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Anordnung zur Prüfung von Wedis eistromunterbrechern
Es sind Anordnungen
zur Überstromprüfung, vorzugsweise Kurzschlußprüfung von Wechselstromunterbrechern,
insbesondere Schaltern, Stromrichtern u. dgl., bekannt, bei denen der die Prüfschaltstelle
durchfließende Strom im wesentlichen von einer Stromquelle hoher Ergiebigkeit (Hauptstromquelle)
entnommen wird, während die nach der Stromunterbrechung auftretende Spannung durch
eine Stromquelle hoher Spannung (Hochspannungsquelle) geliefert wird, und bei denen
beide Stromquellen gleichzeitig über die Prüfschaltstelle geschlossen sind.
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Es ist erwünscht, daß beim Nulldurchgang und bei der Unterbrechung
des Stromes am Prüfling die Spannung der Hochspannungsquelle auftritt und daß kurz
vor dem Nulldurchgang des Stromes dieser den gleichen Verlauf besitzt, wie dies
bei der natürlichen Prüfung der Fall wäre. Damit die Hochspannung tatsächlich zur
Auswirkung kommt, muß der zuletzt fließende Strom von ihr geliefert werden. Nun
kann die Hochspannungsquelle nicht den sinusförmigen Strom normaler Frequenz und
hoher Spannung führen; denn dann wäre sie allein imstande, den Prüfling auf natürliche
Weise zu prüfen. Sie würde dabei den Aufwand erfordern, der durch die Prüfkunstschaltung
gerade vermieden werden soll. Aus diesem Grunde muß der Strom der Hochspannungsquelle
grundsätzlich anderen Verlauf besitzen als der Strom der Hochstromquelle. Bei Übereinanderlagerung
würden sie sich zu einem verzerrten Strom ergänzen. Die Erfindung beseitigt diesen
Mangel und besteht darin,
daß über die Prüfschaltstelle gleichzeitig
ein dritter dem Strom der Hochspannungsquelle angenähert entgegengesetzt gleicher
Strom (Gegenstrom) fließt. Hierdurch wird erreicht, daß an der Schaltstelle praktisch
nur der Strom der Hauptstromquelle wirksam ist. Dieser ergibt sich nun wie bei der
natürlichen Schalterprüfung als Klemmenkurzschlußstrom des Prüfgenerators. Er besitzt
einen sinusförmigen Verlauf und ist in seiner Höhe nur durch die Reaktanz des Kurzschluß
generators begrenzt. Der Verlauf des Hochspannungsstromes ist bei der erfindungsgemäßen
Prüfungsanordnung an sich bedeutungslos, da er ja an der Prüfschaltstelle gar nicht
zur Auswirkung kommt. Die Hochspannungsquelle darf infolgedessen nur im Hinblick
auf die Bereitstellung der Spannung im richtigen Augenblick ausgebildet werden.
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Eine besonders gute Übereinstimmung zwischen der erfindungsgemäßen
Prüfung und der natürlichen Prüfung wird erreicht, wenn kurz vor dem Nulldurchgang
die Augenblickswerte des Hauptstromes und des Hochspannungsstromes angenähert übereinstimmen,
insbesondere wenn beide Ströme gleichzeitig durch Null gehen. Werden nun kurz vor
dem Nulldurchgang des Stromes an der Prüfschaltstelle die Hauptstromquelle und die
Gegenstromquelle abgeschaltet, so daß beim Stromnulldurchgang die Prüfschaltstelle
nur den Strom der Hochspannungsquelle führt, so ist bis zum Nulldurchgang an der
Prüfschaltstelle ein Strom wirksam, der praktisch den gleichen Verlauf wie der Hauptstrom
besitzt; es tritt jedoch an der Prüfschaltstelle nach der Unterbrechung des Stromes
die Spannung der Hochspannungsquelle auf.
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Um eine Vervielfachung der Prüfleistung der Schaltstelle gegenüber
der aufgewandten Blindleistung der drei Stromquellen zu erreichen, müssen der Hochspannungsstrom
und der Gegenstrom außerhalb der Umgebung des Stromnulldurchganges wesentlich kleiner
sein als der Hauptstrom.
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Dies wird dann erreicht, wenn der Hochspannungsstrom und der Gegenstrom
eine höhere Frequenz als der Hauptstrom besitzen. Besonders zweckmäßig ist es nun,
wenn die Hochspannungsquelle eine Frequenz besitzt, die ein ungerades Vielfaches
der Frequenz der Hauptstromquelle ist.
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An Hand der Zeichnung wird die Erfindung noch näher erläutert.
