DE1800205A1 - Stromunterbrecher fuer hohe Gleichspannungen - Google Patents

Description

Dr. Horst Schüler 1800205

Patentanwalt -

6 Frankfurt/Main 1 !
Niddastr. 52 :

30. Sep. 1968

; ' 887 - HD - 3088

General Electric Company, 1 River Road, Schenectady N.Y., USA Stromunterbrecher für hohe Gleichspannungen

Die Erfindung bezieht sich auf Unterbrecher für hohe Gleichspannungen und im besonderen auf Unterbrecher, bei denen zur Erzeugung, «ines Stromnulldurchganges ein Kommutierungskondensator durch einen Schalter entladen wird.

Bei der hier interessierenden Anordnung zur Stromunterbrechung ist ein Stromunterbrecher mit einem Gleichspannung führenden Hochspannungsnetz in Serie gelegt, das einen Verbraucher durch den Unterbrecher hindurch mit Strom versorgt. Parallel zum Unterbrecher liegt ein normalerweise offener Kommutierungskreis mit einem aufgeladenen Kondensator. Wenn der Gleichstromkreis geöffnet werden soll, wird dieser Kondensator durch den Unterbrecher und den Kommutierungskreis hindurch entladen, wodurch

ORfQINAt INSPECTED

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der Strom durch den Unterbrecher zu Null gemacht werden kann. Die Einführung dieses Stromnulldurchganges gibt dem Unterbrecher die Möglichkeit, seine Durchschlagsfestigkeit wieder zu gewinnen und die Stromunterbrechung zu vervollständigen.

Ob nun der Unterbrecher zu diesem Punkt den Strom bereits vollständig unterbrechen kann, hängt davon ab, ob er der Spannung widerstehen kann, die sich unmittelbar nach dem Stromnulldurchgang aufbaut. Diese sich nach dem Stromnulldurchgang aufbauende Spannung hängt zum großen Teil von den Kapazitäten, den Induktivitäten und den Widerständen ab, die dann in einem Stromkreis vorhanden ind, der von der Gleichstrom* quelle über die Gleichstromleitungen, den Kommutierungnkondensator und durch irgendwelche Lasten verläuft, die noch im Stromkreis verblieben sind. Dieser Stromkreis ist ein Schwingkreis, bei dem die Induktivitäten des Systems und der Kommutierungskondensator in Serie liegen. In dem Augenblick, in dem der Strom im Unterbrecher unterbrochen "wird, beginnt ein fortlaufender Energieaustausch zwischen diesen Induktivitäten und dem Kommutierungskondensator, der sich durch Schwingungen bemerkbar macht, und diese Schwingungen stellen eine wesentliche Komponente derjenigen Spannung dar, 'die sich unmittelbar nach einem StrojnnulldurchEang an dem Unterbrecher aufbaut.

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Die Aufgabe, die mit der Erfindung gelöst werden soll, besteht darin, den. Maximalwert derjenigen Spannung herabzusetzen, der durch diese Schwingungen hervorgerufen wird, so daß die Wahrscheinlichkeit größer wird, daß der Unterbrecher dieser Spannung ohne Durchschlag widerstehen kann.

Eine Möglichkeit hierzu besteht darin, den Kommutierungskondensator zu vergrößern. Dieser Möglichkeit sind aber aus wirtschaftlichen Gründen Grenzen gesetzt, da dieser Kondensator aus wirtschaftlichen Gründen so klein wie möglich sein sollte.·

Ein weiteres Ziel der Erfindung liegt daher darin, den . Spitzenwert der Spannung, der durch diese Schwingungen hervorgerufen vrird, zu Verkleinern, ohne daß der Kommutierungskondensator größer gemacht zu werden braucht.

Diese Ziele werden bei einer erfindungsgemäßen Ausführungsform' eines Stromunterbrechers dadurch erreicht, daß vor dem Eingang des Stromunterbrechers und der S'tronrückleitung eine Vorrichtung zur Unterdrückung von Spannungsspitzen angeordnet ist. Diese Vorrichtung zur Unterdrückung von ■Spannung??spitzen weist einen Funkenstreckenschalter auf, der kurz vor den Nulldurchgang gezündet wird, also noch vor dem Zeitpunkt, an dem die Gegenspannung am Unterbrecher einen nennenswerten Wert erreicht hat. Nach dem Zünden die-

ORfQINAl INSPHCTED

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ses Funkenstreckenschalters fließt ein Strom durch die Vorrichtung zur Unterdrückung der Spannungsspitzen-, so daß die in den Schwingungen enthaltene Energie vernichtet wird. Zur'vervollständigung der Stromunterbrechung muß dieser Strom in dem Funkenstreckenschalter beendet werden, vrenn die· Energie der Schwingungen vernichtet worden ist. Dieser Strom wird dadurch unterbrochen, daß mit Hilfe eines -weiteren Kommutierungsstromes qin Stromnulldurchgang in dem Funken-Streckenschalter erztirungen wird.

Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, den Kornmutierungsstrom für die Vorrichtung zur Unterdrückung von Spannungsspitzen und für den Hauptunterbrecher aus dem gleichen Kondensator abzuleiten. Wenn man nämlich für diese zusätzlichen Funktionen nur einen einzigen Kondensator verr wendet, kann man einen zusätzlichen teuren Kondensator einsparen. . ,

Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, den Strom in der Anordnung zur Unterdrückung von Spannungsspitzen derart zu unterbrechen, daß keine überspannung entsteht, gegen die das Netz zusätzlich geschützt werden muß.

Schließlich besteht noch eine Aufgabe der Erfindung darin, mit einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zur Un-

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terbrechung von Gleichströmen ein Gleichspannung führendes Hochspannunßsnetz gegen Dlitzeinschlüße zu schützen.

Im folgenden soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen im einzelnen beschrieben werden. .

Figur 1 zeigt schematisch fine erfindungsgemäße Anordnung zur Stromunterbrechung. Diese Anordnung ist im normalen geschlossenen Zustand dargestellt.

