DE2405835C3 - Leistungsschalteinrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Leistungsschalt-

einrichtung mit einem Leitungszweig, der einen zur Übertragung des Betriebsstromes dienenden Leitungsschalter enthält und einem dem Leitungszweig parallelgeschalteten Unterbrecherzweig, der einen Kondensator, eine Einrichtung zum Aufladen des Kondensators mit einer zur Betriebsspannung entgegengesetzten Spannung und in Serie zum Kondensator einen Schalter zum Erzeugen eines Stromnulls im Leitungszweig durch Entladen des Kondensators über den in einen Zustand der Unterbrechungsbereitschaft versetzten Leitungs schalter enthält

Eine solche Leistungsschalteinrichtung ist aus den US-PSen 34 35 288 und 35 22 472 bekannt Diese bekannten Leistungsschalteinrichtungen sind für das Abschalten von Hochspannungsleitungen, insbesondere in Gleichstromnetzen oder Wechselstromnetzen, bei denen das Abschalten vor Erreichen eines natürlichen Stromnulls erfolgen soll, bestimmt und umfassen einen Leitungsschalter, der den normalen Betriebsstrom führt und zum Abschalten geöffnet wird. Das öffnen des Schalters führt zur Ausbildung eines Lichtbogens. Die Deionisierung des geöffneten und in einer Lichtbogenentladung brennenden Leitungsschalters wird durch eine erzwungene Stromumkehr in dem geöffneten Leitungsschalter erreicht. Zu diesem Zweck wird ein geeignet gepolter Kondensator über den Leitungsschalter entladen. Durch diese Entladung wird ein Stromnull bewirkt

Die Leistungsschalteinrichtung nach der US-PS 34 35 288 macht die Verwendung eines Kondensators erforderlich, der mindestens der Netzspannung standhalten kann und ausreichend groß ist, um die Geschwindigkeit des Spannungsanstieges an dem Leitungsschalter unterhalb eines kritischen Wertes zu halten, bei dem eine erneute Zündung einsetzen kann.

Um einen Hochspannungskondensator großer kapazität zu vermeiden, der sehr kostspielig und umfangreich ist wird bei der Leistungsschalteinrichtung nach der US-PS 36 60 723 außer einem für niedrige Spannung ausgelegten Kondensator zur Lieferung des für die erzwungene Stromumkehr benötigten Stromes von zwei für niedrige Spannungen geeigneten Hilfsschaltern und einer Schaltröhre mit gekreuzten Feldern Gebrauch gemacht Bei dieser bekannten Leistungsschalteinrichtung wird zwar für die Stromumkehr nur ein für verhältnismäßig niedrige Spannung ausgelegter Kondensatorbenötigt, jedoch ist mindestens ein zusätzlicher Leitungsschalter und eine zusätzliche Schaltröhre mit gekreuzten Feldern erforderlich, so daß die bekannte

Leistungsschalteinrichtung einen insgesamt komplizierten Aufbau hat und ebenfalls noch relativ kostspielig ist

Ähnliche Verhältnisse wie bei mechanischen Leitungsschaltern liegen auch bei der Verwendung von Siliziumthyristoren (SCR) als Leitungsscha/ter vor. Bei Siliziumthyristoren ist es bekannt, da& das Abschalten des die Leitung bewirkenden, der Steuerelektrode zugeführten Signals nicht zu einer Beendigung des ' leitenden Zustandes führt Benötigt wird jedoch eine Unterbrechung des Stromes. Diese Unterbrechung kann wieder dadurch erreicht werden, daß ein Kondensator mit geeigneter Polung über den Siliziumthyristor entladen wird, um ein Stromnull zu erzielen, damit der Siliziumthyristor in den nichtleitenden Zustand übergeht Ein Siliziumthyristor ist einem mechanischen Schalter wegen seiner größeren Ausschaltgeschwindigkeit überlegen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Leistungsschalteinrichtung der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, die die Verwendung eines für eine relativ niedrige Spannung ausgelegten Kondensators zum Erzielen der Stromumkehr ermöglicht und die -einfacheraufgebaut ist als die bekannte Anordnung.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß der Kondensator im Zustand der Betriebsbereitschaft auf eine Spannung aufgeladen ist die einen Bruchteil der Netzspannung beträgt und daß der Schalter im Unterbrecherzweig eine Schaltröhre mit gekreuzten Feldern ist, die in ihrem nichtleitenden Zustand der Netzspannung standhält bei anliegender Spannung einschaltbar und unter Strom abschaltbar <iät, wenn beim Unterbrechen der Betrag der Spannung am Kondensator etwa gleich der Ladespannung ist

