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Veränderbarer Widerstand, insbesondere für Strombegrenzer in Starkstromanlagen
Zur Durchführung von Schalt- und Regelvorgängen in elektrischen Starkstromanlagen sind veränderbare Widerstände von erheblicher Bedeutung. Für verhältnismässig langsam verlaufende Vorgänge besteht bereits eine grössere Zahl brauchbarer Konstruktionen, insbesondere auch Ausführungen, bei denen eine Anzahl von Widerständen zur Anwendung gelangt. Hingegen verfügt man noch nicht über brauchbare Lösungen, mit Hilfe deren es möglich wäre, den Ohmwert beispielsweise in einigen Millisekunden über mehrere Grössenordnungen zu verändern.
Die vorliegende Erfindung befasst sich mit einem derartigen veränderbaren Widerstand, insbesondere Strombegrenzer, mit einer Mehrzahl von als Gleitwiderstände ausgebildeten Teilwiderständen.. Er ist gekennzeichnet durch Mittel, die bewirken, dass die die Stromabnehmer antreibende Kraft in Bruchteilen einer Millisekunde wirksam wird und den Stromabnehmern eine mittlere Geschwindigkeit von mindestens 5 m/s erteilt, ferner gekennzeichnet durch eine derartige Anzahl, Bemessung und Schaltungsanordnung der Teilwiderstände, dass in höchstens 5 ms eine Widerstandsänderung im Verhältnis von mindestens 1 : 1000 erreicht wird.
Erst durch gemeinsame Anwendung aller vorstehend aufgeführten Erfindungsmerkmale zusammen mit der für langsam bewegte Widerstände an sich bekannten Mehrzahl von als Gleitwiderstände ausgebildeten Teilwiderständen ist die Schaffung eines veränderbaren Widerstandes, insbesondere in Form eines Strombegrenzers für Starkstromanlagen möglich geworden. Dies wird nachstehend im einzelnen näher begrün- det :
In grösseren Netzverbänden steigt der Strom bei einem Kurzschluss mit einer Steilheit von rund lO A/s an oder anders ausgedrückt, er nimmt in einer Millisekunde um 10000 A zu. Daraus folgt, dass man einen derartig schnell ansteigenden Strom nur begrenzen kann, wenn die die Stromabnehmer des Widerstandes antreibende Kraft bereits in Bruchteilen einer Millisekunde wirksam wird.
Ein weiter unten beschriebenes Mittel, diese Forderung zu verwirklichen, besteht in der Anwendung des sogenannten elektrodynamischen Antriebes, der, wie Versuche zeigten, bereits nach 0, 1 ms Kräfte bis zu mehreren Tonnen ergibt. Doch eine solche Antriebsanordnung allein genügt noch nicht ; aus rein mechanischen Gründen (Festigkeit der heute zur Verfügung stehenden hochwertigsten Werkstoffe) können Geschwindigkeiten von mehr als 20... 30 m/s, die bereits nach Bruchteilen einer Millisekunde erreicht sein müssen, nicht zur Anwendung gelangen.
Die maximal zulässige Geschwindigkeit wird aber auch dadurch begrenzt, dass die Zeit, welche für die mechanische Überschaltung von einer Widerstandsstufe auf die nächste verstreicht, grösser sein muss als die Kommutierungszeit, Genauere Untersuchungen zeigen beispielsweise bei Strömen von 5000 A, dass auch durch diese Bedingung die maximal zulässige Grenze der Geschwindigkeit auf etwa 20... 30 m/s
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treten würden.
Da es anderseits erfindungsgemäss notwendig ist. in höchstens 5 ms eine Widerstandsänderung im Ver- hältnis von mindestens 1 : 1000 zu erreichen, müssen in dieser Zeit erhebliche Wege durchlaufen werden.
