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Schnellschalter, insbesondere für Quecksilber-Dampfgleichrichter oder
Kontaktumformer \uf allen Gebieten der Starkstrom- und Hochspannungstechnik benötigt
man Schnellschalter, um die Anlageteile vor den schwerwiegenden- Folgen von Überströmen
und Kurzschlüssen zu schützen bzw. tini deren Wirkungen soweit wie möglich zu beschränken.
`'on besonderer Bedeutung sind dabei Scbtiellschalter beim Betrieb von Quecksilber-1>ainl>fgleicliriclitern
oderKontaktumformern. Jeder Otiecksillier-Dampfgleichrichter, aber auch jeder mechanische
Gleichrichter, z. B. der Kontaktumforiner, unterliegt der Gefahr gelegentlicher
Rückziindu ' rgen, d. 1i. die Sperrspannung schlägt durch, liebt die Ventilwirkung
des Stromrichters auf und l:ißt Strom in falscher Richtung in den Gleichstromkreis
eintreten. `Fenn solche Störungen nicht augenblicklich beseitigt werden, gerät der
Stromricliter in Gefahr starker Beschädigung, die seinen Betriebsausfall zur Folge
haben kann. Bei Kontaktumformern sind Rückzündungen, wenn sie nicht augenblicklich
beseitigt und unschädlich gemacht werden, für die Kontakte von katastrophaler Wirkung.
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Für Quecksilber-Dampfgleichrichter benutzt man seit Jahren zum Schutz
gegen Rückzündungen den sogenannten Rückstromschnellschalter. Dieser wird in die
Kathodenleitung, also in die Gleichstromseite des Stromrichters eingebaut und öffnet
im Gefahrenmoment mit einer zeitlichen Verzögerung von etwa 2 bis 8 Millisekunden.
Zum Schutz für Quecksilber-Dampfgleichrichter hat sich diese Öffnungszeit als immerhin
ausreichend erwiesen.
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Aber auch mit dem Kathodenschnellschalter wird nicht die Betriebsstörung
beseitigt, die mit der Öffnung des Schnellschalters zwangsläufig einsetzt.
Man
hat zwar die automatische Wiedereinschaltung, so daß der Schnellschalter, nachdem
er die Rückzündung abgeschaltet hat, sofort wieder selbsttätig einschaltet, aber
auch diese stellt nur eine halbe Lösung des Problems dar, weil auch durch sie nicht
verhindert wird, daß für die Zeit der Ab-und Zuschaltung eine Lücke in der Stromlieferung
eintritt. Höchstens der Parallelbetrieb mehrerer Stromrichter bringt hierbei eine
befriedigende Lösung, indem kurzzeitig die Betriebslast des ausfallenden Stromrichters
von den übrigen parallel geschalteten übernommen wird.
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Man kommt aber dem Ziel einen wesentlichen Schritt näher, wenn man,
anstatt einen Schnellschalter in die Kathodenleitung einzubauen, in jede Anodenleitung
des Stromrichters einen Schnellschalter legt. Man erreicht auf diese Weise, daß
nur die rückzündende, kranke Anode jeweils kurzzeitig außer Betrieb gesetzt wird,
während die übrigen gesunden Anoden des Stromrichters inzwischen weiterarbeiten
und also der Betrieb des Stromrichters als Ganzes, wenn auch etwas hinkend, weitergeht.
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Jeder dieser Anodenschnellscnalter braucht dann nicht für den vollen
Strom derKathode ausgelegt zu werden, sondern nur für den Effektivstrom einer Anode.
An einen Schnellschalter sind demnach die folgenden wesentlichen Anforderungen zu
stellen: In der Hauptsache soll der Anodenschnellschalter den Rückstrom seiner Anode
abschalten. Es dürfen dabei andere als die kranke Anode des Stromrichters nicht
mit abgeschaltet werden.
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Der Anodenschnellschalter soll gelegentlich auch als Kathodenschnellschalter
verwendbar sein, und er soll als solcher dann vornehmlich zur Abschaltung von Vorwärtsüberströmen
Verwendung finden.
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Befindet sich in einer Anlage neben den Anodenschnellschaltern auch
ein Kathodertschnellschalter am Stromrichter, so soll die Aufgabe der Vorwärtsüberstromabschaltung
dem Kathodenschnellschalter allein zufallen.