Bei der erfindungsgemäßen Leistungsschalteinrichtung liegt also zu dem Leitungsschalter des Leitungs- zweiges eine einen Kondensator und eine Schaltröhre mit gekreuzten Feldern umfassende Serienschaltung parallel. Diese Schaltröhre ist bei anliegender Spannung einschaltbar, so daß sie bei geöffnetem, aber noch immer Strom führenden Leitungsschalter eingeschaltet werden kann, damit sich der Kondensator zur Erzeugung eines Stromnulls in dem Leitungsschalter entladen kann. Da die Schaltröhre unter Strom abschaltbar ist und in ihrem nichtleitenden Zustand der Netzspannung standhält, kann sie abgeschaltet werden, wenn nach dem Erzeugen eines Stromnulls und der Unterbrechung des Stromes im Leitungszweig ein Ladestrom in den Kondensator fließt, bevor der Kondensator auf eine erhebliche Spannung aufgeladen worden ist.

Dementsprechend hat die Erfindung auch ein Verfahren zum Unterbrechen des Stromflusses mittels einer Leistungsschalteinrichtung nach der Erfindung zum Gegenstand. Dieses Verfahren setzt voraus, daß der Leitungsschalter wahlweise in einen niederohmigen Zustand, einen hochohmigen Zustand und einen Zustand der Bereitschaft zum Übergang vom niederohmigen in den hochohmigen Zustand (Übergangsbereitschaft) versetzbar ist, und besteht darin, daß der sich im niederohmigen, den elektrischen Strom leitenden Zustand befindende Leitungsschalter zunächst in den Zustand der Übergangsbereitschaft versetzt wird, daß sodann die Schaltröhre mit gekreuzten Feldern in ihren leitenden Zustand versetzt wird, so daß eine Entladung des, zuvor mit einer Gegenspannung aufgeladenen Kondensators stattfindet und in dem Leitungsschalter ein Stromnull erzwungen wird, das wiederum einen Übergang des Leitungsschalters in den hochohmigen Zustand zur Folge hat,-daß weiter der Stromfluß durch die Schaltröhre mit gekreuzten Feldern hinreichend lange aufrechterhalten wird, bis der Leitungsschalter der an ihm herrschenden Spannung standhalten kann, und daß schließlich durch Herbeiführen des nichtleitenden Zustandes der Schaltröhre nail gekreuzten Feldern der Stromfluß durch den Unterbrecherzweig beendet wird, so daß sich die Netzspannung an dem geöffneten und deionisierten Leitungsschalter wieder aufbaut

Die Erfindung hat den Vorteil, daß bei einem in Unterbrechungsbereitschaft versetzten Leitungsschalter eine Unterbrechung des Stromes durch Stromumkehr in dem Leitungsschalter allein mit Hilfe eines nur für eine relativ niedrige Spannung ausgelegten Kondensators und einer Schaltröhre mit gekreuzten Feldern möglich ist, so daß zusätzliche Schalter oder ein großer, für $e volle Netzspannung ausgelegter Kondensator für die Stromumkehr nicht erforderlich sind. Der parallel zu dem Leitungsschalter liegende, den Kondensator und die Schaltröhre mit gekreuzten Feldern umfassende Unterbrecherzweig hat auch den Vorteil, daß er die Geschwindigkeit des Spannungsanstieges an dem Leitungsschalter begrenzt was für dessen sichere Deionisierung von Bedeutung ist.

Die erfindungsgemäße Leistungsschalteinrichtung hat auch den Vorteil, daß sie zum Abschalten sowohl von Gleichstrom als auch von Wechselstrom verwendbar ist, wobei das Abschalten von Wechselstrom vor dem Auftreten des ersten natürlichen Stromnulls nach öffnen des Leitungsschalters erfolgt

Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist zu dem Unterbrecherzweig ein Widerstand parallel geschaltet. In diesem Fall kann die Leistungsschalteinrichtung anstatt zum Unterbrechen des Leitungsstromes zu dessen Steuerung oder Begrenzung durch Einschalten eines Widerstandes verwendet werden.

Wie erwähnt, liegen bei der Verwendung von mechanischen Schaltern und von Thyristoren als Leitungsschalter ähnliche Verhältnisse vor. Infolgedessen kann bei der erfindungsgemäßen Leistungsschalteinrichtung der Leistungsschalter sowohl als mechanischer Schalter als auch als Siliziumthyristor ausgebildet sein.

