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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur synthetischen Prüfung von
Leistungsschaltern mit einem niederohmigen Nebenschlußwiderstand, bei welchem der
Prüfling zuerst mit einem über einen Hilfsschalter zugeführten Wechselstrom hoher
Stromstärke (Hochstrom) und dann nach dem gleichzeitigen Öffnen des Hilfsschalters
und des Prüflings mit einem aus einem geladenen Kondensator über eine Induktivität
und eine gezündete Funkenstrecke zugeführten kurzen Stromimpuls, dessen Maximum
mit dem Nulldurchgang des Hochstroms zusammenfällt und der eine der Polarität der
letzten Halbwelle des Hochstroms entsprechende Anfangspolarität hat, sowie mit einer
dem Hochstrom um etwa 90" voreilenden Hochspannung, in welche der Stromimpuls ohne
Überschwingvorgänge übergeht, belastet wird.
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Die synthetische Prüfung von Leistungsschaltern mittels eines Wechselstroms
hoher Stromstärke, eines Hochstroms und einer anschließenden Hochspannung ist in
verschiedenen Formen bekannt. Angestrebt wird ein Übergang vom Hochstrom zur Hochspannung,
welcher den beim Trennen eines Leistungsschalters unter natürlichen Bedingungen
auftretenden Verhältnissen möglichst weitgehend entspricht.
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Die deutsche Patentschrift 969 706 zeigt eine Anordnung, bei welcher
sich zu Beginn einer Prüfung der Hochstrom und ein aus einer Wechselspannungsquelle
für die Hochspannung stammender Strom im Prüfling überlagern. Der Hochstrom und
der Strom der Hochspannungsquelle sind gegeneinander phasenverschoben, und zwar
vorzugsweise um etwa 90".
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Dadurch ist erreicht, daß der Prüfling nach dem Öflinen mit einer
Hochspannung belastet wird, die die Wiederkehrspannung darstellt und einige Mikrosekunden
nach dem natürlichen, durch den Sinusverlauf bedingten Nullwerden des Hochstromes
auftritt. Der Verlauf der Spannung am Prüfling ist dabei jedoch wegen der Belastungspause
nicht glatt und entspricht daher dem Verlauf einer Einschwingspannung wie sie unter
natürlichen Bedingungen entsteht, nur unvollkommen.
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Aus der britischen Patentschrift 662 549 ist es bekannt, die Hochspannung
einem vor Beginn eines Versuches aufgeladenen Kondensator zu entnehmen, welcher
kurz vor dem natürlichen Nullwerden des Hochstroms an den Prüfling angeschaltet
wird. Der Kondensator erzeugt einen Stromimpuls, welcher das Nullwerden des Hochstromes
zeitlich einschließt und, da der Kondensator über eine Induktivität an den Prüfling
angeschlossen wird, beim Abreißen des Stromes im Prüfling in eine Einschwingspannung
übergeht. Hier besteht jedoch der Nachteil, daß die Spannung relativ schnell abklingt
und keinen sinusförmigen Verlauf annimmt, wie dies bei einem Einsatz des Prüflings
unter natürlichen Bedingungen der Fall wäre. Wenn darüber hinaus in dieser Anordnung
Prüflinge mit einem niederohmigen Nebenschlußwiderstand untersucht werden, würde
die Spannung am Prüfling äußerst stark gedämpft und sehr schnell auf Null zurückgehen.
Dies entspräche in keiner Weise den natürlichen Bedingungen. Verschiedene bekanntgewordene
Abwandlungen der Schaltung der britischen Patentschrift 662 549 haben den gleichen
Nachteil.
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Bei einer Anordnung gemäß der britischen Patentschrift 958 912 ist
dieser Nachteil weitgehend dadurch beseitigt, daß, wie bei der zuvor beschriebenen
Anordnung, am Ende der Belastung mit dem Hochstrom
ein geladener Kondensator mit
dem Prüfling verbunden wird und daß dann nach zwei oder drei Schwingungen der sich
einstellenden Einschwingspannung eine Wechselspannungsquelle hoher Spannung an den
Prüfling gelegt wird. Um jedoch Stoßerscbeinungen, welche sich im Augenblick des
Anschaltens der Wechsel-Hochspannung ergeben würden, zu vermeiden, muß der Kondensator
mit Hilfe eines Vakuumschalters möglichst unmittelbar nach dem Anschalten der Hochspannung
abgeschaltet werden.