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Fig. I zeigt die Prinzipschaltung der Prüfanordnung. Dabei bedeutet
I die Hauptstromquelle, 2 die Hochspannungsstromquelle, 3 die Prüfschaltstelle,
4 das Schaltglied zur Abtrennung der Hauptstromquelle von dem Prüfling und 5 die
Gegenstromquelle. Das Schaltglied 4 kann sowohl als ein mechanischer, gegebenenfalls
sich periodisch öffnender und schließender Schalter ausgeführt werden, kann aber
auch durch eine gesättigte Drossel gebildet werden.
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Fig. 2 zeigt den Verlauf der Ströme und der Wiederkehrspannung beim
Prüfvorgang. Dabei bedeutet I I den Hauptstrom, I2 den Hochspannungsstrom, der z.
B. die fünffache Frequenz des Hauptstromes besitzt. 14 ist der Strom an der Hilfsschaltstelle
4, der durch Überlagerung des mit dem Hochspannungsstrom entgegengesetzt gleichen
Stromes der Gegenstromquelle 5 entsteht. Dieser Strom möge im Zeitpunkt 24 einen
Nulldurchgang besitzen und bei diesem Nulldurchgang unterbrochen werden. Der Strom
I3 der Prüfschaltstelle 3 entspricht also dem Strom II bis zur Unterbrechung des
Stromes 14 und von dann ab bis zu seiner Unterbrechung im Zeitpunkt 22 dem Hochspannungsstrom
I2. Da der Hauptstrom II und Hochspannungsstrom 12 im Zeitabschnitt 24-22 fast gleich
verlaufen ist, entspricht der Strom der Prüfschaltstelle in seinem Verlauf, abgesehen
von einem beliebig klein zu haltenden Knick bei 24, dem Hauptstrom. Bei der Unterbrechung
des Hochspannungsstromes durch die Prüfschaltstelle tritt an dieser die Hochspannung
mit der der natürlichen Beanspruchung entsprechenden Wiederkehrschwingung 32 auf.
Nach dem Zeitpunkt 22 fließt nur noch ein Reststrom 15 in dem durch die Haupstromquelle
und die Hilfsstromquelle gebildeten Stromkreis.
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Die Verwendung einer Frequenz, die ein ungerades Vielfaches der Hauptstromfrequenz
für die Hochspannungsquelle besitzt, hat den Vorzug, daß die gegenseitige Lage des
H3uptstromes und Hochspannungsstromes bei jedem Nulldurchgang erhalten bleibt. Eine
zeitliche Verschiebung beider Ströme wird am besten dadurch vermieden, daß beide
Stromquellen als Generatoren ausgebildet und zwangläufig miteinander gekuppelt sind,
z. B. indem beide Rotoren auf gleicher Welle sitzen.
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Natürlich muß auch die Gegenstromquelle mit der Hochspannungsquelle
synchronisiert sein, z. B. indem der Hochfrequenzgenerator zwei Wicklungen aufweist,
wobei eine als Hochspannungsquelle und die andere als Gegenstromquelle dient. Es
ist auch möglich, den Hochspannungsgenerator mit dem Hauptstromgenerator räumlich
zu vereinigen, indem in dem Hauptstromgenerator eine zusätzliche Wicklung geringer
Polteilung vorgesehen ist, in der sich die induzierten Grundwellenspannungen aufheben,
jedoch die durch eine Oberwelle der Feldkurve induzierte höhere Harmonische ausbilden
kann.
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Bei allen diesen Anordnungen ist es zweckmäßig, die Abschaltleistungen,
d. h. das Produkt Kurzschlußstrom X Wiederkehrspannung der Hauptstromquelle und
der Hochspannungsquelle angenähert gleichzuhalten. Unter dieser Voraussetzung wird
die Vervielfachung der Spannungsbeanspruchung gleich dem Verhältnis der Frequenzen
beider Stromquellen. Steht nur ein Stromerzeuger der Grundfrequenz zur Verfügung,
so kann die Hochspannungsquelle auch als ein elektrostatischer Stoßgenerator ausgebildet
werden, der jedoch periodisch abgestimmt werden muß, um die Übereinstimmung beider
Stromkurven beim Nulldurchgang sicherzustellen. Fig. 3 zeigt den Verlauf der Ströme
in einer solchen Anordnung, wobei die Bezeichnungen denen der Fig. 2 entsprechen.
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Ferner kann die Hauptstromquelle selbst zur Erzeugung des Hochspannungsstromes
herangezogen
werden, z. B. indem sie auf einen Schwingungskreis
arbeitet, der gesättigte und gegebenenfalls vormagnetisierte Eisendrosseln aufweist.
