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Anordnung zur Vermeidung von Uberspannungen beim Abschalten von induktiven
oder kapazitiven Wechselstromkreisen Die Erfindung stellt eine Anordnung zur Unterbrechung
induktiver oder kapazitiver elektrischer Stromkreise im Nullpunkt der Stromkurve
dar. DieUnterbrechunggeschieht dabei so, daß Überspannungen bei der Abschaltung
vermieden werden. Dadurch lassen sich die Beanspruchungen sämtlicher Einrichtungen
der Anlage erheblich herabsetzen.
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An Hand der Abb. i und a sei der Abschaltvorgang eines teilweise induktiven
Stromkreises erläutert. Bei kapazitiven Stromkreisen verläuft der Vorgang sinngemäß.
Die in der Generator- oder Transformatorwicklang i erzeugte Wechsel-EMK ruft in
der Reihenschaltung Schalter z und Widerstand 3 vor der Trennung den Strom i (Abb.
z) hervor. In der Nähe des Stromnulldurchganges q. ist die Spannung an der Reihenschaltung
Schalterlichtbogen -I- Widerstand, d. h. die Spannung u am Generator oder Transformator
i in Phase mit dem Strom i. Die EMK eilt gegen diese beiden Größen voraus, d. h.
beim Nulldurchgang des Stromes. besitzt sie bereits eine bestimmte Größe in der
entgegengesetzten Richtung. Da elektrische Stromkreise und besonders die erforderlichen
Wick-
Lungen infolge der Eigenkapazität und Induktiv ität einen
Schwingungskreis darstellen. tritt die ENIK nach der Stromunterbrechung nicht stationär
in Erscheinung, sondern ihr Augenblickswert bei der Lichtbogenlöschung bildet den
Anstoß für die Erregung des Schwingungskreises. Dieser schwingt auf den doppelten
Augenblickswert der E-NIK im Augenblick des Anstoßes. Die Schwingung klingt gedämpft
ab. Die Schwingung e' in Abb. 2 überlagert sich den stationären Werten der EMKe
und stellt im allgemeinen eine gefährliche Überspannung dar.
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Die Erfindung besteht nun darin. durch künstliche Mittel den Stromkreis
im Nulldurchgang des Stromes dann zu unterbrechen, tvenn die die Überspannung erzeugende
Spannung unwirksam, also gleich Null ist. Dies geschieht dadurch, daß die Schaltanordnung
derart ausgebildet wird, daß die Lichtbogenspannung vor der Stromtrennung so erhöht
wird, daß der abzuschaltende Strom und die abzuschaltende Spannung gleichzeitig
durch .Null gehen. Die EMK ist dann nicht mehr in der Lage, einen vorhandenen Schwingungskreis
anzustoßen und eine Überspannung zu erzeugen. Es ist bereits bekannt, Wechselstromkreise
durch eine geeignete Betätigung eines Schalters beim Nulldurchgang der Spannung
zu unterbrechen. Eine Überspannung wird beim Ausschalten durch die bekannten Anordnungen
nur dann nicht erzeugt, wenn gleichzeitig der Strom durch .Null geht, wenn also
der Stromkreis keine Phasenverschiebung besitzt. Demgegenüber lassen sich nach der
Erfindung Überspannungen auch beim Abschalten induktiver oder kapazitiver Stromkreise
vermeiden.
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Besonders beim Betrieb mit sehr hohen Spannungen ist es erforderlich,
daß die Lichtbogenspannung sehr großeWerte annimmt, die sich nicht ohne weitereserreichen
lassen. Durch besondere Mittel läßt sich aber die Erhöhung der Lichtbogenspannung
auf den Wert bewirken, der zur Durchführung der Erfindung erforderlich ist.