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Die Erfindung geht von dieser Anordnung aus. Es liegt ihr die Aufgabe
zugrunde, ein Prüfungsverfahren auch für Leistungsschalter mit niederohmigen Nebenschlußwiderständen
anzugeben, bei welchem der Prüfling in bekannter Weise am Ende der Belastung mit
dem Hochstrom mit einem kurzen Stromimpuls belastet wird, an den sich glatt und
ohne Überschwingvorgänge eine schließlich sinusförmig werdende Hochspannung anschließt,
bei welchem aber das Abschalten des Kondensators nicht erforderlich ist.
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Diese Aufgabe ist bei einem Verfahren der eingangs genannten Art
erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Hochspannung direkt an den Kondensator gelegt
und vor dem Ende des Stromimpulses zugeschaltet wird. Die Hochspannung wird vorzugsweise
durch Herauftransformieren der den Hochstrom treibenden Spannung erzeugt.
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Während bei der bekannten, zuletzt erläuterten Anordnung die Hochspannung
aus der Wechselspannungsquelle erst nach dem Nullwerden des Stromes im Prüfling,
also nach Aufhören des durch den Kondensator erzeugten Stromimpuls, angeschaltet
wird, ist der Anschaltzeitpunkt der Wechselspannungsquelle beim erfindungsgemäßen
Verfahren vor das Ende des Stromimpulses gelegt. Dadurch wird auf überraschend einfache
Weise ein stoßfreies Anschalten der Wechselspannungsquelle beim erfindungsgemäßen
Verfahren vor das Ende des Stromimpulses gelegt. Dadurch wird auf überraschend einfache
Weise ein stoßfreies Anschalten der Wechselspannungsquelle möglich, ohne daß der
Kondensator abgeschaltet werden muß. Dies erspart einen zusätzlichen Schalter und
den für die genaue zeitliche Steuerung dieses Schalters erforderlichen Aufwand.
Die Wechselspannungsquelle wird so früh vor dem Ende des Stromimpulses angeschaltet,
daß der von ihr erzeugte, durch den Prüfling fließende Strom am Ende des durch den
Kondensator erzeugten Stromimpulses einen Wert erreicht hat, welcher dem Quotienten
aus der augenblicklichen Spannung der Wechselspannungsquelle und dem Wert des Nebenschlußwiderstandes
entspricht. Dann ergibt sich der gewünschte glatte und überschwingungsfreie Verlauf
der Hochspannung. Der Anstieg des von der Wechselspannungsquelle erzeugten Stromes
und damit auch der genaue Zeitpunkt, zu welchem die Wechselspannungsquelle vor dem
Ende des Stromimpulses angeschaltet werden muß, hängt im wesentlichen vom induktiven
Innenwiderstand der Wechselspannungsquelle ab, einen bestimmten Nebenschlußwiderstand
vorausgesetzt. Der genaue Zeitpunkt läßt sich daher mit Hilfe bekannter Verfahren
zur Netzwerkanalyse ermitteln.
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Die Erfindung ist mit weiteren Einzelheiten im folgenden an Hand
schematischer Zeichnungen an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigt
F i g. 1 das Schaltbild einer synthetischen Prüfschaltung zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens,
F i g. 2 ein für die Zeit nach dem Abschalten des Hochstromkreises
gültiges Ersatzschaltbild zu F i g. 1, Fig.3 eine graphische Darstellung des Strom-und
Spannungsverlaufes in der Umgebung des Zeitpunktes der Stromunterbrechung im Prüfling.
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Ein zu prüfender Leistungsschalter ist mit T bezeichnet. Parallel
zu ihm liegt ein niederohmiger Nebenschlußwiderstand R, der mit einem Hilfsschalter
TR in Reihe geschaltet ist. Mit dem Hilfsschalter TR kann der Reststrom unterbrochen
werden, der nach der Stromunterbrechung im Prüfling noch durch den Nebenschlußwiderstand
fließt.
