.Anordnung zum Schutz von Kondensatoren Die Erfindung bezieht sich
auf elektrische Anlagen, bei denen eine Kapazität an ein Wechselstromnetz angeschlossen
ist. Fig. z zeigt die Grundschaltung, bei der eine Kapazität C über eine Induktivität
L und einen Schalter S an ein Wechselstromnetz angeschlossen ist. Beim Abschalten
der Kapazität durch den Schalter S kann es vorkommen, daß sich die Spannung nach
und nach zu Werten aufschaukelt bzw. aufschwingt, die größer sind als die Netzspannung.
In dem Diagramm der Fig. 2 ist dieser an sich bekannte Vorgang dargestellt. Es bedeutet
in dem Diagramm U,Z die Spannung des Netzes, U, die Spannung an der Kapazität C,
U, die Spannung an dem Schalter. Der Kondensator wird zunächst auf die Netzspannung
Uo bzw. die Kondensatorspannung U" aufgeladen. Nimmt man an, daß der Schalter etwa
im Maximum der nächsten negativen Halbwelle der Netzspannung rückzündet, so schaltet
der Schalter bei der Spannung U,1". Die Spannung schwingt bis auf einen Wert, der
um U,2' größer ist als der Höchstwert der Netzspannung. Der Kondensator lädt sich
auf die Spannung U ,
auf. Bei der nächsten Rückzündung ist die
Schalterspannung U"". Die Spannung schwingt bei diesem Schaltvorgang auf einen Wert,
der um Us3' den Höchstwert der Netzspannung U, überschreitet. Der Kondensator wird
jetzt auf einen Spannungswert U" aufgeladen. In dieser Weise steigt die Spannung
allmählich an und kann je nach der Zahl der Rückzündungen Werte annehmen, die sehr
viel größer sind als .die Netzspannung. Das Maß der Spannungszunahme bei den einzelnen
Rückzündangen
.hängt dabei sehr wesentlich von der Dähnp-. fang
des Einschwingnngsvorganges ab. Bei geringer Dämpfung und mehrere Halbwellen dauerndem
Abschaltvorgang können sehr hohe Spannungen am Kondensator und am Schalter entstehen..Arrangement for protecting capacitors. The invention relates to electrical systems in which a capacitor is connected to an alternating current network. FIG. Z shows the basic circuit in which a capacitance C is connected to an alternating current network via an inductance L and a switch S. When the capacitance is switched off by the switch S it can happen that the voltage gradually builds up or swings up to values that are greater than the mains voltage. This known process is shown in the diagram in FIG. 2. In the diagram U, Z it means the voltage of the network, U, the voltage across the capacitance C, U, the voltage across the switch. The capacitor is first charged to the mains voltage Uo or the capacitor voltage U ". Assuming that the switch re-ignites approximately at the maximum of the next negative half-cycle of the mains voltage, the switch switches at the voltage U, 1". The voltage oscillates up to a value that is U, 2 'greater than the maximum value of the mains voltage. The capacitor charges to the voltage U on. With the next backfire, the switch voltage is U "". During this switching process, the voltage oscillates to a value that exceeds the maximum value of the mains voltage U by Us3 '. The capacitor is now charged to a voltage value U ". In this way, the voltage rises gradually and, depending on the number of reignitions, can assume values that are much greater than the mains voltage. The extent of the voltage increase in the individual reignitions This is very much dependent on the damping of the transient process.With low damping and a shutdown process lasting several half-waves, very high voltages can arise on the capacitor and on the switch.
Diese beim Schalten von Kapazitäten auftretenden überspannungen werden
gemäß der Erfindung dadurch vermieden, daß eine Entladeeinrichtüng vorgesehen wird,
die so bemessen ist, daß die Kondensatorspannung innerhalb einer Halbwelle der Netzfrequenz
von der Spannung 2 U, (o,5 + a) auf, weniger als U, abgesenkt wird. a bedeutet dabei-
das Verhältnis von zwei aufeinanderfolgenden Amplituden .des Einschwingungsvörganges.