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So ist es möglich, durch magnetisches Anblasen des Schalterlichtbogens
oder durch Anblasen mit Gasen oder Dämpfen dem Schalterlichtbogen so viele Ladungsträger
zu entziehen, daß zu deren N eubildung die Lichtbogenspannung auf den gewünschten
Wert ansteigt. Ein Ansteigen der Lichtbogen= Spannung wird auch durch Kühlen der
Elektroden und durch Bewegen der Lichtbogenfußpunkte, insbesondere- auf der Kathode,
hervorgerufen. Auch bei einer vollständigen Bedeckung der Kathode durch die Entladung
wird der Kathodenfall und damit die Schalterspannung erhöht. Das Verlegen des Licht-Bogens
in einen Raum mit Überdruck bewirkt ebenfalls ein Ansteigen der Lichtbogenspannung.
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Alle diese Mittel müssen so angewendet «-erden, daß ein vorzeitiges
Abreißen der Entladung, wenn die Lichtbogenspannung noch nicht groß genug ist. und
damit die Hervorrufung von Überspannungen vermieden wird. Da bei der Erfindung Beanspruchungen
durch Überspannungen vermieden werden, ist die schnelle Entfernung aller Ladungsträger
aus dem Elektrodenzwischenraum nicht so wichtig wie bei den bisherigen Schaltern.
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Für die Durchführung der Erfindung eignen sich auch besonders Schalter,
bei denen der Lichtbogenweg in Teilstrecken zerlegt ist. Nach der Erfindung muß
die Unterteilung so weit getrieben «-erden, daß der Lichtbogen beim Nulldurchgang
der treibenden Spannung erlischt. Hierbei können auf einzelne oder alle Teilstrecken
Maßnahmen zur Erhöhung der Lichtbogenspannung angewendet werden. Zur Durchführung
der Erfindung können mit einem Schalter nach der Erfindung oder mit einem sonstigen
Schalter in Reihe eine oder mehrere Entladungsstrecken geschaltet werden,, die bewirken,
daß die Unterbrechung nach der Erfindung stattfindet.
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Die Beblasung der Hilfsstrecken braucht bei weitem nicht so intensiv
vorgenommen zu werden wie die eines Druckgasschalters. Die Beblasung wird ja nur
zur Erhöhung des Spannungsabfalles vorgenommen und nicht zur Vermeidung von Rückzündungen.
Es ist auf eine intensive Abkühlung des Lichtbogens und auf ein starkes Entziehen
von Ladungsträgern Wert zu legen und weniger auf ihr restloses Entfernen.
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Bei der Anwendung der Erfindung ist es möglich, daß beim Versuch der
ersten Unterbrechung, der etwa beim Schalteröffnen vorgenommen wird, die Bedingungen
für ein ü]--rspannungsfreies Abschalten noch nicht erfüllt sind. Dann kann nach
der Erfindung dafür gesorgt werden, daß die Stromunterbrechung noch nicht ausgeführt
und die Anlage nicht unnötig durch Überspannungen beansprucht wird.
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Als Beispiel für die Durchführung der Erfindung sei die Schaltung
in Abb. 3 angegeben. Angenommen, die abgeschaltete Transformatorwicklung r gerät
in Schwingungen, so treten diese an der Induktivität 6 auf, <ia der Kondensator
; für sie keinen nennenswerten Widerstand darstellt. Die Spannung an 0 kann zur
Aufrechterhaltung der Entladung des Schalters 8 benutzt werden. In dem Beispiel
geschieht dies dadurch, daß zwischen einer Hilfselektrode 9 und der Schalterelektrode
1o eine Hilfsentladung
gezündet wird. Die Spannung von 6 läßt sich
auch zur Zündung herawftranisfarmieren. Den Schalterkontakten io und i i kann sie
auch in anderer, -beiispnelisweiise bei Lichtbogenstromrnchrtern üblicher Weise
aufgedrückt werden.
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Zur Aufrechterhaltung der Entladung bis zur Überspannungsfreien Abschaltung
lassen sich auch Anordnungen verwenden, die bei einem steilen Spannungsanstieg,
wie ihn etwa e' in Abb, 2 ,darstellt, nicht trennen, wohl aber bei einer Unterbrechung
nach der Erfindung. Dem weniger steilen Anstieg nach dem Nulldurchgang von e muß
die Anordnung dann widerstehen.