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Wollte man z. B., was einem praktischen Beispiel entspricht, in 2 ms etwa 400 mm zurücklegen, so wäre bei Verwendung nur eines Widerstandes hiezu eine mittlere Geschwindigkeit von v = 400/2 = 200 mm/ms entsprechend 200 m/s notwendig. Dieser Wert liegt jedoch weit über dem zulässigen Wert von etwa 30 m/s. Werden hingegen statt eines WideLstandes z. B. 20'feil widerstände in Reihen- oder Parallelschaltung verwendet. so kann der gleiche gesamte Schaltweg von 400 mm in 2 ms bereits mit einer mittleren Geschwindigkeit von 10 m/s erreicht werden, ein Wert, der noch wesentlich unterhalb der zulässigen Grenze liegt.
So betrachtet erscheint die an sich bekannte Verwendung mehrerer Teilwiderstände bei Anwendung auf sehr schnelle Regelvorgänge, insbesondere Strombegrenzer, in einem ganz neuen Licht. Sie gestattet nämlich mit zwar hohen, jedoch nicht unzulässigen Geschwindigkeiten das erfindungsgemässe Ziel einer Widerstandsänderung im Verhältnis von mindestens 1 : 1000 in höchstens 5 ms zu erreichen. Im Interesse eines einfachen, wirtschaftlichen und betriebssicheren Aufbaus eines derartigen veränderbaren Widerstandes wird man anderseits die mittlere Geschwindigkeit der Stromabnehmer auch nicht zu tief ansetzen. Hieraus ergibt sich das weitere Erfindungsmerkmal. dass diese Geschwindigkeit mindestens 5 m/s betragen soll.
Die hohe Änderungsgeschwindigkeit des Widerstandes ist anderseits notwendig, damit beim Auftreten eines Kurzschlusses der Höchstwert des reduzierten Stromes nur noch etwa das 2-bis 3-fache des Nenn-
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reits nach Bruchteilen einer Millisekunde wirksam ist.
Die weitere Forderung, dass der maximale Gesamtwiderstand mindestens tausendmal grösser sein soll als der minimale Gesamtwiderstand, ist, wie eingangs erwähnt, eine für Starkstromwiderstände wesentliche Forderung, denn derartige Widerstände müssen im allgemeinen einen kleinen Anfangswiderstand von beispielsweise 10 Milliohm aufweisen. Sollen sie aber einen merkbaren Einfluss auf die Grösse des Stromes ausüben, so muss ihr Endwert mindestens einige Ohm betragen. Es würde sich somit ein derartiger Widerstand z. B. von 0, 01 auf 10 Ohm ändern, womit bereits ein grosser Teil von Regel- und auch Schaltaufgahen beherrschbar ist. Noch ausgeprägter ist dies der Fall, wenn die obere Grenze bei gleichem Minimalwert 100 oder gar 1000 Ohm beträgt. So würde z.
B. ein Widerstand von 1000 Ohm Endwert in einer 10 kV-Starkstromanlage einen Strom von zunächst 1000 A auf etwa
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In den Fig. 1-4 sind einige Widerstandsac. ordnungen nach der Erfindung schematisch dargestellt, wäh- rend die Fig. 5-8 drei beispielsweise Ausführungsformen derartiger Widerstände in Verwendung als Schalter oder Strombegrenzer zeigen.
In Fig. 1 bedeuten 1 die Teilwiderstände, 2 die Stromabnehmer, die einerseits längs der Widerstände l, anderseits längs der Stromzuführungen 3 gleiten ; 4 sind gut leitende Verbindungen, 5 und 6 die äusseren Anschlüsse. In der untersten Stellung der Stromabnehmer 2 ist der Widerstand sehr gering, da er im wesentlichen nur durch die Kontaktwiderstände der Stromabnehmer gegeben ist. Werden nun die Stromabnehmer gleichzeitig und synchron nach oben bewegt, so vergrössert sich der Ohmwert aller Teilwiderstände gleichmässig. Die Stromabnehmer. können entweder in der punktiert gezeichneten Lage stehen bleiben oder auch noch weiter nach oben bewegt werden, wobei dann der über die Teilwiderstände flie- ssende Strom unter geringer Lichtbogenbildung vollständig unterbrochen wird.