Aus der DB-AS 11 Sl 041 ist eine Leistungsschalteinrichtung mit einem dem Leitungszweig parallelgeschalteten Unterbrecherzweig bekannt, der in Serie einen Kondensator und einen Schalter sowie eine Einrichtung zum Aufladen des Kondensators enthält und bei dem angeblich auf die Spannung, die sich am Kondensator nach dem Unterbrechen des Stromkreises einstellt, keine Rücksicht genommen zu werden braucht. Die zur Begrenzung der Spannung am Kondensator dienende Funkenstrecke spricht jedoch erst bei der 1,5-fachen Betriebsspannung an und soll verhindern, daß die Spannung am Kondensator bis auf das 2,5-fache der Betriebsspannung anwächst. Infolgedessen muß der zum Erzielen der Stromumkehr verwendete Kondensator mindestens der Betriebsspannung standhalten können.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nachstehend an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 das Blockschaltbild eines Stromversorgungsnetzes nach der Erfindung, mit einer Leistungsschalteinrichtung,

F i g. 2 das Schaltbild einer bekannten, mit erzwungener Stromumkehr in einem Leitungsschalter arbeitenden Leistungsschalteinrichtung,

Fig. 3 das Schaltbild einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Leistungsschalteinrichtung,

Fig.4 eine graphische Darstellung der zeitlichen Änderung charakteristischer Größen der erfindungsgemäßen Leistungsschalteinrichtung während des Abschaltens,

Fig.5 das Schaltbild einer aus Leistungsschalteinrichtungen nach Fig.3 aufgebauten Folgeschalteinrichtung,

Fig.6 das Schaltbild eines einfachen Wechselstrombegrenzers unter Verwendung der erfindungsgemäßen Leistungsschalteinrichtung,

Fig. 7 das Schaltbild einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Leistungsschalteinrichtung mit einem als Siliziumthyristor ausgebildeten Leitungsschalter,

Fig.8 das Schaltbild einer aus Leistungsschalteinrichtungen nach Fig. 7 aufgebauten Folgeschalteinrichtung und

F i g. 9 das Schaltbild eines einfachen Wechselstrombegrenzers mit einer Leistungsschalteinrichtung nach F i g. 7.

Die F i g. 1 zeigt ein Stromversorgungsnetz 10, in das eine erfindungsgemäße Leistungsschalteinrichtung 12 zur Steuerung des Stromflusses eingefügt ist. Das Stromversorgungsnetz 10 umfaßt eine Energiequelle 14 und einen Verbraucher 16, der mit der Energiequelle 14 durch zwei Hauptleitungen verbunden ist. Die Leistungsschalteinrichtung 12 ist an den Anschlußstellen 18 und 20 in eine der Hauptleitungen eingeschaltet. Die andere Hauptleitung 22 kann bei Bedarf ebenfalls mit einer Leistungsschalteinrichtung ausgestattet sein. Ebenso kann, wenn mehr als zwei Hauptleitungen vorgesehen sind, jede mit einer Leistungsschalteinrichtung versehen sein. Aus der US-PS 36 57 607 und der US-PS 36 60 723 sind weitere Einzelheiten eines Stromversorgungsnetzes bekannt, in das die erfindungsgemäße Leistungsschalteinrichtung 12 eingefügt werden kann. Sowohl bei dem Stromversorgungsnetz nach der US-PS 36 57 607 als auch bei dem Stromversorgungsnetz nach der US-PS 36 60 723 sind beide Hauptleitungen durch eine Leistungsschalteinrichtung geschützt.

In F i g. 2 ist eine bekannte Leistungsschalteinrichtung 24 dargestellt, die den Ausgangspunkt für die im Hinblick auf die erfindungsgemäße Leistungsschaheinrichtung anzustellenden Betrachtungen bildet (vgl. US-PS 36 60 723). Die Leistungsschalteinrichtung 24 weist zwei Leitungsschalter 26 und 28 auf, die zwischen den Anschlußstellen 18 und 20 in Serie geschaltet sind. Sie sind als mechanische Schalter ausgebildet, die im normalen leitenden Zustand geschlossen sind. Es können Schalter sein, wie sie in der DT-OS 23 24 992 beschrieben sind. Ebenso können auch beispielsweise die aus den US-PSen 32 68 687 und 32 90 542 bekannten Leitungsschalter verwendet werden.

Parallel zu dem ersten Leitungsschalter 26 ist eine eine Induktivität 30, einen Widerstand 32, einen aufgeladenen Kondensator 34 und einen Schalter 36 umfassende Serienschaltung geschaltet Ferner liegt ein Leitungszweig mit einer Schaltröhre 38 mit gekreuzten Feldern parallel zu der die beiden Leitungsschalter 26 und 28 umfassenden Serienschaltung. Die Schaltröhre 38 ist eine Ausschalteinrichtung, die in der Lage ist. Gleichstrom gegen eine hohe Netzspannung abzuschalten. Solche Schaltröhren mit gekreuzten Feldern sind aus den US-PSen 35 58 960, 36 04 977, 3641384, 36 38 061 und 35 34 226 bekannt