Figur 2 zeigt schematisch die Anordnung nach Figur 1 während einer Stromunterbrechung. !

I
i

Figur 3 ist eine graphische Darstellung und stellt den zeit-

liehen Verlauf des Stromes;dar, der während einer Stromunterbrechung in der Anordnung nach Figur 1 bzw. Figur 2 fließt.

Figur 4 zeigt schematisch einen Ausschnitt aus der Anordnung nach den Figuren 1 und 2. !

In der Figur 1 ist schematisch ein Gleichspannung führendes Hochspannungsnetz mit einer Gleichspannungsquelle 12, einer Last Ik und einer Leitung Ϊ6 dargestellt, durch die der

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Last Gleichstrom zugeführt wird. Es sei angenommen, daß der normale Strom in Richtung der Pfeile 17 fließt und Über eine Rückleitung 19 zur Gleichspannungsquelle zurückkehrt. Die 'Gleichspannungsquelle 12 ist schematisch als ein Transformator 20 und ein Gleichrichter 21 dargestellt, der in Serie mit der Sekundärwicklung des Transformators liegt.

- i

Um den Strom für die Last 14 ein- und ausschalten zu kön- ^ nen, ist ein Stromunterbreöher 25 zwischen der Last l^l\ und der Gleichspannungsquelle 12 in die Leitung 16 eingesetzt. Die eingangsseitige Induktivität des ganzen Netzes ist nit 18 bezeichnet worden.

Bei der dargestellten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Unterbrecher 25 ein Vakuumunterbröcher. Dieser Vakuumunterbrecher v/eist ein hochevakuiertes, zum Teil aus Isoliermaterial hergestelltes Gehäuse 26 auf, in dem zwei gegeneinander bewegbare Kontakte 27 und 28 angeordnet sind. ' Der feststehende Kontakt ist der linke Kontakt 27, wahrend der rechte Kontakt 28 der bewegbare Kontakt ist, der rechts aus dem Gehäuse 26 herausragt. Der rechte Kontakt 28 und das Gehäuse 26 sind mittels eiries Federbalges 29 vakuumdicht miteinander verbunden, so daß ;der rechte Kontakt 28 horizontal hin- und hergeschoben werdön kann, ohne daß das Vakuum im Gehäuse 26 beeinträchtigt wird.

L INSPECTED

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Der rechte Kontakt 28 wird in der SchlieP>ste llung nach Figur durch eine Klinke 30 festgehalten und durch eine Feder 32 · nach rechts in die öffnungsstellung vorgespannt. Wenn die Klinke 30 freigegeben wird, zieht die Feder 32 den bewegbaren Kontakt 28 nach rechts, so daß zwischen den Kontakten ein Spalt 33 entsteht, der in Figur 2 pargestellt ist. Bei dieser Trennung der Kontakte entsteht in dem Spalt 33 ein Lichtbogen 3*1, der schnell erlöscht und auch nicht wieder zündet, so daß der Stromkreis unterbrochen wird. Die Art und V/eise, wie dieses geschieht, wird noch näher erläutert. Um die lie tall dämpf e , die durch den Lichtbogen erzeugt v/erden, kondensieren zu können, und um die Isolation des Gehäuses 26 vor diesen Iletalldämpfen zu schützen, ist innerhalb des Gehäuses ein Abschirmzylinder 31 aus Hetall vorgesehen worden.

Der Vakuumunterbrecher 25 kann von üblicher Bauart sein und ist daher nur schematisch dargestellt. Ausführungsbeispiele für Vakuumunterbrecher, die in einer erfindungsgemäßen Anordnung verwendet werden können, sind in den US-Patentschriften 2,9^9,520 und 3,089,936 beschrieben worden.

Die Unterbrechung von Gleichstrom ist wesentlich schwieriger als die Unterbrechung von Wechselstrom, da Wechselstrom natürliche Hulldurchgänge aufweist. Bei Wechselströmen treten die liulldurehgänge nach jeder Üalbwelle auf, und um Wechselstrom

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zu unterbrechen, ist es nur notvrendig, eine Rückzündung des Lichtbogens nach einem Nulldurchgang zu vermeiden. Bei der Unterbrechung von Gleichstrom ist es jedoch erforderlich, zuerst den Strom auf Null herunterzudrücken und anschließend

dafür zu sorgen, daß keine

Rückzündungen mehr auftreten.

Eine Möglichkeit, den Strom in einem Unterbrecher zu Null zu machen, besteht darin, einen Hilfsstrom durch den Unterbrecher hindurchzuschicken, der dem Hauptstrom entgegengesetzt r,errichtet ist. Diese Möglichkeit wird im dargestellten Augführungsbeispiel verwendet, und zwar wird der Hilfsstrom aus dem Kommutierungskondensator 35 abgeleitet. Wie noch näher erläutert wird, ist der Kondensator 35 mit der in der Figur dargestellten Polarität aufgeladen. Der Kondensator 35 ist in einem Kommutierungskreis oder Löschkreis 36 angeordnet, der die Kontakte 27, 28 des«Unterbrechers 25 überbrückt. Der _v Bogenlöschkreis 36 ist normalerweise geöffnet, da in ihm in Serie mit dem Kommutierungskondensator 35 ein normalerweise offener Schalter 38 liegt. Wenn der Schalter 38 geschlossen wird, entlädt sich der Kondensator 35 durch eine Schleife, in der die Unterbrecherkontakte 27 und 28 und der Bogenlöschkreis 36 in Serie liegen. ¹Zu Beginn fließt der Entladungsstrom D in der Schleife auf den¹ Kontakten 27 und 28 und dem Bögeη-

INSPJICTE0

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ι löschkreis 36 in Richtung der· Pfeile 39.