Die bisher schon üblichen Entladewiderstä'nde oder Entladewandler, welche dauernd
zu dem Kondensator parallel geschaltet sind, reichen für diesen Zweck nicht aus,
:da sie mit Rücksicht auf geringe Dauerverluste bzw. kleine Typenleistung der Wandler
einen viel zu großen Widerstand besitzen. An sich wäre es möglich, einen rein Ohmschen
Widerstand zu verwenden, der der angegebenen Bemessungsvorschrift entspricht. Ein
solcher Widerstand würde jedoch bei dauernder Einschaltung Verluste bedingen, deren
Größe der kapazitiven Leistung des Kondensators gleichkommt. Dieser Schwierigkeit
wird gemäß der Erfindung dadurch begegnet, (daß die Entla@deeinrichtung erst beim
Abschaltvorgang wirksam wird, während im normalen Betrieb entweder gar keine Entladung
oder nur eine geringe nicht störende Entladung vorhanden ist. Gemäß der Erfindung
wird zu dem Zweck zu dem Kondensator ein Widerstand parallel geschaltet, mit dem
eine Funkenstrecke in Reihe geschaltet ist. Diese Schaltung ist- in Fig. 3 dargestellt.
Die Funkenstrecke wird so eingestellt, daß sie bei Spannungen bis zum Wert UO (Fig.
2) noch nicht anspricht, daß sie dagegen bei Spannungen unterhalb des Wertes 2 UO
(ö,5 -1- a); d. h. bei Werten, wie sie in der zweiten Halbwelle des Abschaltvorganges
(Fig. 2) auftreten können, sicher anspricht. Der Ohrnsche Widerstand hat einen solchen
Wert, daß innerhalb einer Halbwelle die Kondensatorspannung auf U, oder weniger
abgesenkt wird. Das Diagramm der Fig. q. zeigt den Spannungsverlauf am Kondensator
bei Anwendung des erfindungsgemäßen Parallelstromkreises. Für die Funkenstrecke
werden zweckm:älßig Kohleelektroden öder Graphitelektroden verwendet, weil diese
auch bei hohen Stromstärken und verhältnismäßig langer Dauer des Entladevorganges
(zio bis 30 ursec) keinen merklichen Abbrand und keine Schmelzperlen- zeigen.
Eine Löschung des Licht-Bogens durch -die Funkenstrecke ist nicht erforderlich,
da beim Abschaltvorgang der Strom von selbst erlischt, wenn,der Kondensator entladen
ist. Sollte während des Betriebes die Funkenstrecke durch Überspannungen durchschlagen
wenden, so wird zweckmäßig der Leistungsschalter durch ein entsprechend eingestelltes
überstromrelais ausgelöst. Ein solches Überstromrelais kann auch in den Entladestromkreis
gelegt werden.These overvoltages occurring when switching capacities are avoided according to the invention that a discharge device is provided which is dimensioned so that the capacitor voltage within a half cycle of the mains frequency of the voltage 2 U, (o, 5 + a) to less than U, is lowered. a means the ratio of two successive amplitudes of the oscillation process. The previously common discharge resistors or discharge converters, which are permanently connected in parallel with the capacitor, are not sufficient for this purpose: because they have a resistance that is far too high with regard to low continuous losses or low type power of the converters. As such, it would be possible to use a purely ohmic resistor that corresponds to the specified design specification. However, if switched on continuously, such a resistance would cause losses whose size equals the capacitive power of the capacitor. According to the invention, this difficulty is countered by the fact that the discharge device only becomes effective during the switch-off process, while in normal operation there is either no discharge at all or only a small, non-disruptive discharge. According to the invention, a Resistance connected in parallel with which a spark gap is connected in series.This circuit is shown in Fig. 3. The spark gap is set in such a way that it does not yet respond to voltages up to the value UO (Fig. 2), but that it responds to Voltages below the value 2 UO (δ, 5 -1- a), ie at values such as can occur in the second half-wave of the switch-off process (FIG. 2), the Ohrn resistance has such a value that within one Half-cycle the capacitor voltage is lowered to U, or less. The diagram in Fig. Q shows the voltage curve on the capacitor when using the parallel circuit according to the invention For the spark gap, it is advisable to use carbon electrodes or graphite electrodes, because even with high currents and a relatively long discharge process (10 to 30 ursec) they do not show any noticeable burn-up and no melting pearls. It is not necessary to extinguish the arc of light through the spark gap, as the current goes out automatically when the capacitor is switched off when the capacitor is discharged. If the spark gap should break down during operation due to overvoltages, the circuit breaker is expediently triggered by an appropriately set overcurrent relay. Such an overcurrent relay can also be placed in the discharge circuit.