Wenn es erwünscht ist, die Leistungsschalteinrichtung 24 abzuschalten, so werden die beiden Leitungsschalter 26 und 28 geöffnet. Das Öffnen beider Schalter erfolgt vorzugsweise gleichzeitig, obwohl der zweite Leitungsschalter 28 auch etwas später als der erste geöffnet werden kann. Wenn der erste Leitungsschalter 26 geöffnet ist und in einer Bogenentladung Strom führt, wird der Schalter 36 geschlossen, damit sich der Kondensator 34 über den in der Bogenentladung Strom führenden Leitungsschalter 26 in einer solchen Richtung entladen kann, daß in dem ersten Leitungsschalter 26 ein Stromnull erzeugt wird. Der Leitungsstrom fließt nun in den Kondensator 34, an dem die Spannung bis zu einem Punkt ansteigt, bei dem sie hoch genug ist, um den leitenden Zustand der Schaltröhre 38 mit gekreuzten Feldern herbeizuführen. Die Schaltröhre 38 mit gekreuzten Feldern war zuvor in einem solchen magnetischen Zustand, daß bei Anlegen eines elektrischen Feldes an der Schaltröhre die Leitung einsetzen konnte. Wenn der Leitungsstrom nun durch die Schaltröhre 38 mit gekreuzten Feldern fließt, so wird die Stärke des durch den zweiten Leitungsschalter 28 fließenden Stromes bis unter den kritischen Wert erniedrigt, bei dem die Bogenentladung erlischt. Dadurch wird der leitende Zustand des zweiten Leitungsschalters 28 beendet. Nach einer hinreichend langen Zeitspanne, die eine Deionisierung des Elektrodenzwischenraumes des zweiten Leitungsschalters 28 ermöglicht, kann die Schaltröhre 38 mit gekreuzten Feldern abgeschaltet werden. Die Leistungsschalteinrichtung 24 ist nur in solchen Stromversorgungsnetzen verwendbar, deren Netzenergie ziemlich niedrig ist und in denen hohe Ausschaltspannungsspitzen hingenommen werden können. Wenn eine größere Netzenergie absorbiert werden muß und gleichzeitig Abschaltspannungsspitzen vermindert werden müssen, können zu der Schaltröhre 38 mit gekreuzten Feldern parallel geschaltete Zweige vorgesehen sein, die Schaltröhren mit gekreuzten Feldern und dazu in Serie geschaltete energieverzehrende Widerstände umfassen. Die Anwendung zusätzlicher Zweige dieser Art ist beispielsweise aus der US-PS 36 60 723 bekannt.

Fig.3 zeigt in schematischer Darstellung eine erfindungsgemäße Leistungsschalteinrichtung 40. Bei dieser Leistungsschalteinrichtung 40 handelt es sich um eine Grundanordnung. Sie umfaßt einen Leitungsschalter 42, der in der Lage ist, den normalen Leitungsstrom zu führen. Jede der oben in Verbindung mit dem Leitungsschalter 26 beschriebenen Einrichtungen ist hierfür geeignet.

Parallel zu dem Leitungsschalter 42 ist eine eine Induktivität 44, einen Kondensator 46, einen Widerstand 48 und eine Schaltröhre mit gekreuzten Feldern 50 umfassende Serienschaltung geschaltet. Die Schaltröhre 50 mit gekreuzten Feldern ist identisch mit der Schaltröhre 38 in F i g. 2 und es kann jede mit Bezug auf die Schaltröhre 38 erwähnte Einrichtung gleichermaßen als Schaltröhre 50 verwendet werden. Mit dem Kondensator 46 ist eine Ladeeinrichtung 52 verbunden, die dessen anfängliche Aufladung bewirkt

Die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Leistungsschalteinrichtung 40 wird an Hand Fig.4 beschrieben, die die Veränderung verschiedener charakteristischer Größen bei der Betätigung der Lei- stungsschalteinrichtung zeigt Die Linie 54 der Fig.4 zeigt die zeitliche Veränderung der an dem Schalter des Unterbrecherzweiges, d. h. an der Schaltröhre 50 mit gekreuzten Feldern, anliegenden Spannung. Die Linie 56 zeigt den Verlauf der an dem Leitungsschalter 42 anliegenden Spannung. Die Linie 58 zeigt den zeitlichen