Diese Schleife stellt einen Schwingkreis dar. Die Kapazität

dieses Schwingkreises besteht hauptsächlich aus dem Kondensator 35, während seine Induktivität als Induktivität 50 dargestellt werden kann. Dieser Entladestrom ist ein Strom mit einer verhältnismässig hohen Frequenz/ der dem Strom Ij. auf der Leitung 16 überlagert.ist. Dieser Zusammenhänc ist in der Figur 3 dargestellt, in der der gesamte Strom durch den Unterbrecher als Kurve I„, gezeigt ist. Wenn sich der Kondensator am Zeitpunkt 52 zu entladen beginnt, baut sich der Entladestrom Ι» sehr rasch bis zu einem positiven Spitzenwert auf und nimmt dann bis zu einem negativen Spitzenwert ab. Dieser

ι
negative Spitzenwerk des Entladestromes fließt durch den Unterbrecher 25 in einer Richtung hindurch, die der Richtung des Stromes I, entgegengesetzt ist, so daß der gesamte Strom · Im im Augenblick 53 der Figur 3 Null wird.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die Stromunterbrechung du^ch Trennen der Kontakte 27 und 28

I
eingeleitet, so daß zwischen den Kontakten ein Lichtbogen

entsteht, wie es in Figur 2 gezeigt ist. Nach einer vorgegebenen Zeitspanne wird dann der Schalter 38 geschlossen, um den Dogenlöschkreis 36 zu vervollständigen. Dieses ist ebenfalls in Figur 2 dargestellt. Dadurch fließt der hochfrequente Ent-

ι ORIGfNAL INSPECTED

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ladestrom I_D durch den Bogenlöschkreis 36 und den Unterbrecher 25 hindurch, so daß der G^samtstrom Null wird, wie es in der Figur 3 dargestellt und eben gerade beschrieben wurde. Wenn

i " ■

der Gesamtstrom Null wird> erlöscht der Lichtbogen zwischen den Kontakten. i

Die Stromunterbrechung ist dann vollständig, wenn der Spalt 33* fc der dann zwischen den Kontakten 27 und 28 vorhanden ist," der Gegenspannung widerstehen kann, die sich an dem Spalt nach dem Stromnulldurchgang sehr rasch aufbaut. Der dargestellte Unterbrecher ist ein Vakuumunterbrecher, bei dem sich die Durchschlagsfestigkeit nach dem Erlöschen des Bogens bei einem Stromnulldurchgang außerordentlich rasch wieder einstellt, und dieses unterstützt die Unterdrückung von Rückzündungen durch die Gegenspannung. Ein weiteres Mittel, die Wahrscheinlichkeit für Rückzündungen herabzusetzen, besteht darin, den Spitzenwert zu beschneiden, den diese Gegenspannung erreichen kann. Dieses

wird noch im einzelnen erläutert.

Der normalerweise offene. Schalter 30 ist vorzugsweise ein steuerbarer Funkenstreckenschalter, wie er beispielsweise in der US-Patentschrift 3,087,092 beschrieben worden ist. Der Spalt dieses Schaltern wird durch zwei Hauptelektroden Ί0 und Ί2 gebildet, die in einem hochevakuierten Gehäuse M .

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in einem bestimmten Abstand voneinander angeordnet sind.

Dieser Spalt ist mit 45 bezeichnet. In der Nähe der einen Hauptelektrode 42 ist eine Zündelektrode 46 angeordnet, die von einer wasserstoffimprägnierten Titanschicht auf einem keramischen Stab 48 gebildet ist. Dieser keramische Stab 48 ist koaxial zur Hauptelektrode 42 angeordnet und außen gegen die Hauptelektrode 42 abgedichtet. Ein Teil des Keramikstabes 48 ist nicht mit Titan beschichtet. Dieser Teil begrenzt einen Zündspalt 51 und isoliert unter normalen Verhältnissen die Zündelektrode 46 von der Hauptelektrode 42. Durch den Keramikstab 48 geht eine elektrische Leitung 49 hindurch, die oben an der Zündelektrode 46 endet.

Wenn zwischen die Zündelektrode 46 und die Hauptelektrode 42 ein elektrischer Impuls angelegt wird, findet im Zündspalt ein Durchbruch statt, und der dabei entstehende Funken setzt aus der wasserstoffimprägnierten Zündelektrode 46 eine kleine Menge Wasserstoff frei. Dieser Wasserstoff wird schnell ionisiert und gelangt in den Hauptspalt 45 hinein. Dadurch wird die Durchschlagsfestigkeit- des HauptSpaltes herabgesetzt und der Durchschlag im Hauptspalt eingeleitet. Der Lichtbogen, der sich nach dem Durchschlag des Hauptspaltes 45 zwischen

den Elektroden 40 und 42 ausbildet, ist in der Figur 2 bei dargestellt. Wenn der Haupfespalt 45 durchgeschlagen ist, kann

^; ''. ORIGINAL INSPECTED

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sich der Kommutierungskondensator 35 über den Lichtbogen 47

durch den BogenlÖschkreis

36 entladen, wie es bereits be-

■V \.

schrieben wurde, so daß der Strom im Hauptunterbrecher 25 Null wird.

Wenn der Strom in dem Bogehlöschkreis 36 schließlich Hull wird, was noch erklärt werden soll, stellt sich die Durchschlagsfestigkeit des Hauptspaltes 45 im Schalter 30 von

selbst wieder ein, so daß

sich der Punkenstreckenschalter 38

wieder in seinem normalerweise Geöffneten Ausgangszustand befindet.