An Stelle des Ohmschen Widerstandes kann zum Zweck der raschen Entladung
der Kapazität auch eine Drosselspule parallel geschaltet werden. Diese Drosselspule
ist so zu bemessen, daß sie im normalen Betrieb nicht zu viel Blindleistung aufnimmt,
weil dadurch ein gleich großer Teil der kapaiitiven Leistung des Kondensators verlorengehen
würde. Erfindungsgemäß wird die Drosselspule so bemessen, daß sie bei der Netzspannung
nur einen geringen Magnetisierungsstrom, also eine geringe Blindleistung, aufnimmt,
daß sie aber bei höheren Spannungen in das Sättigungsgebiet gelangt, so daß der
Magnetisierungsstrom ein Vielfaches der Nennstromstärke annimmt. Eine Schaltung
mit einer zu dem Kondensator parallel geschalteten. Drosselspule ist in Fig. 5 dargestellt.Instead of the ohmic resistance can be used for the purpose of rapid discharge
the capacitance can also be connected in parallel with a choke coil. This reactor
is to be dimensioned in such a way that it does not consume too much reactive power during normal operation,
because as a result, an equal part of the capacitive power of the capacitor is lost
would. According to the invention, the choke coil is dimensioned so that it is at the mains voltage
only consumes a low magnetizing current, i.e. a low reactive power,
but that at higher voltages it reaches the saturation area, so that the
Magnetizing current assumes a multiple of the nominal current strength. A circuit
with one connected in parallel to the capacitor. Choke coil is shown in FIG.
In Fig. 6 ist der Entladevorgang im Diagramm dargestellt, wobei mit
JE, der Entladestrom der Drosselspule bezeichnet ist. Dieser Strom steigt schon
in der ersten Halbwelle nach Öffnung des Schalters über seinen Dauerwert an und
senkt .dabei die Kondensatorspannung U, etwas ab. Trotzdem wird im allgemeinen noch
eine Rückzündung auftreten. Die dann an der Entladedrossel liegende Spannung im
Wert 2 Uo bis 3 UO bewirkt eine schnelle Ummagnetisierung, so daß bei richtiger
Bemessung des magnetischen Kreises und der Luftinduktivität der Drosselspule der
Entladestrom imstande ist, den Kondensator noch innerhalb einer Halbwelle praktisch
zu entladen. Für die Drosselspule wird vorteilhaft eine Eisensorte mit besonders
scharfem Magnetisierungsknick verwendet. Die Entladung verläuft nach einer stark
gedämpften Schwingung; wobei die Ohmschen Verluste der Wicklung oder die Verluste
in einem vorgeschalteten Widerstand oder die Wirbelstromverluste im Eisenkreis der
Drossel spüle so groß gemacht werden müssen; daß die nächste Amplitude der Kondensatorspannung
kleiner als UO ist und weitere Rückzündung nicht mehr zu befürchten ist.In Fig. 6, the discharge process is shown in the diagram, with
JE, which denotes the discharge current of the choke coil. This current is already rising
in the first half-wave after opening the switch over its permanent value on and
lowers the capacitor voltage U, a little. Even so, in general it is still
a flashback may occur. The voltage then applied to the discharge choke in
Value 2 Uo to 3 UO causes a quick magnetization reversal, so that with correct
Dimensioning of the magnetic circuit and the air inductance of the reactor
Discharge current is able to keep the capacitor practically within a half-cycle
to discharge. A type of iron with special is advantageous for the choke coil
sharp magnetization kink is used. The discharge is strong after a
damped oscillation; where the ohmic losses of the winding or the losses
in an upstream resistor or the eddy current losses in the iron circuit of the
Choke sink need to be made so large; that the next amplitude of the capacitor voltage
is smaller than UO and further flashback is no longer to be feared.
Die Drosselspule ist so bemessen; daß sie im gesättigten Zustand eine
möglichst kleine Induktivität hat. Am besten würde dieser Forderung ein Ringkern
mit ringförmiger Bewicklung entsprechen. Eine solche Drosselspule ist jedoch verhältnismäßig
schwer herzustellen, insbesondere bei hohen Spannungen. Man wird daher einen quadratischen
Kern anwenden und die Wicklungen auf diesem: Kern entsprechend Fig. 7 anordnen.