Verlauf des Stromes in der Schaltröhre 50 mit gekreuzten Feldern und die Linie 60 den zeitlichen Verlauf des Stromes in dem LeitungsschaUer 42. Vor dem Unterbrechungszyklus ist der LeitungsschaUer 42 geschlossen und wird von dem normalen Leilungsstrom durchflossen, wie es durch die Linie 60 dargestellt ist. Außerdem ist, wie die Linie 56 zeigt, der Spannungsabfall über dem LeitungsschaUer 42 im wesentlichen Null. Die Schaltröhre 50 mit gekreuzten Feldern ist abgeschaltet und führt, wie es der Beginn der Linie 58 zeigt, keinen Strom. An der Schallröhre 50 liegt, wie es durch den Beginn der Linie 54 veranschaulicht ist, die Spannung des geladenen Kondensators 46 an. Zur Zeit Null wird der LeitungsschaUer 42 geöffnet, der an dem Lichtbogen auftretende Spannungsabfall ist aber nicht groß genug, um in der Linie 56 in Erscheinung zu treten. Wenn der LeitungsschaUer 42 weit genug geöffnet ist, um der vollen Netzspannung standhalten zu können (gemäß Fig.4 nach etwa 100ns), wird die Schaltröhre 50 eingeschaltet, damit der Kondensator 46 in einer solchen Richtung entladen wird, daß in dem geöffneten, in einer Lichtbogenentladung brennenden LeitungsschaUer 42 ein Stromnull erzeugt wird. Die Linie 56 zeigt eine Verminderung der an dem LeitungsschaUer 42 anliegenden Spannung, um eine Spannungsumkehr anzudeuten, durch die der Strom durch den LeitungsschaUer auf Null absinkt, wie es durch die Linie 60 dargestellt ist. Es ist weiter anzumerken, daß der Spannungsabfall an der Schaltröhre 50 mit gekreuzten Feldern, dessen Verlauf durch die Linie 54 dargestellt ist, auf den Wert des dem leitenden Zustand einer solchen Hinrichtung entsprechenden Spannungsabfalls absinkt. Während dieser Zeit ist die Schaltröhre 50 mit gekreuzten Feldern bei der dem untersten horizontalen Abschnitt der Linie 54 entsprechenden Spannung leitend, der Kondensator 46 wird aufgeladen, was, wie der Linie 56 zu entnehmen ist, zu einem leichten Spannungsanstieg an dem LeitungsschaUer 42 führt. Dieser Vorgang dauert so lange an, daß der LeitungsschaUer 42 deionisieren kann. Danach wird die Schaltröhre 50 mit gekreuzten Feldern abgeschaltet, so daß deren Strom entsprechend der Linie 58 auf Null absinkt, was von dem durch die Linie 54 dargestellten Anstieg der Spannung an der Schaltröhre begleitet ist. Auf diese Weise wird der Stromkreis abgeschaltet, bevor der Kondensator 46 auf einen nennenswerten Bruchteil, beispielsweise mehr als die Hälfte, der Netzspannung aufgeladen ist. Wenn es erwünscht ist, daß der Kondensator 46 gegen Oberspannungen geschützt ist, die auftreten könnten, wenn die Schaltröhre 50 mit gekreuzten Feldern beim Ausschalten versagen oder zu spät in den Ausschaltzyklus eingeschaltet würde, so kann eine parallel zu dem Kondensator 46 geschaltete Sicherheitsfunkenstrecke vorgesehen sein. Gemäß F i g. 4 kann der vollständige Schaltzyklus in etwa 100 μβ abgeschlossen sein, jedoch ist die Zykluszeit durch die DeionisierungszeU des Leitungsschalters 42 bestimmt. Die Kapazität des Kondensators 46 wird so groß gewählt, daß der leitende Zustand für einen beträchtlichen Zeitraum anhalten kann, ohne daß an dem Kondensator 46 eine zu große Spannung aufgebaut wird. Zur Unterbrechung eines Stromes von 1OkA bei einer Deionisierungszeit des Leitungsschalters 42 von 100 μ5 ist ein für 10 kV ausgelegter Kondensator mit 100 μΡ angemessen.

Wie oben ausgeführt, ist die Leistungsschalteinrichtung 40 unter der Bedingung verwendbar, daß keine zu große Netzenergie vorliegt, so daß keine übermäßig grollen Spannungsspitzen während des Ausschaltens auftreten. Die Leistungsschalteinrichtung 40 veranschaulicht die Wechselbeziehung zwischen dem Leitungszweig 62 und dem Unterbrecherzweig 64. Die diese Zweige umfassende Lcistungsschalteinrichtung 40 kann auch in Systemen verwendet werden, in denen eine Mehrzahl von Zweigen miteinander verbunden ist, um die Netzenergie in mehreren solchen Zweigen zu absorbieren. Ein solches System ist beispielsweise aus der US-PS 36 11 031 bekannt.