Die Impulse zum Zünden des Zündspaltes werden von irgendeinem üblichen Impulsgenerator abgeleitet. Ein solcher Impulsgenerator ist bei 56 dargestellt worden. Er ist Über Impulsleitungen 49 j 5i mit der Zündelektrode und der Hauptelektrode verbunden. Der Impulsgenerator 56 wird von dem bewegbaren Kontakt 28 des Unterbrechers"25 angesteuert, wenn der bewegbare Kontakt 28 auf seinem Öffnungshub einen bestimmten Punkt erreicht hat. An dieser Stelle schließt eine Nooke 7*1 auf dem bewegbaren Kontakt 20 'einen normalerweise offenen Schalter 75, so daß ein Einschaltkreis 73 für den Impulsgenerator 56 geschlossen wird. Dadurch Wird an den Zündspalt 51 ein ZÜndimpuls angelegt, durch den, der Funkenstreckenschalter 38 geschlossen wird. Die Figur ;2 zeigt, welche Stellung die verschiedenen Einzelteile einnehmen, nachdem der Schalter 75

INSPECTED

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geschlossen ist, um zur einen Zündimpuls aus dem

Zündung des Funkenstreckenschalters 38 Generator 56 hervorzurufen.

Eine Möglichkeit zum Aufladen des Kommutierungskondensators 35, die auch beim erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel verv/endet

wird, ist bereits vorgeschlagen worden. Nach diesem Vorschlag wird der Kondensator 35 ohne; Verwendung einer zusätzlichen Hilfsquelle direkt von den Netzleitungen 16 und 19 her aufgeladen. Hierfür ist der Konimutierungskondcnsator 35 direkt mit dem Eingang des,Unterbrechers 25 verbunden, und zwischen der Verbindung zwischen dem Kondensator 35 und dem Schalter 3ß geht ein Aufladezweig 5^ zur Rückleitung 19 ab. Der Kondensa-

tor 35 ist daher immer mit dem Gleichspannungsnetz verbunden, also auch dann, wenn der Schalter 38 offen ist.

Der Aufladezweig 5^ weist einen ziemlich hohen Widerstand 55 auf. Unabhängig davon, ob der Unterbrecher 25 offen oder geschlossen ist, sind der Kommutierungskondensator 35 und der in Serie dazu liegende Widerstand 55 an die Anschlüsse der Gleichspannungsquelle 12 angeschlossen. Unabhängig davon, ob der Unterbrecher 25 offen oder geschlossen ist, kann der Kondensator 35 von der Spannungsquelle 12 her auf die volle Netzspannung aufgeladen werden (sofern der Schalter 38 offen

ist). . ■ i

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■ Da der KoiranutierunEskondensator auch dann auf die volle Uetz-. spannung aufgeladen wird, wenn der Unterbrecher 25 offen ist, ; j ist es möglich, den Unterbrecher 25 zu schließen und dabei ' die Gexvähr zu haben, den .Unterbrecher unmittelbar darauf wieder · öffnen zu können, wenn dieses beispielsweise durch einen Fehler

im Netz notwendig erscheint.' , !

Der Widerstand 55 sollte einen verhältnismässig hohen Wert '< haben, damit sich der Kondensator 35 nicht zu schnell ent- W \ lädt, wenn ein Fehler zwischen den Leitungen 16 und 10 an einer Stelle auftritt, die dicht am Unterbrecher 25 liegt. Ein solcher Fehler ist in der Figur 1 mit F bezeichnet worden. Wenn nämlich ein derartiger Fehler am Ausgang dos Unterbrechers auftritt, würde der Widerstand 55 durch diesen Fehler dem Kondensator 35 parallel geschaltet werden, so

daß sich der Kondensator durch den Widerstand 55 hindurch zu entladen beginnt. Wenn jedoch der Kondensator 35 vor dem Schließen des Schalters 33 bereits einen wesentlichen Teil seiner Ladung verloren hat, kann er den erforderlichen Konmu-

¹ ι

tierungsstrom nicht mehr liefern, tfenn der Schalter 38 geschlossen wird. Der Widerstand 55 sollte also so groß sein, daß eine derartige zu schnelle Entladung des Kondensators nicht möglich ist.

Um das öffnen der ganzen Strbmunterbrecheranordnung auszu-

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lösen, ist ein üblicher Steuerkreis 59 vorgesehen, der vereinfacht und schenatisch dargestellt ist. Dieser Steuerkreis 59 weist eino Leitung 60 auf, die zwiochen dom positiven und

!
I

negativen Anschluß einer Steuerspannungsquelle verläuft. Diese Leitung führt zu normalerweise geöffneten Kontakten 62a eines überstromrelais 62 und zur Spule eines Auslösemagneten

; 6k_t mit dem die Klinke 30 gesteuert wird. Wenn der Strom in der Leitung 16 einen vorgegebenen Viert überschreitet, zieht das Relais 62 an, so daß die^ Kontakte 62a geschlossen werden. Dadurch wird der Stromkreis für den Auslösemagneten 6Ί ge-

j schlossen. Der Auslösemagnet löst daraufhin die Klinke 30

ι aus, worauf hin der Unterbrecher 25 geöffnet wird.

j j ; :

ι _t

; Man kann die ganze Anordnung; auch von Hand Öffnen, vrenn nan ! einen Schalter 80 schließt, der den normalerweise offenen ι Kontakten des überstromrelaip 62 parallel geschaltet ist.

! Dadurch wird der Auslösestromkreis 59 geschlossen, so daß das öffnen der ganzen Anordnung ausgelöst wird, wie es bereite

; beschrieben wurde. ^:

■ 1

I (

Als Unterbrecher 25 wird in per Anordnung zum Unterbrechen von Gleichstrom ve zugsweise ein Vakuumunterbreeher ver-

i
wendet. Man kann aber auch andere Arten von Schaltgeräten

verwenden, beispielsweise steuerbare Siliziumgleichrichter.