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Es genügt deshalb häufig, Teile der Entladungsstrecken künstlich zu
entionisiere-n. Die in den übrigen Teilen verbleibenden Ladungsträger verhindern
dann. eine Unterbrechung beim Auftreten von überspannungen, also bei einem steilen
Spannungsanstieg. Die Zahl der verbleibenden Ladungsträger muß jedoch so begrenzt
sein, daß bei einem überspannungsfreien Verlauf der wiederkehrenden Spannung eine
Unterbrechung mit Sicherheit stattfindet.
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Als weiteres Mittel zur Begünstigung dieses Zwecles können Elektrodenianordnungen
verwendet werden, die für hochfrequente oder Stoßspannungen eine geringere Durchscihlagspannung
besitzen alis für,die, Betriebsspannung. In Abb. q. ist eine derartige, für die
Zündung von überspannungsableitern bekannte Anordnung dargestellt.
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Mit den Kontaktstücken 25 und 26 eines Schalters sind über Widerstände
27 und 28 die leitenden Schirme :29 und 30 verbunden. Beim Anliegen von -niedrigfrequenterWedhselspannung
an den Kontaktstücken laden sich die Schirme 2g und 30 auf. Beim Auftreten
hochfrequenter oder Stoßspannungen bewirkt jedoch die Kapazität zwischen den Schirmen
29 und 3o, daß diese Aufladung nicht statt-'findet und die Widerstände 27 und 28
fast die volle Spannung aufnehmen. Für die Betriebsspannung besteht zwischen den
Kontaktstücken eine Feldausbildung, die durch geeignete Ausbildung der Schirme nahezu
homogen gestaltet werden kann. Beim Auftreten von Überspannungen verschwindet die
Wirksamkeit der Schirme, das Feld wird stark unhomogein, und die Durchsichlagfestigkeit
der Anordnung sinkt. Die Anwendung dieser bekannten Anordnung allein ist noch nicht
ausreichend zur Durchführung der Erfindung, es müssen vielmehr. noch Mittel zur
Erhöhung der Lichtbogenspannung angewendet werden.
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Abb. 5 stellt eine Anordnung nach der Erfindung dar, die für hochfrequente
und Stoßspannungen erheblich leichter zu zünden ist als für niedrigfrequente Betriebsspannungen.
Die Spannungsverteilung über die Serienschaltstrecken 15 bis 18 wird für dieBetriebsfrequenz
im wesentlichen durch die Spannun,gsteilung ans Ohmnschen Widerständen ig bestimmt.
Für eine hochfrequente oder eine Stoßspannung -isst .dagegen die Teilung .ducclh
die Kapaziitken 2o bis 23 maßgebend. Diese Spanuungsteifng läßt sich so dwrchfüh@ren,
daß zunächst ein beträchtlicher Teil der Gesamtspannung auf eine Teilstrecke entfälilt
und diese zur Zündung bringt. Nunmehr entfällt der größte Teil der Gesamtspannung
auf eiirre weitere Teilstrecke. Auf diese- Weiise lassen stich nacheinander sehr
zahlreiche Teilstrecken zünden. Die Ohmsche Spannungstei.lung ig kann beiisipielisweiise
durch halb leiroeindie Widerstände. vorgenommen werden. Auch die Spannungsteilung
ig kann allein zu einer ungleichmäßigen Spannungsteilung bei hochfrequenten oder
Stoßspannungen verwendet werden. Dies läßt sich beiispielis:weiiis-e durch Einschalten
von frequenzabhängigen Widerständen vornehmen.
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Wird bei der Erfindung eine Gasströmung angewendet, so läßt sich diese
wie bei kompressorlosen Druckgaisschialtern aus festen Stoffen dprdhd!en Lchtbogen
herstellen. Dabei kann eine Hauptstrecke zur Erzeugung des Gases für eine oder mehirere
Hilfsstrecken verwendet werden, oder es wird umgekehrt verfahren. Die Beblasung
läßt sich in einer geschlossenen Kammer oder auch zwischen frei angeordneten Elektroden
vornehmen.