Auf jedem der vier Schenkel sitzt ein Wicklungsteil, und außerdem sind die Wicklungen
durch Metallschirme aus elektrisch gut leitendem Werkstöff, beispielsweise Aluminiumschirme,
abgeschirmt, um die Induktivität im gesättigten Zustand der Drosselspule klein zu
halten. Bei einer dreiphasigen Drosselspule würde eine Anordnung zu wählen sein,
wie sie in Fig. 8 dargestellt ist: Auch hier sind Abschirmbleche Sch für
die Wicklungen vorgesehen.The choke coil is sized; that it has as small an inductance as possible in the saturated state. A toroidal core with an annular winding would best meet this requirement. However, such a choke coil is relatively difficult to manufacture, especially at high voltages. You will therefore use a square core and arrange the windings on this: core according to FIG. A winding part sits on each of the four legs, and the windings are also shielded by metal shields made of a material with good electrical conductivity, for example aluminum shields, in order to keep the inductance low in the saturated state of the choke coil. In the case of a three-phase choke coil, an arrangement would have to be selected as shown in FIG. 8: Here, too, shielding plates Sch are provided for the windings.
Die Entladedrosselspule'kann auch parallel zu der zu schaltenden Kapazität
und der mit dieser in Reihe geschalteten Induktivität liegen, wie dies in Fig. g
dargestellt ist.The discharge choke coil can also be parallel to the capacitance to be switched
and the inductance connected in series with this, as shown in FIG
is shown.
Der Entladestromkreis bzw. Entladewiderstand für die zu schaltende
Kapazität kann durch einen Hilfsschalter eingeschaltet werden, der geschlossen
wird,
bevor der Leistungsschalter seine Kontakte öffnet. Dieser Hilfsschalter ist mit
dem Hauptschalter so zu koppeln, daß er entweder kurz vor oder zumindest gleichzeitig
mit der Betätigung des Hauptschalters geschlossen wird. Bei Druckluftschaltern kann
man den Hilfsschalter beispielsweise durch den gleichen Druckluftimpuls betätigen,
der auch die Abschaltung des Hauptschalters bewirkt. In diesem Fall wird stets der
Hilfsschalter vordem Hauptschalter geschlossen werden. Eine andere Möglichkeit der
Kopplung zwischen dem Abschaltvorgang des Hauptschalters und dem Schließvorgang
des Widerstandsstromkreises besteht darin, daß .der Widerstandsstromkreis an einen
Kontakt angeschlossen wird, der nicht mechanisch mit dem Hauptschalter verbunden
ist, der aber so angeordnet ist, daß beim Ziehen des Lichtbogens an den Kontaktendes
Hauptschalters eine Verbindung zwischen dem Widerstandsstromkreis und demjenigen
Kontakt des Hauptschalters hergestellt wird, der mit dem Kondensator verbunden ist.
Der Hilfskontakt kann beispielsweise als Ring ausgebildet sein, der einen Schaltstift
des Hauptschalters umschließt, mit ihm aber nicht in mechanischer Berührung steht.
Beim öffnender Kontakte des Hauptschalters geht der Lichtbogen auf den ringförmigen
Hilfskontakt über und schließt so den Entladestromkreis für den Kondensator.The discharge circuit or discharge resistance for the to be switched
Capacitance can be switched on by an auxiliary switch that is closed
will,
before the circuit breaker opens its contacts. This auxiliary switch is with
to couple the main switch so that it is either shortly before or at least at the same time
is closed when the main switch is operated. With compressed air switches,
the auxiliary switch is operated, for example, with the same compressed air pulse,
which also switches off the main switch. In this case, the
Auxiliary switch must be closed before the main switch. Another way of
Coupling between the switch-off process of the main switch and the closing process
of the resistance circuit consists in the fact that the resistance circuit is connected to a
Contact is connected that is not mechanically connected to the main switch
is, but is arranged so that when the arc is drawn to the contact end
Main switch establishes a connection between the resistance circuit and the one
Contact of the main switch is made, which is connected to the capacitor.
The auxiliary contact can be designed, for example, as a ring that has a switching pin
of the main switch, but not in mechanical contact with it.
When the contacts of the main switch open, the arc goes to the ring-shaped one
Auxiliary contact over and thus closes the discharge circuit for the capacitor.