ORIGINAL INSPECTED

V "«

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Ea wurde bereits darauf hingewiesen, daß sich an dem Spalt 33 eine aecenspannunc; aufbaut, wenn der Strom des Lichtbocens 3^ im Unterbrecher 25 durch den Entladestrom des Kommutierungokondensators 35 zu Null gemacht worden ist. Eine wesentliche Komponente dieser Gegenspännung stammt von der Energie, die in der InduktivitätIl8 gespeichert ist und mit der der Kondensator 35 aufgeladeri wird, sobald der" Strom in Unterbrecher 25 Null wird. In vielen praktischen Fällen kann die Menge dieser Energie außerordentlich hoch sein, so daß der Kondensator 35 ohne die erfindungsgemäßen MaP>nahnen auf eine außerordentlich hohe Spannung aufgeladen werden kann. Der maxifnale Spannungswert, auf den der Kondensator durch diesen Vorgang aufgeladen werden kann, wird jedoch durch

einen Schaltkreis.99 beschrär fenen Funkenstreckenschalter

ikt, der einen normalerweise of-100 und einen nicht-linearen

Widerstand 102 aufweist, di^e jin Serie hintereinander zwischen den netzseitigen Anschluß des Unterbrechers 25 und die Rückleitung 19 geschaltet sind. Dieser Funkenstreckenschalter wird etwa in der Gegend des Stromnulldurchganges gezündet, und awar vorzugsweise unmittelbar nach diesem Nulldurchgang, jedoch noch bevor dem Zeitpunkt, an dem die Gegenspannung an den Kontakten auf eirten Wert angestiegen ist, bei dem Rückzündungen im Spalt zwischen den Kontakten des Unterbrechers 25 auftreten könnenJ Das Zünden des Funkenstreckenschalters 100 leitet Strom durch den Kreis 99 über den nicht-

■_x ^ '■■.:■ , - ORiGlNAL INSPECTED

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linearen Widerstand 102 ab, έο daß die Energie der Schwingungen

in dem nicht-linearen Widerstand vernichtet wird.

. ^!Der Funkenstreckenschalter 100 ist vorzugsweise ein steuor-

Ibarer Vakuumschalter der gleichen Art, wie er für den Funken- !Streckenschalter 38 verwendet wird. Die Einzelteile des Funikenstreckenschalters 100, die entsprechenden Einzelteile dos

j j

;Funkenstreckenschalters '3O gleichartig sind, sind daher mit

j !

-den gleichen Dezugsziffern bezeichnet worden, nur wurde vor jede Bezugsziffer noch eine 1 gesetzt. Der Funkenstreckenschalter 100 wird durch ein Impuls aus einem Impulsgenerator I101 gezündet, wenn ein Schalter I03 im Eingangskreis 104 des Impulsgenerator^ geschlossen;wird.

I
I

!Der nicht-lineare Widerstandi 102 ist vorzugsweise aus einen Material mit einer negativen'Widerstands-Strom-Kennlinie hergestellt, wie es beispielsweise von der Firma General Electric Company unter dem Warenzeichen "Thyrite" vertrieben wird. Wenn der Strom in diesem Widerstand 102 unmittelbar nach den Zünden des Funkenstreckenschalters 100 hoch ist, ist der Wert des Widerstandes 102 niedrig^ so daß» hohe Ströme durch den Widerstand hindurchfließen können, ohne daß der Spannungsabfall am Widerstand 102 zu groß wird. Wenn die Energie des Spannungsstoßes fast gänzlich vernichtet ist, wird der Wert

j
des Widerstandes 102 rasch größer, so daß der Strom durch

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den Kreis 99 auf einen wesentlich niedrigeren Wert begrenzt

wird, der beispielsweise ein

Zehntel des ursprünglichen Stro

mes in der Netzleitung betrafen kann.Der nicht-lineare Widerstand 102 ist so gewählt., daß er den Folgestrom so stark als möglich begrenzen klann, ohne daß sich während der anfänglichen Entladung der Überspannungsenergie ein zu hoher Spannungsabfall an diesem Widerstand aufbaut.

^ Der Funkenstreckenschalter IpO, der ein Vakuumschalter ist, kann den Strom im Kreis 99 erst dann unterbrechen, wenn der Strom auf Hull heruntergedrückt worden ist. Um dieses zu erreichen,, wird dem Funkenstreckenschalter 100 ein Kommutierung' strom zugeführt, der vom gleichen Kondensator 35 abgeleitet

ist, der bereits zur Umkehr des Stromes im Hauptunterbrecher

j ' I

25 verwendet wird. Der Konderisator ist zu diesem Zeitpunkt aufgeladen, da er von dem Ub^rspannungsstoß aufgeladen wurde,

wie es bereits beschrieben worden ist.

ί ■ '

' ;Um diesen Kommutierungsstrom,auszulösen, ist ein dritter

¹ steuerbarer Funkenstreckenschalter 200 vorgesehen, der ebenfalls ein Vakuumschalter-ist I und in Serie mit dem Kondensator 35 über den zweiten Funkenstreckenschalte-r 100 geschaltet

ist. Dieser Funkenstreckenschalter 200 ist normalerweise

. geöffneti Er kann jedoch durch einen Impuls aus einen Impulsgenerator 201 gezündet werden, der an dem Zündspalt 251 an-

:■■ ^; ■·!·;. ORIGINAL INSPECTED

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gelegt wird. Der Impulsgenerator 201 gibt dmn den Zündimpuls

i-

ab, wenn in seinem Eingangskreis 2O'l ein passender Schalter 203 geschlossen wird. Wie dad Schließen des Schalters 203

^gesteuert wird, ist nicht Gegenstand der Erfindung und ist daher auch nicht dargestellt. In einer Ausführungsform kann

man hierfür einen einfachen Verzögerungskreis (nicht gezeigt) verwenden, der den Schalter 203 etwa IO msec nach dem Zünden des Funkenstreckenschalters 100 schließt. Wenn der dritte

;Punkenstreckenschalter 200 geizündet wird, kann sich der 'Kommutierungskondensator über die Leitungen 105 und 106 durch ;ihn hindurch entladen. Die Induktivität dieses Entladungsweges ist bei 108 dargestellt. Dieser Entladungsstrom ist .ein oszillierender Strom, der dem Strom I_D aus Figur 3 ähn

lich ist. Er bringt daher der

gesamten Strom im Funkenstrecken

schalter 100 auf die gleiche ,Weise auf Null.

