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Schnellkurzschließer für Kontaktumformer Bekanntlich sind die Kontakte
von Kontaktumformern (mechanischen Stromrichtern) infolge ihrer funktionstechnisch
bedingten schwachen Bemessung gegen Fehlerströme (Rückzündungen und starke Überströme)
gefährdet und müssen daher gegen solche Fehlerströme besonders sorgfältig geschützt
werden, um unliebsame Störungen beim Auftreten solcher Fehlerströme oder gar das
Verbrennen der Kontakte zu verhindern. Man hat zu diesem Zwecke Schutzgeräte geschaffen,
welche die Aufgabe haben, den Kontaktumformer bei Auftreten von Gefahren so schnell
wie möglich spannungsfrei zu machen. Hierzu gehören auch die sogenannten Kurzschließer.
Der Kurzschließer schließt im Gefahrfall die Zuleitungen zum Kontaktgerät kurz,
nimmt also von den Kontakten die Spannung weg. Der hierdurch eingeleitete Kurzschluß
des speisenden Transformators wird hinterher von einem besonderen Überstromschalter
abgeschaltet. Das man den Umweg über den vorerst einzuleitenden Kurzschluß wählt
und sich nicht auf eine schnellstmögliche, unmittelbare Abtrennung des gefährdeten
Kontaktumformers beschränkt, hat seinen Grund darin, daß es praktisch schneller
gelingt, die Spannung am Umformer durch Kurzschließen fortzunehmen als durch öffnen
des Kreises.
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Das Bestreben der Konstrukteure zielt einleuchtenderweise dahin ab,
die Eigenzeit des Kurzschließers, das ist die Zeit, die zwischen dem Aufkommen des
Fehlerstromes und dem Einsatz des befreienden Kurzschlusses vergeht; so klein wie
möglich zu machen. Hierzu zwingt auch das stete Anwachsen der betriebsmäßigen, vom
Umformer geforderten Leistungen bzw. die häufig sehr geringe
Dämpfung
im Stromlieferungskreise, wobei Stromanstiegsgeschwindigkeiten von dildt 22::2
- ios A/sec keine Seltenheit mehr sind.
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Nun hat aber die Herabsetzung der Eigenzeit des Kurzschließers eine
Grenze. Um z. B. auf eine Eigenzeit von i ms zu kommen, muß ein erheblicher Aufwand
an Beschleunigungskräften für die zu bewegenden Massen gemacht werden, noch dazu,
wenn ein solcher Kurzschließer für hohe Kurzschlußströme betriebssicher gebaut werden
soll oder wenn infolge hoher Betriebsspannung ein entsprechend langer Weg der Massen
bis zur Kontaktgabe durchschritten werden muß. Es muß weiter berücksichtigt werden,
daß die Eigenzeit des Kurzschließers ja nicht nur die Zeit der Bewegung der Massen
bis zur Kontaktgabe einschließt, die als Schließzeit bezeichnet sein möge, sondern
daß dieser noch eine gewisse Ansprechzeit vorausgeht. Das ist die Zeit, die gebraucht
wird, um nach Erreichen des Auslösegrenzstromes die Inmarschsetzung der zu bewegenden
Massen einzuleiten. Bei den bisher bekanntgewordenen Konstruktionen von solchen
Kurzschließern macht die Ansprechzeit einen erheblichen Betrag der Eigenzeit aus,
ja, sie ist meist größer als die nachfolgende Schließzeit, wenn erst das zeitraubende
Entklinken einer Auslösesperre zu erfolgen hat.
