einmalige Spannungsbeanspruchung
der Prüfschaltstelle, sofern die Hilfsschaltstelle nicht kurz nach dem Null durchgang
des Hocllspannungsstromes periodisch wieder gezündet wird, was auf gewisse technische
Schwierigkeiten stößt. Ferner ist die Anordnung insofern noch etwas ungünstig, als
neben der Lichtbogenspannung der Prüfschaltstelle auch der Lichtbogenspannungsabfall
an der Hilfsschaltstelle 4 von der Spannung der Hauptstromquelle überwunden werden
muß und den Verlauf des Hauptstromes verzerrt, insbesondere da die Hauptstromquelle
die gesamte Löschspitze der Lichtbogenspannung von 4 decken muß.
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Diese Nilängel werden durch die Schaltanordnung nach Fig. 4 beseitigt,
bei der an Stelle der Drossel 5 und der Hilfsschaltstelle 4 eine Drossel 9 mit hochpermeablem
Kern tritt.
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Fig. 5 zeigt den Zusammenhang zwischen dem Fluß nnd der Wechselstromdurchflutung
dieser Drossel, die keine Gleichstromvormagnetisierung aufweist. Sie läßt in der
Nähe des Nulldurchganges infolge ihrer hohen Induktivität praktisch keinen Strom
durch. während sie nach dem Überschreiten des Sättigungsknickes praktisch nur ihre
Luftinduktivität behält. Beim Anlegen einer sinusförmigen Spannung läßt sie demnach,
mit Ausnahme der Umgebung des Nulldurchganges, einen sinusförmigen Strom hindurch.
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Derartige Drosseln werden u. a. in der Technik bei den sogenannten
Kontaktum formen verwandt.
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Werden nun die Drossel 9 einerseits und die Drosseln 6 und 7 andererseits
derart aufeinander und auf das Verhältnis der Spannungshöhen (Spannungsverhältnis)
der Stromquellen 1 und 2 abgestimmt, daß bei beiden der Knick der Magnetisierungskennlinie
gleichzeitig überschritten wird und daß sich die Luftinduktivitäten wie die Spannungen
verhalten, so addieren sich die Ströme beideir Stromquellen am Schalter 3 zu einem
rein sinusförmigen Strom. Fig. 6 zeigt den Verlauf der Ströme. Im Gegensatz zur
Anordnung nach Fig. I bis 3 handelt es sich hier
jedoch um einen
rein periodischen Vorgang, der sich beliebig oft mit Polaritätswechsel wiederholt.
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Wird jedoch beim Nulldurchgang der Strom durch die Schaltstelle 3
unterbrochen, so gelangt an die Schaltstelle die Spannung der Hochspannungsquelle
2. Solange die Drossel g nicht gesättigt ist, kann sich diese Spannung trotz des
Fehlens einer Hilfsschaltstelle nicht über die Hauptstromquelle und über die Drossel
schließen. Nach dem Öffnen des Schalters 3 gelangt die Schaltanordnung in einen
neuen stationären Zustand, bei dem die Schaltstelle 3 periodisch mit voller Spannung
der Hochspannungsquelle beansprucht wird. Fig. 7 zeigt den Verlauf der Spannung
an der offenen Schaltstelle 3, wobei links der Ausgleichsvorgang dargestellt ist,
der sich beim Öffnen der Schaltstelle 3 abspielt.
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Es bedeutet 23 diie Spannung an der Schaltstelle 3 (ausgezogen),
21 die Spannung der Hauptstromquelle und 22 die Spannung der Hochspannungsquelle.
Aus Fig. 7 ist zu ersehen, daß durch die Wirkung der Drosseln an der Schaltstelle
abwechselnd die Sapnnung der Hauptstromquelle und der Hochspannungsquelle liegt,
und zwar die letztere gerade während ihres Durchganges durch den Höchstwert. Die
beiden Stufen entsprechen den Knicken in den Kennlinien der Fig. 2 und 5 beider
Drosseln. Die hohe Spannung bleibt an der Schaltstelle während der Einwirkungszeit
#. Für die normale Prüfung des Schalters ist es ausreichend, wenn diese Zeit mindestens
gleich der Halbperiode der Einschwingfrequenz der Wiederkehrspannung ist. In der
Regel wird es möglich sein, diese Zeit wesentlich länger zu machen.