'Wenn der Strom Null geworden ist, bildet sich an dem Funken-Streckenschalter 100 eine Gegenspannung aus, jedoch ist der Maximalwert dieser besonderen Gegenspannung verhältnismässig niedrig, so daß sie nicht zu Rückzündungen im Funkenstreckenschalter 100 führt. Ikr Grund 'dafür, daß der Maximalviert dieser Gegenspannung verhältnismässig niedrig ist, besteht darin,

daß der Strom, der vom Funkertstreckenschalter 100 unterbrochen wird, durch die strombegrenzende Wirkung des nichtlinearen Widerstandes 102 uniiiittelbar vor der Kommutierung

INSPECTED

■9 0 9 8.2 0/0-8 1-3

im Funkenetreckenschalter iod ebenfalls niedrig ist. Da die

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in der Induktivität 18 gespeicherte Energie dem.Quadrat dieses Stromes direkt proportional ist, brauchen nur geringere

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Energiemengen vernichtet zu werden, und dieses kann von dem Kommutierungskondensator 35 durchgeführt werden, ohne daß j eine zu hohe Spannung entwickelt werden muß.

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Um nun die anschließenden Spannungsübergänge möglichst gering zu halten, ist in dem Kommutierungskreis 105, 106 ein Wider-,

stand 107 vorgesehen, der jedoch die gewünschte Stromunter*- brechung durch den Funkenstreckenschalter 100 nicht beeinträchtigt. Dieser Widerstand ^!107 sorgt dafür, daß der fommu-

tierungsstrom im Kommutierunßjskreis 105, 106 nicht zu hoch

wird. Da im Funkenstreckenscl: gerer Strom als im Unterbrecl¹

auch der Kommutierungsstrom ν I_D sein.

älter 100 ein wesentlich niedrier 25 unterbrochen wird, kann esentlich kleiner als der Strom .

Aus der bisherigen Beschreibung geht also hervor, daß nur ein einziger Kommutierungskondensator 35 verwendet wird, um den Strom im Hauptunterbrecher 25 und im Kreis 99 zur Unter-

drückung von Überspannungen auf Null zu bringen. Die Vervrendung ein und desselben Kondensators zur Durchführung dieser beiden Funktionen stellt einen erheblichen wirtschaftlichen Vorteil dar, da auf diese Weise einer der beiden sonst benötigten teuren Kondensatoren eingespart wird»

_: ORIGINAL INSPECTED-

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Der Kreis 99 zur Unterdrückung von Überspannungen arbeitet

; ί

unabhängig davon in der oben ,beschriebenen Weise, ob der Stromunterbrecher aufgrund eines Fehlers oder auf Wunsch geöffnet wird. Wenn der Unterbrecher aufgrund eines Fehlers geöffnet wird, wird er dabei wesentlich stärker belastet, da

ι
die höheren StrÖmee, die bei einem solchen Fehler auftreten, auf die Speicherung wesentlich höherer Energiemengen in der Induktivität 18 führen, die im Kreis 99 vernichtet werden müssen.

Bisher wurde nur erörtert, wie die Energie abgeführt werden kann, die netzseitig gespeichert ist. Es kann aber auch Energie auf der Lastseite des Unterbrechers gespeichert sein, die unmittelbar nach einer Stromunterbrechung abgeführt werden muß. Die lastseitige Induktivität, die schematisch bei löa dargestellt ist, entlädt die in ihr gespeicherte Energie über den Fehlerstromweg F und drückt dabei die Spannung an den Ausgangsklemmen des Unterbrechers in die negative Richtung. Um auch diese Energie abführen zu können, ist ein lastseitiger Kreis 399 zur Unterdrückung von Überspannungen vorgesehen, der einen steuerbaren Funkenstreckenschalter 300 und einen dazu in Serie gelegten nicht-linearen Widerstand 302 aufweist. Dieser Kreis 399 ist lastseitig zwischen die Stromleitung 16

und die Rückleitung 19 gelegte

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t ·

Ö 0 9 8 2 d / 0 8 13

422-

i 1

Der steuerbare Funkenstreckerischalter 300 ist genau so wie der Funkenstreckenschalter 3$ aufgebaut, so daß die gleichen Dezugs'ziffern verwendet worden sind. Vor die Bezugsziffer für die Einzelteile des Funken-stffeckenschalters 300 ist jedoch je-

Iweils eine 3 gesetzt worden.

Der nicht-lineare Widerstand .302

entspricht dem Widerstand IO4» Sein Widerstandswert nimmt mit ansteigendem Strom ab.

Kurz nach einem Nulldurchgang im Ilauptunterbrecher, und wenn

die Spannung am Funkenstreckenschalter 3©0 einen bestimmten Viert erreicht, wird der Funkenstreckenschalter 300 von einer. Impulsgenerator 30I gezündet, so daß der Kreis 399 geschlossen ;wird. Dadurch kapn die Energie, die lastseitig in der Induktivität lOa gespeichert ist, irji einer geschlossenen Schleife I j

'abfließen, die aus dem Fehlerstromweg F, einem Teil der

Rückleitung 19, dem Kreis 399 und einem Teil der Hetzleitung 16 besteht. Der Funkenstreckenschalter 300 braucht nicht in ) |der Lage zu sein, einen Strom unterbrechen zu können, da lastjseitig keine Stromquelle vorhanden ist, die laufend Strom

durch den Kreis 399 fliessen

lassen würde. Der lastseitige

Strom ällt vielmehr in einerjZeit auf Null ab, die der Zeit-

konstanten L/R des oben angegebenen Kreises proportional ist.

Hierbei bedeuten L die Induktivität und R den Widerstand dieses Kreises. Durch den nicht-^linearen Widerstand 302 ist der Wert für R verhältnismässig hoch, so daß die Abfallzeit des

^ ' ORIGINAL INSPECTED-

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Stromes stark verkürzt ist. Wenn der Strom in dem Kreis 399 Null erreicht hat, stellt si6h die Durchschlagfestigkeit des Funkenstreckenschalters 300 wieder ein, so daß er seinen Ur-,sprünglichen, nicht-leitenden Zustand wieder einnimmt.