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Gegenstand vorliegender Erfindung ist ein Schnellkurzschließer, der
keine Ansprechzeit benötigt, bei dem also die Inmarschsetzung der zu bewegenden
Teile zeitlich mit dem Erreichen des Grenzstromes zusammenfällt. Darüber hinaus
kann der Schnellkurzschließer, der Gegenstand vorliegender Erfindung ist, auch di/dt-empfindlich
gemacht werden. Das besagt, daß die Auslösung schon vor dem Erreichen des Grenzstromes
erfolgt, wenn der sich anbahnende Fehlerstrom eine bestimmte Stromanstiegsgeschwindigkeit
annimmt. Die Auslösung erfolgt dann nicht erst bei Erreichen des Grenzstromes, sondern
schon, wenn der Winkel der Stromanstiegsgeschwindigkeit gegeben ist. Diese Eigenschaft
des Kurzschließers ist von großer Bedeutung, denn gerade die schweren Fehlerströme
pflegen plötzlich und mit großer Steilheit aufzutreten; sie werden also bei der
dildt-Empfindlichkeit des Kurzschließers gar nicht erst voll zur Auswirkung kommen,
sondern vor Erreichen ihres Spitzenwertes weitgehend begrenzt. Abgesehen davon,
daß hierdurch die Sicherheit für den Umformer erhöht wird, tritt besonders auch
ein hervorragender Selbstschutz für den Kurzschließer ein bzw., wenn man will, eine
erhebliche Materialersparnis, gegeben durch die Begrenzung des überhaupt möglichen
Fehlerstromes. Die Höhe der dildt-Empfindlichkeit kann in gewissen Grenzen gewählt
werden, denn es muß berücksichtigt werden, daß ein di/dt-empfindlicher Kurzschließer
naturgegeben gegen jede Stromanstiegsänderüng empfindlich wirkt, auch wenn eine
solche nicht gerade zu einem gefährlichen Überstrom anwächst, wenn es sich also
umkurzzeitige, steile, aber betrieblich bedingte Belastungsstöße handelt. Bei solchen
Betriebsverhältnissen wird man dann eben die Empfindlichkeit des Kurzschließers
entsprechend zu wählen haben, wiewohl man auch ganz auf eine solche verzichten kann.
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Der an Hand der Zeichnung näher beschriebene und schematisch in seinem
Aufbau gezeigte Schnellkurzschließer stellt nach oben Gesagtem einen wesentlichen
Fortschritt gegenüber dem Bekannten dar.
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Die Hauptbestandteile seines Aufbaues bilden die beiden Magneten i
und :2 (vgl. Fig. i). Der Magnet i sei Haltemagnet genannt. Er ist betriebsmäßig
von den beiden Spulen 3 erregt, deren Wicklungen an einer konstanten Gleichspannung
liegen. An den Polen des Haltemagneten i klebt der Halteanker 4. Die Federn 5, Beschleunigungsfedern
genannt, suchen den Halteanker 4 abzudrücken. Über die Polschuhflächen des Haltemagneten
und durch den Halteanker geht noch ein zweiter Magnetfluß, der in dem Jochstück
6 von einer einzigen Stromwindung 7 erzeugt wird. In den Kreis dieses Flusses ist
ein geringer, doppelter Luftspalt 8 eingefügt. Der Strom der Windung 7 ist ein Teil
des Betriebsstromes des Umformers. Ist dieser ein Vorwärtsstrom, wie er bei normalem
Betrieb auftritt, so wirkt die aus ihm resultierende Magnetzugkraft zusätzlich haltend
auf den Halteanker 4. Fließt über die Windung 7 aber ein Rückstrom, also ein Fehlerstrom,
so wird die Haltekraft am Halteanker 4 geschwächt. Das Eisen des Haltemagneten i
ist so bemessen, daß Sättigung vorliegt, wenn der Umformer seinen betriebsmäßigen
Nennstrom führt.
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Der Haltemagnet i und der Magnet 2, der als Auslösemagnet bezeichnet
sei, stehen sich mit einem bestimmten Abstand so gegenüber, daß die Polflächen beider
Magneten einander zugekehrt sind. Der Auslösemagnet 2 wird mit zwei oder mehr Stromwindungen
9 belegt. Der Strom dieser Windungen 9 ist wieder ein Teil des Betriebsstromes des
Umformers. Die Windungen 9 und 7 sind in Reihe geschaltet. Das Eisen des Auslösemagneten
2 ist so bemessen, daß bei Nennstrom des Umformers nicht Sättigung eintritt.
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In den Abstand zwischen den beiden Magneten i und 2 ist der eigentliche
Kurzschließer eingebaut, der sich folgendermaßen zusammensetzt: An den Halteanker
4 ist das Kurzschlußstück io fest angebaut: Es besteht aus einem möglichst kleinen
Rundkupferstück mit an der dem Halteanker abgekehrten Seite abgeschrägter Kante:
Durch das in Längsachsenrichtung durchbohrte Kurzschlußstück io und den durchbohrten
Halteanker 4 führt der Verbindungsbolzen i i, der auch noch den Auslöseanker 12
des Auslösemagneten 2 durchdringt. Solange der Halteanker an seinen Polschuhen klebt,
hält er auch über den Bolzen i i den Anker 12 des Auslösemagneten in Schwebe, und
zwar gegen die Anzugskraft des Auslösemagneten. 1 Erst wenn die Anzugskraft dieses
Magneten die des Haltemagneten minus der Kraft der Beschleunigungsfedern 5 erreicht,
tritt ein labiler Zustand ein, dem unmittelbar der Abriß des Halteankers folgt.