Fig. 2 zeigt eine Anordnung, bei der jedem Stromabnehmer 12 je zwei Teilwiderstände 11 zugeordnet sind. 14 bedeuten elektrisch gut leitende Verbindungen zwischen den Teilwiderständen. 15 und 16 sind die Anschlüsse. Bei gleichem Weg kann hiebei der doppelte Widerstandswert wie bei der Anordnung nach Fig. 1 ein-bzw. ausgeschaltet werden.
Fig. 3 zeigt eine Anordnung mit zwei Gruppen von in Reihe geschalteten halbkreisförmig angeordneten Teilwiderständen 21 und 22, wobei die beiden Gruppen parallel geschaltet sind. Die Teilwiderstände selbst sind als Widerstandszylinder (z. B. aus Titanoxyd, Karborund, kolloidalem Graphit mit Bindemit- teln) ausgeführt. zwischen denen in der Ebene kleinsten Abstandes die Stromabnehmer 23 und 24 angeordnet sind. Sie werden beispielsweise durch einen Isolierzylinder 25, der sich senkrecht zur Papierebene bewegt, auf und abwärts verschoben. Der Strom zwischen den Anschlüssen 26 und 27 teilt sich in zwei gleiche Teilströme auf, wodurch insbesondere bei grossem Anfangsstrom die Einschaltung der Teilwiderstände erleichtert wird.
Fig. 4 zeigt Teilwiderstände 31 und sol', die nach Art von Drehpotentiometern toroidförmig ausgebildet sind und durch rotierende Stromabnehmer 32 und 32'zu-und abgeschaltet werden. 33 ist eine isolierende Achse, die in den Lagern 34, 35 geführt ist ; 36 und 37 sind die Anschlüsse. Derartige Drehwiderstände können im allgemeinen mit kleinerer bewegter Masse ausgeführt werden. Zudem kann die Zentri-
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fugalkraft dazu ausgenutzt werden, die Stromabnehmer zusätzlich an die Kontaktbahnen anzupressen.
Die Ausbildung der Widerstände in Form von isolierenden temperaturfesten Zylindern, die beispiels- weise mitWiderstandsdraht von konstantem oder auch kontinuierlich abnehmendem Querschnitt bewickelt sind, ist einfach, hat aber den Nachteil, dass die einzelnen Stufen der Teilwiderstände bereits eine merkbare Induktivität aufweisen, wodurch die funkenfreie Ein- und Ausschaltung erschwert wird. Es ist daher vorteilhafter, die Widerstände aus mäanderartig angeordnetem Bandmaterial herzustellen. Eine derartige Ausführungsform zeigt Fig. 5. Darin bedeuten 41 und 41'die aus isoliertem Widerstandsband, z. B.
Chromnickelband, Eisenband, aufgebauten Teilwiderstände, wobei der Ohmwert je Widerstandsstufe bei der Ausschaltung zunächst etwas abnimmt, um später dann laufend zuzunehmen. Die Stromabnehmer 42 sind als 0 -förmige Kontaktfedern ausgebildet und an den isolierenden Betätigungsstücken 43 befestigt. Im allgemeinen wird es zweckmässig sein, weitgehend plane Kontaktbahnen 45 und 45'vorzusehen, damit auch bei sehr grosser Schaltgeschwindigkeit eine einwandfreie Berührung zwischen Stromabnehmern und Kontaktbahnen gesichert ist. Zusätzlich ist anzustreben, Stromabnehmer mit hoher mechanischer Eigenfrequenz und ausreichender Dämpfung zu verwenden und darauf zu achten, dass die Masse der Stromabnehmer 42 und der isolierenden Betätigungsstücke 43 einschliesslich der Kolben 44 möglichst klein ist.