Derartige Schwingungskreise unterscheiden sich von den eisenfreien Kreisen dadurch,
daß in ihnen zwei Schwingungszustände unterschieden werden können, je nachdem ob
die darin enthaltene Eisendrossel gesättigt oder ungesättigt ist. Dem gesättigten
Zustand entsprechen hohe, dem ungesättigten Zustand niedrige Frequenzen. Sind mehrere
Eisendrosseln vorhanden, so bleibt diese Unterscheidung zweier Zustände dann aufrechterhalten,
wenn alle Drosseln den Übergang von einem Zustand in den anderen gleichzeitig durchführen,
andernfalls müssen mehrere Schwingungszustände unterschieden werden. Ein derartiger
Schwingungskreis ist in Fig. 4 dargestellt. Dabei bedeutet 6 den Generator mit einer
inneren Induktivität, 7 einen Kondensator, 8 die mit diesem in Reihe liegende Induktivität;
g stellt die Eisendrossel dar, der eine zusätzliche Induktivität vorgeschaltet sein
kann. Die Fluß-Erregungs-Kennlinie der Anordnung g ergibt Fig. 5. In der Senkrechten
ist der Fluß, in der Waagerechten die zugehörige Erregung aufgetragen. Eine derartige
Kennlinie läßt sich durch zwei gleichstromvormagnetisierte, in Reihe liegende Drosselspulen
erreichen. Der Mittelbereich zwischen den Punkten o und a entspricht der Sättigung
einer Spule, zwischen a und b der Entsättigung beider Spulen und der Ast über b
hinaus der Sättigung beider Spulen.
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Fig. 6 zeigt nun einen beispielsweisen Verlauf des Stromes I7 in
dem Kondensator. Die Spannung am Kondensator, die als wiederkehrende Spannung an
der Prüfschaltstelle erscheint, entspricht 37. Der Strom I9 fließt in der Drosselspule
9. Durch geeignete Bemessung der Konstanten lassen sich diese Größen in ihrem Verlauf
sehr stark beeinflussen.
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Für ihre Eigenart wesentlich ist es jedoch, daß sie jeweils aus Stücken
der Grundwellenschwingung bestehen, denen Stücke der freien Schwingungen überlagert
sind, die jedoch keine ganzzahligen Oberwellen der Grundschwingung sind. Als Hochspannungsstrom
kann nun in der Schaltung nach Fig. I sowohl der Kondensatorstrom I7 wie der Drosselstrom
19 verwendet werden.
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Die Gegenstromquelle kann genau gleich der Hochspannungsquelle ausgebildet
und gegensinnig mit ihr angeordnet werden. Dann besteht die Gewißheit, daß die Ströme
beider Quellen einander gleichbleiben, sofern die Lichtbogenspannung an der Prüfschaltstelle
keine hohen Werte annimmt.
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Dabei ist jedoch der große Aufwand für die Gegenstromquelle nachteilig.
Es ist ausreichend, die Gegenstromquelle zwar gleichartig mit der Hochspannungsquelle
auszubilden, jedoch für geringere Spannung und in gleichem Maße mit geringer innerer
Induktivität auszulegen. Dies ist z. B. dann der Fall, wenn beide Quellen ungleiche
Teile derselben Transformatorwicklung sind. Eine derartige Anordnung zeigt Fig.
7. Darin bedeutet 10 den Hochfrequenzgenerator, der die beiden Wicklungen, nämlich
die Hochspannungswicklung 2 und die Gegenstromwicklung 5, speist. Sind beide Stromquellen
voneinander unabhängig, so können sie durch einen Transformator mit Ubersetzungsverhältnis
1 : 1 und entgegengesetztem Wicklungssinn beider Wicklungen zum Führen gleicher
Ströme gezwungen werden. Ferner kann dieser Transformator selbst dazu benutzt werden,
um die Energie in den Gegenstromkreis zu liefern, wie Fig. 8 zeigt, worin 25 der
betreffende Transformator ist.
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Schließlich besteht die Möglichkeit, die Gegenstromquelle durch einen
auf die Frequenz der Hochspannungsquelle abgestimmten Schwingungskreis zu ersetzen,
der durch einen Kuppeltransformator 25 zum Führen gleichen Stromes wie die Hochspannungsquelle
gezwungen wird. Diese Anordnung zeigt Fig. 9, wobei 26 der Kondensator und 27 die
Induktivität des Schwingungskreises sind. Durch diese Anordnung wird der Hochspannungskreis
von der Blindleistungslieferung in den Gegenstromkreis entlastet. Er dient nur zur
Anregung des Gegenstromkreises.