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Die Spannung, die an den getrennten Kontakten des Ilauptunterbrechers unmittelbar nach einem Stromnulldurchgang auftritt, ist gleich dem Unterschied fischen der Netzspannung (zwischen

ι
den Leitungen 16 und 19) an der Netzseite des Unterbrechers

und der Spannung (zwischen den Leitungen 16 und 19) auf der Lastseite des Unterbrechers. Diese beiden Spannungen sind entgegengesetzt gerichtet. Diese Spannung wird dadurch auf einen verhältnismässig niedrigen Viert begrenzt, daß die Funkenstreckenschalter 100 und 300|gezündet werden, wenn die Spannungen an diesen Funkenstreckenschaltern verhältnismässig niedrig sind, und dadurch, daß der Spannungsabfall an den nicht-linearen Widerständen iO2 und 302 durch passende Wahl dieser Widerstände klein gehalten wird. In einer Ausführungsform der Erfindung sind die nicht-linearen Widerstände so gettfählt, daß der maximale Spannungsabfall am Widerstand 100 1,6 pro Einheit und der maximale Spannungsabfall am Widerstand 302 -0,8 pro Einheit beträgt. Wie bereits erwähnt, entspricht die maximale Spannung an den Kontakten dem Unterschied zwischen diesen beiden Spannungen, also in diesem Fall 2,4 pro Einheit.

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In einer bevorzugten Ausführungsform dient der netzseitige

Kreis 99 zur Unterdrückung ν des Hauptunterbrechers zu be

in überspannung nicht nur dazu,

während der Stromunterbrechuhg die Spannung an den Kontakten

grenzen, sondern auch gleichzeitig

als überspannungsschutz während des normalen Betriebs. Dieser Kreis 99 zur Unterdrückung von Überspannungen kann alo Blitz

schutz verwendet werden, da

3r den üblichen Polgestrom unter

brechen kann, der nach dem anfänglichen Durchschlag fließt, der von einem Blitz hervorgerufen wird. Dieser Folgestrom wird

dadurch unterbrochen, daß der Kommutierungskondensator 35 durch Zünden des Funkenstreckenschalters 200 in dem Hilfskommutierung3kreis 105, 106 entladen wird. Dadurch kann sich der

i ι

Kommutierungskondensator 35 Üurch den Funkenstreckenschalter 100 entladen, und zvrar über den Ililfskommutierungskreis 1Ö5,

200, 106, so daß der Strom i

η Funkenstreckenschalter 100

auf Null heruntergedrückt wird und der Funkenstreckenschalter 100 seine Durchschlagsfestigkeit wieder erlangen kann.

■ Der lastseitig angeordnete Kreis 399 zur Unterdrückung von Überspannungen kann nicht als Blitzschutz dienen, da in ihm dor Strom nicht von selbst gelöscht werden kann. Es ist daher

wichtig, daß in dem Kreis 39p durch einen Blitz kein Durchschlag hervorgerufen wird. Um diese; Möglichkeit auszuschließen, liegt die Durchschlagsspannung des lastseitig angeordneten

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Funkenstreckenschalters 300 Merklich über der Durch3Chlagn-I spannung des netzseitig angeordneten Funkenstreckenschalters ί 100. Wenn daher ein von einem Blitz hervorgerufener Spannungs-

j i

¹ stoß die Leitung 16 entlang Wandert, wird der netzseitige Funkenstreckenschalter 100 und nicht der lastseitig angeordnete > Funkenstreckenschalter 300 gezündet. Ntfr während einer Strom-¹ unterbrechung selbst wird die Durchschlagsspannung in dem ¹ lastseitig angeordneten Kreils 399 zur Unterdrückung von iiber-' spannungen herabgesetzt, wie es bereits erläutert vmrde.

; Durch die Verwendung von steuerbaren Funkenstreckenschaltorn, . die als Vakuumschalter ausgebildet sind, in den Kreisen 99

■ - i

und 399 zur Unterdrückung von überspannung ist die ganze Etrom-

I
ι Unterbrecheranordnung außerordentlich flexibel. Die Bedingungen,

unter denen ein Durchschlag hervorgerufen wird, können durch ■ eine einfache Einstellung der Impulsgeneratoren für die jeweiligen Funkenstreckenschalter schnell und genau geändert werden. So schlägt beispielsweise der Funkenstreckenschalter 100 unter normalen Bedingungen dann durch, wenn an ihn eine vorgegebene hohe Spannung anliegt. Dadurch kann dieser Funkon-Streckenschalter 100 als Blitzschutz dienen, wie es bereits beschrieben wurde. Wenn jedoch der Ilauptunterbrecher 25 betätigt wird, sprechen Vorrichtungen T^, 75a, die schematisch in Figur Ί dargestellt sind, darauf an und bewirken, daß die Zündkreise für jeden der Funkenstreckenschalter die effektive

ORIGINAL INSPECTED

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Durchschlagsspanrtung herabsetzen, so daß der Spannungsabfall

an dem Hauptunterbrecher 25 6 schreitet, wie es bereits be£

inen vorgegebenen V/ert nicht überchrieben wurde. In der schema-

tischen Darstellung nach Figur H ist eine Impulsquelle 101

dargestellt, die Pulse an die Zündelektrode 151 abgibt, wenn

sie eingeschaltet ist. Diese

Impulsquelle wird eingesehaltet,

wenn ihr Eingangskreis 112 durch einen schnellen Schalter geschlossen wird, der schematisch als Thyratron 11'I darge- ^ i stellt ist. Das Thyratron 11*1 leitet normalerweise nicht.