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Nach jeder Rückstromabschaltung soll die Wiedereinschaltung des Schnellschalters
automatisch erfolgen, dagegen darf nach einer Vorwärtsüberstromahschaltung die Wiedereinschaltung
nicht automatisch erfolgen, weil sonst ein Pumpen des Schalters die Folge sein kann.
Bei Vorwärtsüberstroniabschaltung hat also die Wiedereinschaltung nach Beseitigung
der Störungsursache durch den Wärter zu erfolgen. Die Aufgabenstellung verlangt
also, (laß der zu entwickelnde Schnellschalter beide Atislöseeigenschaften, nämlich
a) Auslösung bei Rückstrom, b) Aaslösung bei Vorwärtsüherstrom besitzt.
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Die Auslösung durch Vorwärtsüberstrom muß bei Verwendung als Anodenschnellschalter
ausgesetzt werden können, wenn gleichzeitig ein Kathodenschnellschalter vorhanden
ist, der diese Aufhabe übernimmt.
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Die Aussetzung der Auslösung durch Vorwärtsüberstrom beim Anodenschnellschalter
kann auch dadurch bewerkstelligt werden, daß der Vorwärts-@renzstrom des Anodenschnellschalters
höher liegt als der äquivalente -,#'orw-ärtsgrenzstroin des Kathodenschnellschalters,
daß also Selektivität in der Vorwärtsgrenzstromlage beider Schalter besteht.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß auf den Schalthebel
außer einem überstrommagneten und einem Auslösemagneten noch ein Haltemagnet einwirkt.
Der Anker des Haltemagneten ist über eine Feder von so steiler Charakteristik m!it
dem Schalthebel verbunden, daß bei der Offnungsbewegung des Schalthebels der Anker,
auch ohne daß der Haltemagnet entregt zu sein braucht, von seinen Polflächen abgerissen
wird. Der Auslösemagnet besitzt ein Streujoch, dessen Magnetfluß sich dem Haltefluß
derart überlagert, daß er den Haltefluß bei Vorwärtsstrom unterstützt, bei Rückstrom
aber schwächt.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch
dargestellt, und zwar zeigt Fig. i den prinzipiellen Aufbau des Schalters im Aufriß,
' Fig. 2 im Grundriß, in Fig. 3 ist die Schaltung der automatischen Steuerung der
Wiedereinschaltung des Schnellschalters dargestellt.
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Zur Erläuterung der Fig. i und 2 wird folgendes bemerkt: Der Schalthebel
i legt sich starr an seinen Gegenkontakt 2 an. Den Kontaktdruck vermittelt der Haltemagnet
3, der Tiber seinen Anker 4 und die Kontakt.druckfeder 5 auf den Schalthebel wirkt.
Der Hebel schwingt bei der Ein- und Aus-Bewegung um die Schneide 6. Die Rückzugsfeder
7 sichert die Endstellung des Hebels in derAus-Lage.
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Das Auslösesystem besteht aus zwei Magneten 8 und 9, die mit ihren
Polflächen sich in einem Abstand von etwa 3 ihm gegenüberstehen, wenn die Dicke
des Ankers io, der zwischen den Polflächen der Magnete liegt, in Abzug gebracht
wird. Der Magnet 8 wird der überstrommagnet genannt, der Magnet 9 der Auslösemagnet.
Die Erregung des Überstrommagneten 8 erfolgt durch mehrere Hauptstromwindungen,
von denen eine durch den Schalthebel gebildet wird, der durch die Halsöffnung des
Überstrommagneten hindurch gelegt ist.
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Die Erregung des Auslösemagneten besorgt eine Gleichstromwicklung
12, die an eine konstante Gleichspannung gelegt wird. Außerdem besitzt der Auslösemagnet
das Streujoch 13, um das eine einzige Windung 14 des Hauptstromes gelegt ist.
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Der Verlauf des Hauptstromes ist folgender: An der Blasspu'le 15 tritt
der Strom in den Schalter ein und nimmt dann seinen Weg über den festen Kontakt
2 Tiber den Schalthebel i, über das flexible Band 16, über die Wicklung i 1 des
Überstrommagneten und schließlich Tiber die Stromnadel 14.
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Betriebsmäßig wird der Anker' fg%' an den Polflächen des Auslösemagneten
i: gegep die Wirkung der Federn 17 festgehalten.