Alsbald bewegen sich beide Anker mit 1 dem Kurzschlußstück io gegen die Pole des
Auslösemagneten
2. Diese Bewegung findet aber nicht mit dem Anschlag
des Auslöseankers 12 an den Polflächen des Auslösemagneten 2 ihr Ende, sondern weil
der Bolzen i i Gleitsitz innerhalb des Ankers 12 hat, bewegen sich Halteanker, Kurzschlußstück
und Bolzen in gleicher Richtung weiter. Diese ganze Auslösebewegung setzt also zunächst
ein mit der Beschleunigungskraft, die vom Auslösemagneten ausgeht und die mit dem
Anschlag des Ankers 12 aufhört, und wird auf der ganzen Wegstrecke außerdem von
den Federn 5 beschleunigt; schließlich verzögert jedoch die Rückholfeder
13, deren Bedeutung später erläutert wird.
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Auf diesem Wege taucht nun das Kurzschlußstück in den Raum der Gegenkontakte
1q. ein. Es können drei, es können auch mehr, z. B. sechs Gegenkontakte sein, die
sternförmig, wie es Fig. 2 zeigt, angeordnet sind und die sämtlich Ableiter der
Zuführungen sind, die zwischen dem Transformator und der Wechselstromseite des Kontaktumformers
liegen, die also bei ihrem Zusammenschluß, den das Kurzschlußstück bewirkt, den
Kurzschluß aller Zuleitungen des Transformators bewirken (s. auch Schaltbild Fig.
3).
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Die Gegenkontakte 1q. sind radial kurzwegig beweglich angeordnet;
sie werden beim Eindringen des Kurzschlußstückes io in ihren zentral gelegenen Abstandraum
auseinandergespreizt, und zwar gegen die Wirkung der Federn 15, von denen
jede ihren zugehörigen Gegenkontakt gegen das Zentrum zu beschleunigen sucht. Das
Isolier- und Führungsstück 16 sorgt einerseits für Führung und Isolation der Gegenkontakte,
und andererseits gibt es ihnen die Begrenzung ihrer Annäherung, so daß der genaue
Abstand bzw. Raum bleibt, den das Kurzschlußstück io braucht, um zwischen die Gegenkontakte
mit dem nötigen Andruck an diese treten zu können.
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Ohne die Rückholfeder 13 würde nach erfolgter Auslösung das Kurzschlußstück
io zwischen seinen Gegenkontakten steckenbleiben. Es müßte dann durch manuelle Kraft
hinterher wieder herausgezogen werden, um es wieder in Bereitschaftsstellung zu
bringen. Das ist jedoch nicht erforderlich, denn nach der Erfindung sorgt die Rückholfeder
13 für die Rückholung des Kurzschlußstückes i6. Dieses taucht also zunächst ein,
um dann wieder aufzutauchen, wenn die kinetische Energie der beschleunigten Masse
aufgebraucht ist. Beim Rückgang wird das Kurzschlußstück nicht vollständig austauchen,
sondern bleibt kurz davor zwischen den Gegenkontakten stecken, also in Kontakt mit
diesen.
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Durch die ständige Bewegung des Kurzschlußstückes io während der Dauer
der Kontaktgabe wird jede Verschweißung desselben mit den Gegenkontakten verhindert,
aber nicht nur das, sondern es wird eben durch diese gleitende Bewegung auch ein
sicherer Kontakt erzielt. jede Verunreinigung der Kontakte durch Staub, die bei
längerem Stillliegen der Einrichtung unvermeidlich ist, wird durch diese Gleitbewegung
unschädlich gemacht.
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Im allgemeinen reicht die Zeit der Dauer der Kontaktbewegung aus,
um mittels des eingangs erwähnten überstromautomaten den Kurzschluß wieder zu öffnen.
Die Gefahr, daß das Kurzschlußstück io von sich aus den Kurzschluß bei seinem Rückgang
wieder öffnet, besteht nicht, und zwar deshalb nicht, weil die Kontaktgabezeit relativ
lang ist, so daß der Überstromschalter inzwischen öffnen kann, dann aber auch, weil
das Kurzschlußstück beim Rückgang den Kontakt mit den Gegenkontakten nicht verliert.