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Bei Stromquelle sind gleichphasig und liefern auch gleichphasige
Ströme, welche sich wohl an der Schaltstelle zu einem sinusförmigen Strom vereinigen,
jedoch bei Aufnahme der Leistung aus dem gleichen Netz infolge des verschiedenen
Übersetzungsverhältnisses der als Transformatoren ausgebildeten Stromquellen 1 und
2 einen nicht sinusförmigen Netzstrom ergeben. Solange es sich um die Leistungsentnahme
aus einem starren Netz handelt, ist diese Stromverzerrung ohne Belang. In der Regel
wird jedoch die Leistung von einem Kurzschlußgenerator geliefert, der bis an seine
Grenzleistungsabgabe beansprucht werden soll. Die Abgabe der Blindleistung ist begrenzt
durch d'ie zulässige Erregung des Generators. Man kann nun die Blindleistungsabgabe
des Generators verschieden auf die beiden Stromquellen aufteilen. Je größer dabei
der Anteil der Hauptstromquelle wird, um so höher wird die nachweisbare Abschaltleistung
des Prüflings, um so kürzer jedoch die Einwirlcungszeit #. In gleichem Sinne wirkt
eine Erhöhung des Spannungsverhältnisses beider Stromquellen. Da nun die von der
Praxis geforderte Einschwingfrequenz etwa umgekehrt proportional mit der Betriebsspannung
abnimmt, ergibt sich hieraus eine Grenze der erreichbaren nachweisbaren Abschaltleistung.
Eine weitere Begrenzung liegt darin, daß durch die Lichtbogenspannung der Prüfschaltstelle
keine wesentliche Verzerrung des Hauptstromes erfolgen darf. Gegenüber den bekannten
Prüfschaltungen hat die Schaltung nach Fig. 4 bereits den wesentlichen Vorteil,
daß die Hauptstromquelle wohl die Brennspannung des Lichtbogens, jedoch nicht die
Löschspitze zu decken braucht. Die Brennspannung liegt jedoch je nach der Löschungsart
nur bei 5 bis 20% des Spannungswertes der Löschspitze. Fig. 8 zeigt die behandelten
Zusammenhänge graphisch. Die Abszisse ist der Anteils der Hauptstromquelle an der
Gesamtleistung. Die Geraden x5, x10, x15 zeigen den Verlauf der nachweisbaren Abschaltleistung
in Prozenten der Kurzschlußleistung des Generators. Der Anfangspunkt dieser Geraden
entspricht der natürlichen Prüfung über den Hochspannungskreis allein. Die praktische
Anwendbarkeit ist begrenzt durch den geforderten Mindestwert #, der durch Kurven
#5, #10 und #15 dargestellt ist. Je geringer also die Vervielfachung der natürlichen
Leistung, um so- größer wird der Wert von r.
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Der mit Rücksicht darauf praktisch verwendbare Bereich für bestimmte
Anordnungen ist in Fig. 8 schraffiert. Es zeigt sich, daß die höchste nachweisbare
Abschaltleistung dann erreicht wird, wenn die Leistungsanteile beider Stromquellen
angenähert gleich sind.
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Die Einwirkungszeit # und damit die Leistungsfähigkeit der Schaltanordnung
kann dadurch bis auf den doppelten Wert gebracht werden, daß die gesamte Nullpause
des Hauptstromes für die Splannangsbeanspruchung der Schaltstrecke ausgenutzt wird.
Dies wird, wie Fig. 9 zeigt, dadurch erreicht, daß parallel zu den Drosseln 6 und
7 ein ohmscher Widerstand 24 gelegt wird, der einen Wirkstrom hindurchläßt, dessen
Amplitude gleich oder kleiner der Amplitude des Drosselstromes wird.
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Gleichzeitig werden dadurch der aus dem Drosselstrom 25 und dem Wirkstrom
26 sich zusammensetzende Hochspannungsstrom 12 und der Hauptstrom 11 derart gegeneinander
verschoben, wie die Fig. 10 zeigt, daß der resultierende Strom 13 der Schaltstelle
eine sinusförmige Gestalt erhält. Diese Maßnahme hat ferner den Vortielil, daß an
Stelle reiner Blindlast das Netz teilweise mit Wirklast belastet wird.
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Die Leistungsfähigkeit der Anordnung kann wesentlich gesteigert werden,
wenn zur Blindleistungslieferung neben dem Generator eine Kondensatorenbatterie
herangezogen wird. Besonders zweckmäßig ist es, wie Fig. 11 zeigt, die Kondensatorenbatterie
10 in dem Hochspannungskreis derart anzuordnen, daß ein auf die Netzfrequenz angenähert,
jedoch zur Begrenzung des Stromes und der Spannung nicht völlig abgestimmter Schwingungskreis
entsteht. Da die Spannung nun durch den Schwingungskreis bestimmt wird, kann das
Übersetzungsverhältnis beider Stromquelle gleich gewählt werden, ja, es können beide
Stromquellen, wie Fig. 12 zeigt, zusammengefaßt werden. Dabei wird gleichzeitig
die Verzerrung des Generatorstromes, welche durch Verschiedenheit der Übersetzungsverhältnisse
verschuldet wird, beseitigt. Im allgemelinen weisen Generatoren infolge der kleinen
Abmessungen der Dämpferwicklung gegenüber der Erregerwicklung beim einachsigen Kurzschluß,
d.h. einem Kurzschluß, bei welchem sich in der Ständerwicklung des Generators nur
ein im Raume feststehendes Wechselfeld aushildet, einen nicht rein sinusförmigen
Strom auf.