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Der Magnetfluß des Streujoches 13 überlagert sich dem Haltefluß des
Auslösemagneten 9 in der Weise, daß er den Haltefluß bei Vorwärtsstrom unterstützt,
bei Rückstrom aber schwächt.
Der Fluß des Pberstro ininagneten
8 wirkt sowohl bei Vorwärtsstrom als auch bei Rückstrom anzielend auf den Anker.
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Die gegenseitige Wirkung der magnetischen Kräfte und der Federkraft
auf den Anker to hat zur Folge, daß der .Anker schon bei kleinerem Rückstrom gegen
die Polfläche des Überstrominagneten 8 angezogen wird, während dasselbe erst ]>ei
einem wesentlich höheren Vorwärtsstrom eintritt. ]',ei Rückstrom wirkt nur die Haltekraft
der Gleiclistromspnle in Ein-Richtung beschleunigend auf den Anker, während alle
anderen Kräfte, nämlich der Fluß des Streujoches 13, die Federkraft 7 und der Fluß
des überstrommagneten 8 den Anker in :\tis-Richtung beschleunigen.
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Hei Vorwärtsstrom dagegen zieht der Fluß des Streujoches
13 und die Haltekraft det Gleichstromwicklung 12 den Anker in Ein-Richtung,
und der Vorwärtsstrom muß erst auf eine erhebliche Überstromstärke anwachsen, bevor
die Zugkraft des Überstro inmagneten die entgegenwirkenden Kräfte am :laker zu überwinden
vermag.
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Nach der :\tislösung schlägt der Anker io auf seinem Wen gegen die
Polflächen des Überstrominagneten 8 nach etwa i inm Anlauf auf den Schaltliebel
i und öffnet den Kontakt. Der Hebel i bewegt sich dabei gegen die auf seine Aus-Bewegung
\-erzögernd wirkende Haltekraft des Haltemagneten 3, indem die Feder 5 dabei weiter
gespannt wird. Deren Federungscharakteristik ist steil, so daß bei der Aus-Bewegung
des Schaltlteliels eine so starke Gegenkraft am Halteanker 4 erzeugt wird, daß dieser,
auch ohne daß der Halteniagnet 3 entregt zu werden braucht, von seinen Polflächen
abgerissen wird. Die potentielle Energie, die in (lern Anker 4 durch die Spannkraft
der Feder 5 aufgespeichert wird, geht schließlich nach dein :11)fall des Ankers
4 ebenfalls auf den Schalthebel i über und beschleunigt diesen zusätzlich in Ans-hichtung.
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Die Wiedercinschaltung erfolgt, indem der Haltemagnet 3 und der Auslösern
riet 9 kurzzeitig übererregt werden. Dabei zieht der Haltemagnet 3 den Sclialtlrelwl
i in die Ein-Stellung zurück, während der Auslösemagnet 9 den Schlaganker, heranholt.
Der Reihenfolge nach wird zuerst der Auslö seinagnet erregt und der Schlaganker
wieder Herangeholt, dann erst wird der Haltemagnet erregt und der Hebel in Ein-Stellung
gebracht. Durch diese Alaßnalinre wird- Freiauslösung erreicht, wenn die I:iiisclialtutig
auf einen Überstrom erfolgte, Il.li. der Schalter vermag sofort erneut auszuschalten,
wenn beim Auftreffen seiner Kontakte die Grenzstromlage überschritten sein sollte.