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Der Prüfling ist über einen Blockierschalter A an eine Hochstromquelle
S niedriger Spannung mit der InduktivitätLs angeschlossen, die einen hohen, betriebsfrequenten
Strom durch den Prüfling treibt. Der Prüfling liegt ferner in einem Hochspannungskreis
mit einem Kondensator C8, der in nicht gezeigter Weise vor Beginn einer Prüfung
auf eine vorbestimmte Spannung E aufladbar ist, die etwas höher als der Spitzenwert
der betriebsfrequenten Wiederkehrspannung ist, die nach der Stromunterbrechung an
den Prüfling angelegt wird. Der Kondensator Cs ist über eine Funkenstrecke P und
eine Induktivität L parallel zum Prüfling geschaltet. Die Funkenstrecke P ist mittels
eines nicht gezeigten Zeitgebers in einem vorbestimmten Zeitpunkt triggerbar bzw.
zündbar, was die Entladung des Kondensators C8 mit einem über den Prüfling T fließenden,
hochfrequenten Stromimpuls bewirkt. Die Induktivität L bildet mit einem zweiten
Kondensator Cr, der parallel zum Prüfling T liegt, einen abgestimmten Kreis, der
nach der Stromunterbrechung im Prüfling einen Strom im Nebenschlußwiderstand R aufrechterhält
und dadurch eine Spannung am Prüfling erscheinen läßt.
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Zur Erzeugung der betriebsfrequenten Wiederkehrspannung ist ein weiterer
Hochspannungskreis mit einem Transformator Q vorgesehen, dessen Primärwicklung an
die Hochstromquelle S angeschlossen ist, während die Sekundärwicklung über eine
zweite Funkenstrecke P' parallel zum Kondensator C8 geschaltet ist.
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Das erfindungsgemäße Prüfungsverfahren geschieht mit der beschriebenen
Schaltung in folgenden Schritten.
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Zuerst wird der Kondensator Cm auf die vorbestimmte Spannung E aufgeladen.
Dann wird der Prüfling T mit einem hohen Strom von 50 Hz belastet, der aus der Stromquelle
S über den geschlossenen Blockierschalter A zugeführt wird. Unter der Strombelastung
wird das Öffnen beider Schalter A und P in bekannter Weise zu einem solchen Zeitpunkt
eingeleitet, daß während einer bestimmten Zeitspanne vor der endgültigen Stromunterbrechung
zum Zeitpunkt t0 ein Lichtbogen an der Kontaktstelle des Prüflings T auftritt. Als
nächstes wird in bekannter Weise kurz vor dem natürlichen Nulldurchgang des Hochstroms,
bei welchem der bereits geöffnete Blockierschalter A den Hochstrom unterbricht und
dadurch den Hochstromkreis vom Prüfling trennt, die Funkenstrecke P im Zeitpunkt
t getriggert, um den Kondensator Cs impulsartig über den Prüfling t', welcher vor
dem Zeitpunkt wo der endgültigen Stromunterbrechung im Prüfling, also vor dem Ende
des durch den Kondensator erzeugten Stromimpulses liegt, wird die Funkenstrecke
P' getriggert, wodurch der weitere, eine Hochspannung mit der Frequenz von 50 Hz
liefernde Hochspannungskreis mit dem Prüfling verbunden wird.
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Aus dem in F i g. 2 gezeigten Ersatzschaltbild, das für die Zeit
nach dem Abschalten des Hochstromkreises gilt, läßt sich entnehmen, daß der Kondensator
Cs mit einem hochfrequenten Stromimpuls Is entladen und anschließend mit dzr entgegengesetzten
Polarität wieder aufgeladen wird und daß ein Strom I' von 50 Hz zu fließen beginnt,
den die Quelle S' mit der Spannung V' und der EigeninduktivitätL' verursacht. Der
dem Prüfling T und dessen Nebenschlußwiderstand R zugeführte Gesamtstrom ist mit
1 bezeichnet.