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Um den Kurzschließer wieder in die Bereitschaftsstellung zu bringen,
wird wieder der Haltemagnet zu Hilfe genommen. Eine kurzzeitige Übererregung seiner
Haltespulen, die durch Kurzschließen eines Dauerwiderstandes 17 (s. Schaltbild Fig.3)
erzielt wird, läßt seine Anzugskraft auf einen Wert anwachsen, der genügt, um den
Halteanker q: gegen die zunächst schwache Gegenkraft der Federn 5 an seine Polschuhe
heranzuführen.
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Die di/dt-Empfindlichkeit des Gerätes wird auf folgende Weise erzielt:
Die im Schaltbild schematisch dargestellten Kontakte 18 des Kontaktumformers geben
in Schließstellung abwechselnd Kontakt zwischen je einer Wechselstromschiene ig
und der Gleichstromschiene 2o. Von den Wechselstromschienen führt, wie weiter oben
schon gesagt, je eine Ableitung 2 1 zum entsprechenden Gegenkontakt des Kurzschließers,
die an einer Stelle wegen der Bewegung der Gegenkontakte flexibel sein muß.
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Von der Gleichstromschiene 2o wird der Teilstrom für die Stromspulen
7 und g des Kurzschließers abgenommen, und zwar so, daß eine bestimmte Strecke dieser
Schiene als Shunt dient; nötigenfalls wird ein solcher für einen bestimmten Spannungsabfall
besonders eingefügt. Dieser Shunt wird durch ein gehöriges Eisenpaket 22 geführt,
also induktiv gemacht. jede Stromschwankung wirkt sich infolge der Induktivität
des Shunts so aus, daß der Strom über die Parallelstrecke; die über die Stromspulen
des Kurzschließers geht, ansteigt, wenn der Hauptstrom anwächst, und zwar in der
Parallelstrecke anteilmäßig höher gegenüber dem ohmschen Wert der Widerstände. Das
führt also zu einer Frühauslösung am Kurzschließer, die um so größer ist, je größer
die Induktivität des Shunts gemacht wird.
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Der Umstand, daß nicht der Hauptstrom des Kontaktumformers unmittelbar
auf den Kurzschließer wirkt, bringt weitere Vorteile, und zwar i. der Kurzschließer
bleibt in seiner Baugröße klein, auch wenn der Betriebsstrom groß ist; 2. der Kurzschließer
kann als Universalgerät für einen weiteren Bereich von Umformern verschiedener Nennstromstärken
ausgelegt werden:. Man hat nur nötig, den entsprechenden Shunt für die verschiedenen
Nennströme zu wählen; 3. der Kurzschließer kann getrennt vom Umformer angeordnet
werden, was eine bequeme Montage und Leitungsführung ermöglicht, die auch auf die
Raumverteilung am Umformer selbst entlastend wirkt.
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Der beschriebene Kurzschließer besitzt zwei Grenzströme. Bei Vorwärtsüberstrom
liegt dieser höher als bei Rückstrom, was betriebsmäßig gesehen
sehr
erwünscht ist. Die Verschiedenheit beider Grenzströme erklärt sich aus folgendem:
Bei Vorwärtsstrom wirkt nach dem Gesagten der Magnetfluß des Streujoches 6 verstärkend
auf die Haltekraft am Halteanker, und es ist ein entsprechend hoher Vorwärtsstrom
erforderlich, !bis die mit wachsendem Strom stetig zunehmende Zugkraft am Auslösemagneten
die infolge des Sättigungszustandes langsamer steigende Haltekraft am Haltemagneten
erreicht hat. Der Auslösegrenzstrom liegt also relativ hoch. Anders dagegen bei
fließendem Rückstrom. Durch diesen wird die Haltekraft des. Haltemagneten geschwächt,
Der Auslösemagnet dagegen wird unabhängig von der Stromrichtung von der Stärke des.
Stromes beeinflußt. Er gewinnt infolgedessen schon bei kleinem Rückstrom dasÜbergewicht
über denHaltemagneten, was zur Auslösung führt. Die Auslösung erfolgt bei Rückstrom
sogar schon weit unter der Nennstromstärke des Umformers, was für die Sicherheit
des Betriebes von höchster Bedeutung ist. Der höhere Vorwärtsstrom hingegen kann
eine vorübergehende Belastungsspitze sein, die :es zu überbrücken. gilt, ohne daß
ein Betriebsausfall erfolgt. Daher ist .der höhere Grenzstrom bei Vorwärtsstrombelastung
im Sinne einer erwünschten geringeren Störungsanfälligkeit berechtigt.