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Die Einschaltung des Schalters erfolgt, indem zuerst die Spannungswicklung
des Auslöseinagnetenlübererregt wird, wodurch der Schlaganker an die Polflächen
herangezogen wird und dann die Wicklung des Haltemagnetenjebenfalls übererregt wird,
wodurch dessen I-lalteanker mit dem Schaltlieliei in die Hctriebsstellung gezogen
wird. Diese :lufeitiatiderfolge beider Operationen ist notwendig, damit Freiauslösung
für den Schalter gewährleistet ist, falls die Einschaltung auf einen bestehenden
Kurzschluß erfolgen sollte. Bei der Schaltung in Fig. 3 sind dieselben Bezeichnungen
verwendet wie in Fig. t und 2, soweit es sich um dieselben Teile handelt. Der Schalthebel
i liegt an dem Gegenkontakt 2 an. Die Stromzuführung erfolgt über die Blasspute
15, dann über die Schalterkontakte 2, 1, über die flexible Zuleitung 16, die Spule
des Überstrommagneten 8 und dann über die Stromnadel 14. 3 ist die Spule des Haltemagneten,
12 die Spule des Aus.lösemagneten. 18 bzw. i9 sind Vorw,iderstände. Die Schaltung
enthält ferner Steuerkontakte 20, 21, die mit dem Schalthebel i mechanisch verbunden
sind. Entsprechende Steuerkontakte 22 bzw. 23 sind weiteren Schalthebeln zugeordnet,
die sich in den beiden anderen Phasen befinden. 24, 25, 26 sind Einschaltschütze,
von denen das erstgenannte mit einer Abfallverzögerung versehen ist. 27 ist ein
Einschaltkontakt für das Schaltschütz 25. Mit 28 ist die Spannungsspule des Überstromkontrollgerätes,
mit 29 die Stromschiene zum Kontrollgerät bezeichnet. 30 ist ein Sperrmagnet
mit einem Anker 31 und einer Spule 32. Die gesamte Anordnung wird von einer Gleichstromquelle
über einen Schalter 33 gespeist. 34 ist ein Druckknopf, dessen Bedeutung später
erläutert wird. Die Anordnung wirkt wie folgt: Der Hauptstrom tritt in die Schalter
an der Blasspule 15 ein und nimmt dann seinen Weg über den Schaltkontakt 2 und den
Schalthebel i, über die Spule i 1 des Überstrommagneten, über die Stromnadel 14
zur Anode des Gleichrichters. Der Kathodenstrom wird dann über ein Rückst romkontrollgerät
geführt, wo diese Stromschiene 29 als Rückstromwindung für das polarisierte Rückstromrelais
mit den Erregerspulen 28 dient.
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Die Wicklung 12 des Auslösemagneten liegt an einer konstanten Gleichspannung,
.die von den im Schaltbild eingezeichneten Sammelschienen abgenommen wird. Der Erregerstrom
führt über den Vorwiderstand i9, der zwecks genauer Einstellung des Erregerstromes
regulierbar ist.
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In gleicher Weise erfolgt die Erregung der Wicklung 3 des Haltemagneten
mit dem regulierbaren Vorwiderstand 18 von den Sammelschienen aus.
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Mit dem Schalthebel werden zwei Hilfskontakte 20 und 21 betätigt.
Der Kontakt 20 steuert das Einschaltschütz 24; der Kontakt 21 steuert den Sperrmagneten
32. Die Steuerleitung vom Kontakt 21 zur Wicklung 32 des Sperrmagneten führt in
Reihenschaltung über die Kontakte 22 und 23. Das sind Kontakte der Anodenschalter
der beiden anderen Phasen, die an diesen Schaltern ;die gleiche Funktion erfüllen,
wie der Kontakt 21 am Anodensehalter der ersten Phase gemäß dem gezeichneten Schaltbild.
Es sind also jeweils soviel Kontakte analog dem Kontakt 21 in Reihe geschaltet,
wie der Stromrichter Anoden besitzt.
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Bezüglich des Rückstromkontrollgerätes genügt es, zu wissen, daß das
Kontrollgerät nur dann den Steuerkontakt 27 geschlossen hält, wenn seine Stromschiene
29 Rückstrom führt. Der Sperrmagnet 30 sorgt dafür, claß nach erfolgter Riickstromabsc'haltung,
also
auch noch dann, wenn kein Strom mehr über den Schalter fließt, der einmal geschlossene
Kontakt 27 geschlossen bleibt, solange .der Schalthebel des Hauptschalters sich
in Aus-Stellung befindet. Erst kurz vor der Ein-Stellung des Schalthebels wird die
Sperre wieder aufgehoben, nämlich dann, wenn der Erregerkreis der Spule 32, der
Tiber die Kontakte 21, 22 und 23 führt, wieder geschlossen ist. Nach Aufhebung der
Sperre kehrt der Anker des Rückstromkontrollgerätes in die in Fig. 3 gezeichnete
Lage zurück, und der Steuerkontakt 27 öffnet wieder.