F i g. 5 zeigt eine Leistungsschalteinrichtung 66, die eine Mehrzahl solcher Zweige aufweist und zwischen die Anschlußstellen 18 und 20 eingefügt werden kann. Die Leistungsschalteinrichtung 66 weist in Serie geschaltete Leitungszweige 68, 70 und 72 auf, denen je ein Unterbrecherzweig 74 bzw. 76 oder 78 parallel geschaltet ist. Diese Leitungszweige und Unterbrecherzweige sind mit den entsprechenden Zweigen 62 und 64 in F i g. 3 identisch. Zu jedem der Unterbrecherzweige 76 und 78 ist jeweils ein energieverzchrender Widerstand 80 bzw. 82 parallel geschaltet. Wenn die Leistungsschalteinrichtung 66 das Netz abschalten soll, so werden der erste Leitungszweig 72 und der erste Unterbrecherzweig 78 betätigt, um den Stromfluß durch den energieverzehrenden Widerstand 82 zu zwingen und dessen Impedanz in das Netz einzuführen. Der Wert des Widerstandes 82 ist so gewählt, daß übergroße Spannungsspitzen vermieden werden und eine Verminderung des Nelzstromes erzielt wird. Zu jedem der LeitungsschaUer kann ein Kondensator parallel geschaltet sein, der zeitliche Veränderungen der Spannung steuert und begrenzt. Zu einem späteren Zeitpunkt, wenn die an der Leistungsschalteinrichtung anliegende Spannung und der Netzstrom abnehmen, werden der Leitungszweig 70 und der Unterbrecherzweig 76 geöffnet, um den Netzstrom durch die in Serie miteinander geschalteten energieverzehrenden Widerstände 80 und 82 zu zwingen. Wenn dann die Spannung und der Netzstrom weiter abgefallen sind, kann die Leistungsschalteinrichtung vollständig abgeschaltet werden, ohne daß durch das Öffnen des Leitungszweiges 68 und des Unterbrecherzweiges 74 übermäßige Spannungsspitzen auftreten. Auf diese Weise wir,d das Netz durch die Leistungsschalteinrichtung 66 abgeschaltet. Andere Anordnungen, mittels derer der Widerstand eines Stromkreises nach und nach vergrößert wird, sind aus der US-PS 35 34 226 bekannt.

Die erfindungsgemäße Leistungsschalteinrichtung kann außer bei den oben beschriebenen Gleichstromnetzen auch bei Wechselstromnetzen Verwendung finden. Die F i g. 6 zeigt einen Strombegrenzer 84, der insbesondere für die Einfügung in ein Wechselstromnetz geeignet ist, um den in dem Wechselstromnetz fließenden Strom, insbesondere wenn ein Überstrom auftritt zu begrenzen. Der Strombegrenzer 84 ist mit Hilfe der Anschlüsse 86 und 88 in das Wechselstromnetz in Serie einschaltbar. Er umfaßt einen Leitungszweig 90 und einen Unterbrecherzweig 92 die jeweils identisch mit dem Leitungszweig 62 bzw. dem Unterbrecherzweig 64 der Leistungsschalteinrichtung 40 nach F i g. 3 ausgebildet sind. Wenn eine solche Leistungsschalteinrichtung zur Strombegrenzung verwendet wird, weist sie einen Widerstandszweig 94 auf, der zu dem Leitungszweig 90 und dem Unterbrecherzweig 92 parallel geschaltet ist

Wenn der Strombegrenzer als Teil eines Wechselstromnetzes ausgebildet ist und eine Begrenzung des Stromes erforderlich wird, so werden der Leitungszweig

90 und der Unterbrecherzweig 92 in der oben beschriebenen Weise betätigt.

Der durch den Leitungszweig fließende Strom wird, wie oben beschrieben, auf Null reduziert und es wird dann der Unterbrecherzweig 92 abgeschaltet. Die Polung des zuvor geladenen Kondensators 98 spielt dabei keine Rolle, vorausgesetzt, daß der Unterbrecherzweig 92 eine unterkritische Dämpfung aufweist. Diese Bedingung ist erfüllt, wenn die Kapazität des Kondensators 100 \iF, die Induktivität 100 μΗ und der Wert des Widerstandes 102, der den gesamten Widerstand des Widerstandszweiges repräsentiert, 0,1 Ohm beträgt. In diesem Fall ist die Schwingung in dem Unterbrecherzweig 92 und dem Leitungszweig 90 nach eüwa drei Schwingungsperioden im Verhältnis 1/c gedämpft. Eine solche Schwingung genügt, um in dem geöffneten Schalter des Leitungszweiges 90 ein Slromnull zu erzielen. Die Schwingungsperiode beträgt 0,6 ms. Die notwendige Gegenspannung tritt dann an dem Leitungsschalter des Leitungszweiges hinreichend früh auf, um zu annehmbaren Abschalteigenschaften zu führen. Wenn der Leitungsschalter deionisiert ist, wird die Schaltröhre mit gekreuzten Feldern des Unterbrecherzweiges 92 abgeschaltet. Der Widerstandszweig 94 ist dann in das Netz als zusätzlicher Widerstand eingeschaltet. Eine spezielle Anforderung bei der Verwendung in einem Wechselstromnetz besteht darin, daß die Schaltröhre mit gekreuzten Feldern in der Lage sein muß, in jeder Richtung Strom zu führen. Schaltröhren mit gekreuzten Feldern, die dieser Anforderung genügen, sind in einigen der obenerwähnten US-Patentschriften beschrieben.