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Die Funkenstrecke P' wird in einem solchen vorbestimmten Zeitpunkt
t'vor dem Zeitpunkt t0 gezündet, daß bis zum Zeitpunkt t0 der Strom I' auf einen
Wert 1o angestiegen ist, der dem nach dem Zeitpunkt tot d. h. nach der endgültigen
Stromunterbrechung im Prüfling erforderlichen Wert des Stromes durch den Nebenschlußwiderstand
R entspricht (vgl.
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F i g. 3). Der Anfangswert E der Spannung Vs am Kondensator Cs muß
derart sein, daß die Kondensatorspannung Vs nach ihrer Umkehr nach der Entladung
auf den Wert der betriebsfrequenten Wechselspannung V' der Quelle S' ansteigt, ohne
daß die Einschwing- und die anschließende Wiederkehrspannung V störende Überschwingungen
zeigen.
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Die Größe der Zeitspanne zwischen t' und t0 richtet sich weitgehend
nach der InduktivitätL' der Quelle S'. Der Wert E der Spannung, auf die der Kondensator
Cs zu Beginn einer Prüfung aufgeladen werden muß, hängt unter anderem von den Verlusten
in den beiden Entladungswegen über L und L' ab; bei einem asymmetrischen Strom würde
sich diese Spannung außerdem nach dem Grad der Asymmetrie richten. Die Größe der
Zeitspanne zwischen t' und t0 und die Spannung E können berechnet und/oder mit Hilfe
eines Netzwerkanalysators ermittelt werden, der zur Nachahmung von Stoßerscheinungen
geeignet ist.
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Der Wert der Induktivität L', der im wesentlichen durch die Reaktanzen
der Hochstromquelle S und des Transformators Q bestimmt ist, wird so klein wie möglich
gehalten. Bevorzugt wird ein Wert, bei dem die Impedanz bei 50 Hz nicht größer ist
als das 0,3fache des Wertes des Nebenschlußwiderstandes R.
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Der in Fig.3 wiedergegebene Spannungs- und Stromverlauf gilt für
einen Fall, bei dem der Widerstand R einen solchen Wert hat, daß die Einchwingspannung
aperiodisch gedämpft wird und glatt und ohne jede hochfrequente Spannungsschwingung
in die 50-Hz-Wiederkehrspannung übergeht. Ferner ist der Wert der Induktivität L'so
gewählt, daß die Funkenstrecke P' getriggert werden muß, bevor der hochfrequente
Stromimpuls dem Prüfling aus dem Kondensator Cs durch das Zünden der Funkenstrecke
P zugeführt wird. Wie F i g. 3 erkennen läßt, steigt der Strom I im Zeitpunkt t0
von 0 aus in negativer Richtung phasengleich mit der am Prüfling liegenden Spannung
V an. Der genaue Wert I0, der von dem Strom I' im Zeitpunkt t0 erreicht worden sein
muß, damit danach ein gleichmäßiger Übergang in den Strom I erfolgt, kann dadurch
erhalten werden, daß man den Verlauf der betriebsfrequenten Wiederkehrspannung V'
bis zum Zeitpunkt t0 zurückprojiziert und den so für t0 erhaltenen Wert EO durch
den Wert des Nebenschlußwiderstandes R teilt. Eine falsche Wahl des Zeitpunktes
t' für die Zündung der Funkenstrecke P' würde einen nicht schwingungsfreien Verlauf
von I und V ergeben.
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Für die in F i g. 3 gezeigten Kurven sind einige
vereinfachende
Annahmen gemacht worden. Beispielsweise ist die vor dem Zeitpunkt t0 der endgültigen
Stromunterbrechung auftretende Bogenspannung am Prüfling T nicht dargestellt. Auch
wurde die Wiederkehrspannung Vals der Spannung V' gleichend angenommen, obwohl sie
wegen des Spannungsabfalls an den Induktivitäten L und L1 tatsächlich etwas niedriger
ist. Der Spannungsabfall an der Induktivität L ist jedoch sehr gering, und die bevorzugte
Obergrenze von 0,3 für das Verhältnis der Impedanzen von L1 und R gewährleistet,
daß die Wiederkehrspannung V nicht geringer als etwa 0,9 V' wird.