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Vielmehr zeigt sich eine Abflachung des Stromes beim Nulldurchgang
(Fig. 13). Wird die Schaltanordnung an einen derartigen Generator angeschlossen,
so besteht die Gefahr, daß eine Abweichung des Stromverlaufes an der Schaltstelle
3 dadurch auftritt, daß an den Stromquellen I und 2 keine reinen sinusförmigen Spannungen
entstehen.
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Durch Verwendung gleicher Übersetzungsverhältnisse der Wicklungen
1 und 2 wird ein rein sinusförmiger Strom erhalten. Wird dagegen das Übersetzungsverhältnis
von 2 niedriger gewählt als von 1, so läßt sich eine Stromaufnahme erreichen. welche
in der Kurvenform dem Generatorkurzschlußstrom angepaßt ist. Ein anderer Weg zum
gegenseitigen Angleich des Generatorstromes nach Fig. I3 und des Stromes der ohne
Rondensator im Hochspannungskreis arbeitenden Prüfanordnung, der für die Erzeugung
eines rein sinusförmigen Stromes an der Schaltstelle benötigt wird (Fig. 14), liegt
in der Erzeugung der dabei vorwiegend auftretenden 3. und gegebenenfalls auch 5.
und 7. Harmonischen in besonderen Schwingungskreisen.
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Fig. I5 zeigt den Verlauf des zum Abgleich erforderlichen Differenzstromes,
Fig. 16 die Einschaltung der Schwingungskreise in die von einem Generator gespeiste
Schaltanordnung nach Fig. 4. Dabei bedeuten 14 den Generator und 15, 16 und 17 die
Schwingungskreise, die auf die entsprechenden Oberwellen abgestimmt werden. Schließlich
ist es möglich. die Verzerrung des Generator stromes zu beseitigen, indem der Generator
auch in der anderen Achse durch Induktivitäten belastet wird, wodurch in dem Stator
ein vollkommenes Drehteld entsteht Die für die Kerne verwendeten hochpermeablen
Stoffe besitzen in der Regel eine Magnetisierungskennlinie, die eine wenn auch schmale
Hystereseschleife aufweist. Dadurch wird beim Nulldurchgang des Hochspannungsstromes
der Hauptstrom 11 nicht genau Null, sondern wechselt sofort sein Vorzeichen. wie
Fig. I7 zeigt. Diese Erscheinung kann durch eine kleine Wechselstromvormagnetisierung
der Drossel 9 beseitigt werden, wobei die Wechselstromerregung etwa um gogegen den
Hauptstrom verschoben sein soll und gerade der gleichen Breite der Hystereseschleife
entspricht. Dadurch wird die Magnetisierungskennlinie mit der Abszissenachse in
Übereinstimmung gebracht. Die entsprechende Schaltung zeigt Fig. 18. Drain bedeutet
18 einen hohen ohmschen Widerstand, der der Hauptstromquelle 1 einen Strom entnimmt,
der gegenüber dem Hauptstroln um go; verschoben ist und der durch die Wicklung 19
der Hauptstromdrossel fließt.
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Während bei den bekannten Prüfanordnungen das Auftreten eines Gleichstromgliedes
im Stoßkurzschlußstrom die Prüfung erschwert oder gar unmöglich macht, läßt die
Anordnung nach Fig. und folgenden das Vorhandensein von Gleichstromgliedern ohne
Schaden zu, da die Gesamtanordnung beim geschlossenen Schalter 3 eine Blindlast
von praktisch konstanter Induktivität darstellt.
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Bei Anwendung eines Kondensators 10 nach Fig. II wird der Induktivitätswert
völlig konstant, so daß sich das Gleichstromglied des Generatorstromes im Schalterstrom
abbildet. Hierdurch wird die Anordnung besonders geeignet für die Prüfung der Einschaltfestigkeit
von Schaltern. Ferner ist die Anordnung für dre ipol.ige Prüfung l-on Stromunterbrechern,
und zwar sowohl bei der Einwie bei der Ausschaltung geeignet. da ja die Anordnung
zulr Prüfung einer Phase selbst einphasig ist. Da nun sowohl die Hauptströme wie
die Hochspannungsströme Oberwellen enthalten, muß dafür gesorgt werden, daß diese
sich ausgleichen können. Hierzu ist es zweckmäßig, wie Fig. 19 zeigt, beide Spannungsquellen
in Stern zu schalten und die Sternpunkte miteinander zu verbinden.
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Über die Verbindungsleitung 20 fließt nun der Oberwellenstrom.