Fig.7 zeigt in schematischer Darstellung eine Leistungsschalteinrichtung 140, die mit der Leistungsschalteinrichtung 40 nach Fig.3 weitgehend übereinstimmt. Gleiche Bauelemente sind mit denselben Bezugszeichen versehen. Bei der Leistungsschalteinrichtung 140 wird der Leitungsschalter von einem oder von mehreren hintereinandergeschalteten Siliziumthyristoren (SCR) 142 gebildet. Die Siliziumthyristoren werden durch eine geeignete, mit ihren Steuerelektroden verbundene Steuereinrichtung 143 gesteuert. Die oben beschriebenen Leitungsschalter arbeiten nicht so schnell wie ein Siliziumthyristor. Es gibt aber elektronische Bauelemente, die innerhalb von einigen zehn Mikrosekunden nach Auftreten eines Fehlers geschützt sein müssen. Ein solcher Schutz kann mit Hilfe der Leistungsschalteinrichtung 140 erzielt werden, weil sie Siliziumthyristoren verwendet. Wenn bei der Leistungsschalteinrichtung 140 ein mechanischer Leitungsschalter verwendet würde, so könnte dieser nicht so schnell öffnen wie ein Siliziumthyristor und wäre daher nicht in der Lage, in der mit der Leistungsschalteinrichtung 140 möglichen kurzen Zeitspanne einen Schutz zu vermitteln.

Die in F i g. 8 dargestellte Leistungsschalteinrichtung 166 ist zu der in Fi g. 5 dargestellten Leistungsschalteinrichtung 66 weitgehend gleich, jedoch sind bei der Leistungsschalteinrichtung 166 wiederum die Leitungsschalter der Leitungszweige als Siliziumthyristoren 168, 170 und 172 ausgebildet Die Siliziumthyristoren dieser Zweige können je nach den herrschenden Spannungsund Stromverhältnissen innerhalb jedes Zweiges als in Serie oder parallel geschaltete Einheiten ausgebildet seia Die Siliziumthyristoren 168, 170 und 172 werden von einer Steuereinrichtung 173 gesteuert. Die Leistungsschalteinrichtung 166 arbeitet daher praktisch genau so wie die Leisuingsschalteinrichuing 66, abgesehen davon, daß sie wegen der Verwendung von Siliziumthyristoren in den Leitungszweigen mit sehr viel kürzeren Schaltzeiten arbeitet.

Fig.9 zeigt einen Wechsclstrombegrcnzer 184, der dem Wechselstrombegrenzer 84 nach F i g. 6 ähnlich ist. Wiederum enthält der Leitungszweig einen Siliziumthyristor 190 als L.eitungsschalter. Der Siliziumthyristor 190 wird von einer Steuereinrichtung 191 gesteuert. Je nach

ίο den Spannungs- und Stromverhältnissen können ein oder mehrere Siliziunithyristorcn, die miteinander in Serie oder zueinander parallel geschaltet sind, verwendet werden. Das Umschalten des Stromes auf den Widerstandszweig 194 kann bei Verwendung eines Siliziuiiithyristors als Leitungsschalter schneller erfolgen.

Es ist zu beachten, daß ein mechanischer Schalter und ein Siliziumthyristor drei gemeinsame Zustände aufweisen. Der eine ist der hochohmige Zustand. Dieser liegt bei einem mechanischen Schalter vor, wenn seine Kontakte getrennt sind und kein Strom übertragen wird. Bei einem Siliziumthyristor ist der nichtleitende Zustand, wenn die Steuerelektrode nicht für den leitenden Zustand vorgespannt ist. Der zweite Zustand entspricht einem niederohmigen Zustand, in dem bei einem mechanischen Schalter die Kontakte geschlossen sind, wenn bei einem Siliziumthyristor an der Steuerelektrode die geeignete Vorspannung für den leitenden Zustand anliegt. Der dritte Zustand soll im folgenden als »Lbergangsbereitschaft« bezeichnet werden. In diesem Fal'e sind bei einem mechanischen Schalter die Kontakte zwar geöffnet, jedoch entspricht der Leitunjszustand als Folge einer Bogenentladung dem niederohmigtn Zustand. Wenn der Lichtbogen erlischt und der Raum zwischen den Kontakten deionisiert, geht jedoch der mechanische Schalter in seinen hochohmigen Zustand über. Im Zustand der »Übergangsbereitschaft« ist also der mechanische Schalter bereit, aus dem niederohmigen Zustand durch Deionisierung in den hochohmigen Zustand überzugehen. Dies wird bei der erfindungsgemäßen Leistungsschalleinrichtung dadurch erreicht, daß ein hinreichendes Stromnull erzeugt wird, um die Stärke des fließenden Stromes unter den Wert abzusenken, bei dem der Schwellenwert der Spannung für die Lichtbogenentladung unterschritten, diese unterbrochen und eine Deionisierung ermöglicht wird. Ein ähnlicher Zustand der »Obergangsbereitschaft« besteht bei einem Siliziumthyristor dann, wenn an der Steuerelektrode nicht die Vorspannung für den leitenden Zustand anliegt. Der leitende Zustand endet dann bei Erreichen der Schwellenwertspannung. Der Übergang aus dem an sich niederohmigen Zustand der »Übergangsbereitschaft« in den hochohmigen Zustand wird dementsprechend durch Reduzieren der Stärke des den Siliziumthyristor durchfließenden Stromes auf einen unterhalb eines durch die Sperrspannung bestimmten Schwellenwertes erzielt. Danach kann sich eine Spannung an dem Leitungsschalter aufbauen. Gemäß einer anderen Betrachtungsweise dieses Zustandes können die Leitungsschalter als in einem Bereitschaftszustand befindlich angesehen werden, in dem sie aus einem niederohmigen Zustand in einen hochohmigen Zustand übergehen können, wenn geeignete Strom- und Spannungsverhältnisse eingetreten sind, um einen