In der untersten Stellung der Stromabnehmer 42 sind die Anschlüsse 47 und 47'unmittelbar miteinander elektrisch gut leitend verbunden.
Die Widerstandszunahme je Stufe kann z. B. lediglich durch Vergrösserung der Schleifen bewirkt werden. Es ist aber auch möglich, den Werkstoff im Sinne eines zunehmenden spezifischen Widerstandes zu ändern. Ferner kann der Querschnitt des Widerstandsmaterials stufenweise oder stetig verringert werden.
Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass ein Band aus zunächst überall gleichem Querschnitt in ein geeignetes Lösungsmittel langsam eingetaucht wird derart, dass die zuerst eingetauchte Stelle die grösste Querschnittsminderung erleidet, während das andere Ende den ursprünglichen Querschnitt beibehält. Man kann aber auch umgekehrt vorgehen, indem man beispielsweise auf ein geeignetes Isolierband oder ein sehr hochohmiges Metallband einen kontinuierlich zunehmenden Widerstandsbelag galvanisch oder durch Aufdampfen aufbringt. Diese Methode hat den Vorteil, dass auch sehr dünne Schichten mit hohen Widerstandswerten je cm ausführbar sind. Mit Vorteil werden die Teilwiderstände aus Widerstandsmaterial mit hohem positivem Temperaturkoeffizienten, z. B.
Eisenband, hergestellt, wodurch die Wirkung des ver- änderbaren Widerstandes im Sinne einer Widerstandserhöhung noch verstärkt wird.
Die Betätigung der Stromabnehmer 42 erfolgt durch Pressgas. Die Isolierstücke 43 tragen zu diesem Zweck an ihrem unteren Ende einen Kolben 44, beispielsweise aus Filz, der sich in dem schachtartigen Raum, gebildet aus den Kontaktbahnen 45, 45' und den benachbarten Isolierplatten 46, bewegt. Zwischen den Anschlüssen 47, 47' befindet sich ein Pressgas-Verteilungsgehäuse 48 aus Isolierstoff, an das sich die Druckluftzuleitung 49 anschliesst. Das Ventil 50 ist als dynamischer Auslöser ausgebildet mit dem Kupferteller 51 und der in das Isolierrohr 49 eingegossenen feststehenden Wicklung 52.53 ist die Ventilfeder, die sich gegen die Speichen 54 abstützt. Unterhalb der Zuleitung 49 ist ein kleiner Druckkessel 55 angeordnet, der in Verbindung mit einer nicht dargestellten Pressgas-Erzeugungsanlage steht.
Sollen nun die Stromabnehmer betätigt werden, so erhält zunächst die Wicklung 52 aus einer nicht dargestellten Energiequelle einen Stromimpuls, worauf sich der Kupferteller 51 entgegen der Wirkung der Feder 53 nach oben bewegt. Das Pressgas tritt nun über einen grossen Querschnitt in das Verteilungsgehäuse 48 ein und wirkt momentan auf die Kolben 44 ein, wodurch die Stromabnehmer 42 mit grosser Beschleunigung nach oben bewegt werden. Das Einschalten erfolgt durch Öffnen des Ventils 56, worauf das Pressgas über die isolierende Leitung 57 zu dem oberen Verteilungsgehäuse 58 fliesst. Die Kolben 44 und damit die Stromabnehmer 42 bewegen sich nun nach unten, wodurch der Widerstand überbrückt wird.