P I

Wenn es jedoch am Gitter 115 angesteuert wird, wird es leitend und schaltet dadurch die Impulsquelle 101 ein. Das Steuersignal für das Thyratron wird von einem üblichen spannungsenpfind·

ι-

liehen Impulsgeber 117 geliefert, der mit einem Kondensator 113 zweier hintereinander geschalteter Kondensatoren 118, 119

verbunden ist, die dem Funkenstreckenschalter 100 parallel gelegt sind. Unter normalen Verhältnissen steuert der spannungsempfindliche Impulsgeber 117 dann das Thyratron ll'l an, wenn der Spannungsabfall an dem Kondensator 118 einen vorgegebenen ' V/ert erreicht. Wenn dagegen der Ilauptunterbrecher 25 geöffnet wird, wird der spannungsempfindliche Impulsgeber 117 umgeschaltet (beispielsweise durch Einschalten eines Widerstandes nit Hilfe des Schalters 75 ₃ der yom bewegbaren Kontakt 28 des Ilauptunterbrechers 25 getätigt xvird), so daß der Impulsgeber.

ί
117 bereits bei einer wesentlich niedrigeren Spannung am

Kondensator 118 einen Impuls"abgibt.

- ORIGINAL. INSPECTED

§09820/0813

Claims (8)

—'27'— "* * Patentansprüche' sBsssssssssssssssaasassBSSSss)

1. Anordnung zur Unterbrechung von Strömen bei hohen Gleichspannungen, mit einem Stromunterbrecher, dessen normalerweise

geschlossenen Kontakte in Serie mit einer Last geschaltet sind,

weiterhin mit einem Kommutierungskreis mit einem Kommutierunr.skondensator, der in Serie mit; einem normalerweise offenen Schalter den Stromunterbrecherkontakten parallel geschaltet ist, und mit Mitteln zum öffnen der normalerweise geschlossenen Stromunterbrecherkontakte, wodurch ein Lichtbogen zwischen den Stromunterbrecherkontakten entsteht, dadurch gekennzeichnet, '^: d a ß ein Stromzweig zur Begrenzung der Gegerispannunp; an den Stromunterbrechungskonjtakten vorgesehen ist, die entwickelt

Wird, wenn der Lichtbogenstrbm zwischen den geöffneten Stromunterbrechungskontakten durch den Kommutierungsstrom auf Null herunter gedrückt wird, der einen normalerweise nicht-leitenden Funkenstreckenschalter und einen Widerstand aufweist,und netzseitif, vor den Stromunterbreeherkontakten und dem Stromrückleiter liefet, daß dieser normalerweise nicht-leitende Funkenstreckenschalter

in der Hähe des Nulldurchgangs des Lichtbogenstroms zwischen den Stromunterbrecherko .takten gezündet ist, so daß Strom direkt aus dem Netz durch den Funkenstreckenschalter und den Widerstand fließt',

und daß zur Kommutierung des Stroms durch den Funkenstreekenschalter Mittel ( 200, 107) vorgesehen sind, durch die der Kommutierungskondensator (35) dem Funkenstreckenschalter (100) parallel schaltbar ist.

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2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn-

zeichnet, daß der normalerweise nicht-leitende

Funkenstreckenschalter in dem|Stromzweig zur Begrenzung der

i -

Gegenspannung unmittelbar nach dem Nulldurchgang des Lichtbogen-Stromes zwischen den Stromunterbrechungskontakten gezündet ist..

3. Anordnung nach Anspruch Ii, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand im Stromzweig zur Begrenzung der Gegenspannung ein nicht-linearer Widerstand mit einer negativen Widerstands-Strom-Kennlinie ist.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h

g e k e η; η ζ e i c h η e t , d a ß der normalerweise nicht-leitende Funkenstreckensehalter ein steuerbarer Vakuum-funken-

: ■ --,.:■■"■-■■ - '[■■-../■ - ■".■"--."■ Streckens c halt er ist. j; ;

5· Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel, mit denen der Kommutie-. d rungskondensator dem Funkenstreckenschalter parallelschaltbar ist,· einen weiteren steuerbaren Funkenstreckenschalter aufweisen, der zwischen dem Verbindungspunkt zwischen dem Kondensator und dem Stromunterbrecher und dem!Verbindungspunkt zwischen dem ersten Funkenstreckenschalter j und dem Widerstand liegt.

6. Anordnung nach Anspruch lj, dadurch g e k e η η -

zeichnet, daß ukr Widerstand im Stromzweig zur

Begrenzung der Gegenspannung !ein Widerstand mit einer nicht-lineären Widerstands-Stromkenrilinie ist, dessen Wert so gewählt ist, daß der von den höchsten auftretenden Strömen hervorgerufene Spannungabfall niedriger als das 2,5-fache der Netzspannung ist.

ί ^/

7. Anordnung nach einem oderimehreren der Ansprüche 1 bis G₃ dadurch gekenn zje lehnet, daß ein zweiter Stromzweig zur Begrenzung der Überspannung an den Stromunterbrechungskontakten vorgesehen ist, der lastseitig angeordnet ist und einen weiteren Funkenstreckenschalter und einen nicht-linearen Widerstand aufweist, daß dieser zweite Funkenstrekkenschalter unmittelbar nach dem Nulldurchgang des Lichtbogenstroms zwischen den Stromunterbrecherkontakten gezündet ist, und daß der nicht-lineare Widerstand in dem zweiten Stromzweig so gewählt ist, daß der höchste an ihm auftretende Spannungsabfall niedriger als die Netzspannung ist.

8. Anordnung nach Anspruch 7* dadurch gekennzeichnet, daß die Durchschlagsspannung des Funkenstreckenschalters im ersten siromzweig zur Begrenzung der Gegenspannung bei geschlossenen Kontakten des Stromunterbrechers niedriger als die Durchschlagsspaijinung des im zweiten, lastseitig angeordneten Stromzweig zur Begrenzung der Gegenspannung liegenden Funkenstreckenschalters ist.

ORfGiNAl. (NSPECTED 909820/0813