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Der Abschaltvorgang eines Rückstromes und die nachfolgende Wiedereinschaltung
es Hauptschalters spielt sich in folgender Weise ab: Öffnet der Schalthebel i, so
öffnen auch die Steuerkontakte 2o und 21 gleichzeitig. Durch .die Öffnung des Steuerkontaktes
2o wird die Haltespule des Einschaltschützes 24 entregt. Das Schütz besitzt eine
Abfallverzögerung von etwa o,i bis 0,2 Sekunden. In dieser. Zeit hat der Schalter
den Rückstrom vollkommen gelöscht, so daß die .Wiedereinschaltung des Hauptschalters
erfolgen kann.
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Sobald das Schütz 24 seine Kontakte schließt, wird das Schütz 25 erregt,
zieht ohne Verzögerung an und schließt seine Kontakte. Mit dem Schluß der oberen
Kontakte des Schützes 25 erfolgt ein Kurzschließen des Vorwiderstandes i9 der.Wicklung
12 des Auslösemagneten, was einen erhöhten Erregerstrom zur Folge hat, so daß mit
der dadurch erzielten höheren Zugkraft des Magneten der Schlaganker, welcher nach
der Abschaltung des Rückstrohes an den Polflächen ,des Überstrommagneten liegt,
gegen die Polflächen des 'Auslösemagneten zurückgeholt wird, also in seine Betriebsstellung
zurückgeführt wird. Mit dem Schluß der unteren Kontakte des Schützes 25 erfolgt
die Erregung der Wicklung des Schützes 26, welches darauf unverzögert seine Kontakte
schließt. Der Schluß der Kontakte des Schützes 26 bewirkt einen Kurzschluß des Vorwiderstandes
iS der Spule 3 des Haltemagneten. Analog dem vorbeschriebenen Vorgang wird hier
der Erregerstrom des Haltemagneten erhöht und mit der gesteigerten Zugkraft desselben
der Halteanker mit dem mit ihm gekuppelten Schalthebel i wieder in die Betriebsstellung
gebracht und der Kontaktdruck erzeugt. Damit ist der Hauptschalter wieder eingeschaltet.
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Der Erregerkreis der Spule des Schützes 25 führt; wie das Schaltbild
ausweist, über den Steuerkontakt 27, und da dieser nach einerRückstromabschaltung
geschlossen ist, kann die oben beschriebene Wiedereinschaltung auch nur dann vor
sich gehen, wenn ihr eine Rückstromabschaltung vorangegangen war. Nach einer Vorwärtsstromabschalturkg
bleibt also der Wiedereinschaltvorgang hier stehen. Es erfolgte dann nur die Betätigung
des Schützes 24, die noch keine Wiedereinschaltung bringt.
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Auch nach erfolgter Löschung des Rückstromes bleibt, wie oben bereits
dargelegt wurde, der Steuerkontakt 27 geschlossen, so daß der Wiedereinschaltvorgang
ungestört vonstatten gehen kann. Während der Ein-Bewegung des Schalthebels i, kurz
vor seiner Betriebsstellung, schließen sieh die Steuerkontakte 20 und 21 wieder.
Durch den Wiederschluß des Kontaktes 2o erfolgt die Wiedererregung der Spule des
Schützes 24; dessen Anker zieht an und öffnet die Schützkontakte wieder. Dadurch
wird der Erregerkreis des Schützes 25 geöffnet; auch dessen Kontakte öffnen daraufhin,
wodurch schließlich auch die Spule des Schützes 26 entregt wird und auch dessen
Kontakte wieder öffnen.
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Durch die Wiederschließung des Steuerkontaktes 21 erfolgt auch die
Wiedererregung der Spule 32 des Sperrmagneten; die Sperre wird aufgehoben und der
Steuerkontakt 27 geöffnet.
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Damit ist dann der Wiedereinschaltvorgang beendet.
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Soll nach einer Vorwärtsstromabschaltung Wiedereinschaltung erfolgen,
so muß kurzzeitig der Druckknopf 34 von Hand betätigt werden. Der Druckknopf 34
ist ein Parallelkontakt zum Steuerkontakt 27, er erfüllt also dessen Funktion, die
nach der Riickstromabschaltung automatisch erfolgt.
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Soll der Anodenschalter oder beser ,gesagt, sollen alle Anodenschalter
außer Betrieb genommen, also abgeschaltet werden, so ist der Betätigungsschalter
33 zu öffnen.
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Die Wiedereinschaltung nach einer solchen Betriebsunterbrechung erfolgt
durch Schließen des Betätigungsschalters 33 und nachträgliche Betätigung des Druckknopfes
34.