Da insbesondere bei einer grossen Zahl von Teilwiderständen eine ebenso grosse Anzahl von Kontaktstellen in Reihe liegt, macht es unter Umständen Schwierigkeiten, einen genügend kleinen Anfangswiderstandswert von beispielsweise 1 Milliohm oder weniger zu erreichen. Dieser Nachteil kann durch entsprechend hohenKontaktdruck der Stromabnehmer und kleinen Widerstand der Verbindungen zwischen den Teilwiderständen vermieden werden. Noch günstiger ist aber in dieser Hinsicht die Lösung nach den Fig. 6 und 7. Sie zeigen im Grundriss und Schnitt eine im Prinzip ähnliche Ausführungsform eines veränderbaren Widerstandes wie in Fig. 5, bestehend aus den Teilwiderständen 61 und 61', die durch Isolierplatten 62, beispielsweise aus Glimmer, voneinander getrennt sind.
Als Stromabnehmer dienen in diesem Falle Quecksilberpakete 63, die in der Anfangsstellung (s. Fig. 7) zunächst einen zusammenhängenden Necksilberleiter 63'bilden, der in einer Gummirinne 64 liegt und die Anschlüsse 65 und 66 unmittelbar miteinander verbindet. Gibt man nun auf die Gummirinne 64 einen Impuls, wie er durch die Pfeile in Fig. 7 angedeutet ist, s. o wird der QueclSilberleiter'33'nach oben geschleudert und durch die Isolierplatten 62
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in Quecksilberpakete 63 zerschnitten, die sich nun in den Kammern 68, gebildet durch die Kontaktbahnen 67 und 67'einerseits und die beiden benachbarten Isolierscheiben 62 anderseits, nach oben bewegen.
Die Anordnung wird zweckmässig so getroffen, dass das Quecksilber aus den Kammern 68 oben herausgeschleudert und in einem nichtdargestellten Behälter gesammelt wird, während es nachher durch Öffnen eines ebenfalls nicht dargestellten Schiebers wieder in die Rinne 64 zurückfliesst. Die Verwendung von Quecksilber hat den Vorteil. dass weder an den Kontaktbahnen 67,67', noch an den Stromabnehmern aus Quecksilber eine Abnützung auftritt. Zudem kann der Widerstand zwischen den Anschlüssen 65 und 66 in der Anfangsstellung durch passende Wahl des Quecksilberquerschnittes beliebig klein gemacht werden.
Für die Realisierung der Erfindung ist es von grosser Bedeutung, dass die Einschaltung der Widerstandsstufen der Teilwiderstände praktisch lichtbogenfrei erfolgt. Als Regel kann gelten, dass in atmosphärischer Luft bei Anfangsströmen bis zu etwa 2000 A der Spannungsabfall bei Einschaltung einer Stufe 15-30 V nicht überschreiten sollte. Setzt man die ganze Anordnung unter Überdruck, z. B. vun 6 at, so sind höhere Spannungsabfälle bis 50 V zulässig, sofern die Stufenwiderstände auch hiebei praktisch induktionsfrei sind (10-SH und weniger). Schliesslich kann man die Wid rstände auch in einem Vakuum von mindestens 10-4 Torr anordnen, wobei Spannungsabfälle bis zu 1000 V und mehr zulässig sind.
Zum Antreiben der Stromabnehmer können Z. B. Pressgas oder die Detonationswellen chemischer Umsetzungen (Explosionen) Verwendung finden. Bei Pressgasbetätigung muss, wie bereits an Hand von Fig. 5 erläutert wurde, dafür gesorgt werden, dass eine Zuleitung mit grossem Querschnitt und grossf1ächigemVen- til zur Anwendung gelangt und möglichst in der Nähe des veränderbaren Widerstandes noch ein zusätzlicher kleiner Druckbehälter vorgesehen wird ; denn nur dann ist es möglich, die antreibende Kraft in Bruchteilen einer Millisekunde wirksam werden zu lassen.
Im Prinzip ist auch eine hydraulische Bewegung der Stromabnehmer, z. B. mittels Isolieröl, möglich, durch das die Funkenlöschung noch zusätzlich begünstigt wird. Es muss jedoch darauf geachtet werden, dass die Strömungsgeschwindigkeiten relativ klein bleiben, damit nicht ein zu grosser Teil der Antriebskraft in kinetische Energie der bewegten Isolierflüssigkeit umgewandelt werden muss.