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Die Schaltanordnung nach Abb. 4 läßt sich unter Beibehaltung der
zugeführten Blindleistung natürlich auf verschiedene Ströme und Spannungen einstellen.
Zu diesem Zweck müssen die als Transformatoren ausgebildeten Stromquellen I und
2 ebenso wie die
Drosseln 6, 7 und 9 umschaltbar ausgebildet sein.
Ferner kann das Spannungsverhältnis blelildier Stromquellen verändert werden. Um
den Abgleich der Magnetisierungskennlinien beider Stromkreise zu erzielen, müssen
zu diesem Zweck Luftdrosseln in Reihe mit den Drosseln g blzw. 6 und 7 geschaltet
werden, ferner erfolgt der Abgleich durch Einstellung der Gleichstromvormagnetisierung.
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Die richtige Bemessung wird erreicht, wenn nach Umrechnung beider
Transformatoren 1 und 2 auf gleiche primäre Windungszahl und der Drosseln auf gleiche
Windungszahl wie der zugehörigen sekundären Transformatorenwicklungen (bei dieser
Voraussetzung sind die Flüsse in allen Geräten! I, 2 [6 und 7] und 9 einander gleich)
die Strom-Fluß-Kennlinien der Drosseln bei Addition ihrer Abszissen (Stromwerte)
sich zu einer Geraden ergänzen. In der Fig. 20 bedeutet 30 die Kennlinie der Drossel
9, 31 diejenige der in Reihe liegenden Drosseln (6 und 7), während die Gerade 32
die resultierende Kennlinie beider Drosseln darstellt.
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Das elektrisch am meisten beanspruchte Glied der Schaltung ist die
Drossel 9, denn sie führt einerseits den vollen Kurzschlußstrom, andererseits muß
sie bei Öffnung der Prüfschaltstelle die volle Spannung der Hochspannungsquelle
beherrschen. Zur besseren Isolation kann es zweckmäßig sein, die Drossel aus mehreren
übereinander aufgebauten Drosseln mit getrennten magnetischen Kreisen zusammenzusetzen,
wobei die Kerne sich auf mittleren Potentialen der mit ihnen verketteten Wicklungsteile
befinden.
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Wird zur Isolation der Drosseln flüssiges Dielektrikum (Öl, Clophen
usw.) verwendet, so kann es zweckmäßig sein, die Drosseln 6, 7 und 9 in einem gemeinsamen
Gehäuse anzuordnen, da hierdurch eine Hochspannungsdurchführung eingespart wird.
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Die erfindungsgemäße Anordnung, insbesondere nach Fig. 4 unid folgenden,
besitzt also gegenüber den bekannten und vorgeschlagenen Prüfanordnungen folgende
Vorteile: 1. Die Beanspruchung des geprüften Stromunterbrechers sowohl durch den
Strom wie auch durch die wiederkehrende Spannung entspricht völlig der natürlichen
Prüfung.
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2. Die Steigerung der nachweisbaren Abschaltleistung gegenüber der
natürlichen Leistung der Anlage ist wesentlich höher als bei bekannten Schaltungen,
da die Hauptstromquelle weder Zünd- noch Löschspitzen des Unterbrechungslichtbogens
decken muß, sondern nur im Hlim,hlick auf die niedrige Brennspannung zu bemessen
ist 3. Die Anordnung ist über beliebig lange Lichtbogendauer in Tätigkeit.
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4. Die Anordnung enthält keine Teile, die sich bei der Prüfung verstellen
oder abnutzen können, insbesondere keine Funkenstrecken.
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5. Die Prüfung kann durch Stoßkurzschlußstrom mit einem Gleichstromglied
erfolgen.
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6. Die Prüfung kann dreiphasig erfolgen.
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7. Die Anordnung ist auch für die Prüfung der Einschaltfestigkeit
geeignet.
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Schließlich ist es auch möglich, vorgeformte Ströme transformatorisch
auf die Prüfschaltstelle zu übertragen. Dann können die Eisendrosseln 6, 7 und 9,
wie Fig. 21 zeigt, unmittelbar an den Generator 14 angeschlossen werden. Dies hat
den Vorteil, daß bei Prüfungen in verschiedenen Strom- und Spannungsbereichen die
Drosseln nicht umschaltbar gemacht zu werden brauchen, sondern die Umschaltung in
den Transformatoren 1 und 2 vorgenommen werden kann.
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Eig. 22 zeigt einen anderen Weg zur Entlastung der Hochspannungsquelle
von der Blindleistungsabgabe mit Hilfe eines Kondensators 27. Dieser Kondensator
liegt parallel zu den Drosseln 6 und 7. Wird er mit ihnen auf die Grundfrequenz
abgestimmt, so entinmmt der Hochspannungskreis dem Generator nur einem höherfrequenten
Verzerrungsstrom.