Übergang des Schalters aus dem Bereitschaftszustand in den nichtleitenden oder hochohmigen Zustand zu bewirken.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Leistungsschalteinrichtung rait einem Leitungszweig, der einen zur Übertragung des Betriebsstromes dienenden Leitungsschalter enthält, und einem dem Leitungszweig parallelgeschalteten Unterbrecherzweig, der einen Kondensator, eine Einrichtung zum Aufladen des Kondensators mit einer zur Betriebsspannung entgegengesetzten Spannung und in Serie zum Kondensator einen Schalter zum Erzeugen eines Stromnulls im Leitungszweig durch Entladen des Kondensators über den in einen Zustand der Unterbrechungsbereitschaft versetzten Leitungsschalter enthält, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator (46) im Zustand der Betriebsbereitschaft auf eine Spannung aufgeladen ist, die einen Bruchteil der Netzspannung beträgt, und daß der Schalter im Unterbrecherzweig (64) eine Schaltröhre (50) mit gekreuzten Feldern ist, die in ihrem nichtleitenden Zustand der Netzspannung standhält, bei anliegender Spannung einschaltbar und unter Strom abschaltbar ist wenn beim Unterbrechen der Betrag der Spannung am Kondensator (46) etwa gleich der Ladespannung ist.

2. Leistungsschalteinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zu dem Unterbrecherzweig (92) ein Widerstand parallel geschaltet ist.

3. Leistungsschalteinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Leitungsschalter (42) als mechanischer Schalter ausgebildet ist.

4. Leistungsschalteinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Leitungsschalter als Siliziumthyristor (142) ausgebildet ist

5. Leistungsschaltemrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zu dem Kondensator (46) des Unterbrecherzweiges (64) eine Induktivität (44) in Serie geschaltet ist

6. Leistungsschalteinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet daß mindestens zwei aus je einem Leitungszweig (68; 70; 72) und einem dazu parallelgeschalteten Unterbrecherzweig (74; 76; 78) bestehende Anordnung in Serie geschaltet sind, und daß wenigstens zu der ersten Anordnung (72; 78) ein Widerstand (82) parallel geschaltet ist.

7. Leistungsschalteinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ihre Verwendung zur Steuerung der Stärke des von der Energiequelle (14) zu dem Verbraucher (16) fließenden Stromes.

8. Verfahren zum Unterbrechen des Stromflusses mittels einer Leistungsschalteinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, deren Leitungsschalter wahlweise in einen niederohmigen Zustand, einen hochohmigen Zustand und einen Zustand der Bereitschaft zum Übergang vom niederohmigen in den hochohmigen Zustand (Übergangsbereitschaft) versetzbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der sich im niederohmigen, den elektrischen Strom leitenden Zustand befindende Leitungsschalter (42) zunächst in den Zustand der Übergangsbereitschaft versetzt wird, daß sodann die Schaltröhre (50) mit gekreuzten Feldern in ihren leitenden Zustand versetzt wird, so daß eine Entladung des zuvor mit einer Gegenspannung aufgeladenen Kondensators (46) stattfindet und in dem Leitungsschalter (42) ein Stromnull erzwungen wird, das wiederum einen Übergang des Leitungsschalters von dem Zustand der Übergangs-

j bereitschaft in den hochohmigen Zustand zur Folge hat daß weiter der Stromfluß durch die Schaltröhre (50) hinreichend lange aufrechterhalten wird, bis der Leitungsschalter (42) der an ihm herrschenden Spannung standhalten kann, und daß schließlich durch Herbeiführen des nichtleitenden Zustandes der Schaltröhre (50) der Stromfluß durch den Unterbrecherzweig (64) beendet wird, so daß sich die Netzspannung an dem geöffneten und deionisierten Leitungsschalter (42) wieder aufbaut