Besonders zweckmässig ist es, den Antrieb der Stromabnehmer mit Hilfe eines elektrodynamischen Systems vorzunehmen. Fig. 8 zeigt die Anwendung eines solchen veränderbaren Widerstandes auf einen Hochspannungs-Strombegrenzer mit Impulsübertrager in Topfbauweise und doppeltwirkendem elektrodynamischem Antrieb. Im einzelnen bedeutet 81 einen keramischen Freilufthohlstützer mit den Ansätzen 82 und 83, durch die die Stromzuführungen 84 und 85 eingeführt werden. 86 und 87 sind Metallkappen, die sowohl auf den Porzellanansätzen 82,83 als auch den Stromzuführungen 84,85 vakuumdicht verlötet sind. 88 ist das bewegliche ringförmige Schaltstück, das an dem Isolierbolzen 89 befestigt ist.
Dieser ist am unteren Ende mit dem Kupferteller 90 des dynamischen Auslösers verschraubt. 91 und 92 sind die feststehenden Spulen des dynamischen Auslösers, die in den Isolierkörper 93 mit den Rippen 94 eingegossen sind. Der Kupferteller 90 kann durch nichtdargestellte horizontale Schlitze in den Isolierkörper 93 eingeführt werden. Auf den Kupferteller 90 wirken sowohl die Zugfeder 95 als auch die bandförmige Druckfeder 96. Am oberen Ende ist der Isolierbolzen 89 geschlitzt und mit der isolierenden Betätigungsplatte 97, die zur Verminderung der bewegten Masse Aussparungen 98 aufweist. fest verbunden. An der Betä- tigungsplatte 97 sind die in der Zeichnung nicht sichtbaren Stromabnehmer des veränderbaren Widerstandes 99 in ähnlicher Weise wie in Fig. 5 befestigt.
Die Enden des Widerstandes 99 sind durch die Leiter 99a und 99 b mit den Stromzuffihrungen 84 bzw. 85 verbunden. Die Teilwiderstände sind mitHilfe der WinkellOO und 101 auf der Isolierplatte102 befestigt. Diese weist für den Durchtritt der Betätigungsplatte97 einen Schlitz 103 auf. Der Schaltraum 104 ist durch. einen Deckel 105 gasdicht abgeschlossen. Die beiden feststehenden Spulen 91 und 92 des dynamischen Auslösers sind parallel geschaltetund ihreEnden mitderHochspannungswick-
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ist. Der Stützer 81 ruht auf einem allseitig abgeschlossenen Topf 111, der seinerseits auf einem fahrbaren Gestell 114 mit Rädern 112 gelagert ist.
Der untere Teil des Stützers 81 wird zweckmässig mit einem festen oder flüssigen Isoliermittel 113 gefüllt, während die Schaltkammer 104 ein Druckgas enthält.
Die Wirkungsweise der Anordnung ist folgende : Wird z. B. in der Umgebung des Stromnulldurchganges des abzuschaltenden Stromes über die Primärwicklung 108 des Impulswandlers 107 einKondensator entladen, so fliesst auf der Sekundärseite der Impulsstrom vornehmlich über die Wicklung 91, da diese infolge der engen Kopplung mit dem Kupferteller 90 eine gegenüber der Wicklung 92 wesentlich kleinere recul- tierende Induktivität aufweist. Dies hat zur Folge, dass der Teller 90 einen starken mechanischen Impuls nach oben erhält, wodurch zunächst das bewegliche Schaltstück 88 sich von den noch niederohmig überbrücken Anschlüssen 84,85 trennt. Unmittelbar darauf beginnt die Zuschaltung des veränderbaren Widerstandes 99 mit entsprechender Reduktion des Stromes.
In der Ausschaltstellung ist aie Bandfeder 96
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