DE2700375A1

DE2700375A1 - Vorrichtung zum unterbrechen eines gleichstromkreises

Info

Publication number: DE2700375A1
Application number: DE19772700375
Authority: DE
Inventors: Hisatoshi Ikeda; Minoru Murano; Tohoru Tamagawa; Satoru Yanabu
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1976-01-08
Filing date: 1977-01-07
Publication date: 1977-07-21
Also published as: GB1545371A; DE2700375C2; US4110806A

Description

A 327 76 Be/De 7. Januar 1976

Firma TOKYO SHIBAURA DENKI KABUSHIKI KAISHA, 72, Horikawa-Cho, Saiwai-Ku, Kawasaki-Shi, Kanagawa-Ken, Japan

Vorrichtung zum Unterbrechen eines Gleichstromkreises

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Unterbrechen eines Gleichstromkreises.

Zum Unterschied von Wechselstrom ist die Unterbrechung eines großen Gleichstromes schwierig, weil Gleichstrom keinen natürlichen Nulldurchgang hat. Nach einem bekannten Verfahren wird ein einen Kondensator enthaltender Kommutierungskreis parallel zum Unterbrecher geschaltet, um einen Kommutierungsstrom durch die Kontakte des Unterbrechers in einer zum Laststrom entgegengesetzten Richtung fließen zu lassen, wobei der Laststrom der zum Zeitpunkt der Unterbrechung fließende zu unterbrechende Strom ist, wodurch zwangsweise ein Nulldurchgang gebildet wird. Infolgedessen ist es möglich, für die Unterbrechung eines Gleichstromes für die Unterbrechung eines Wechselstromes bestimmte Schalter zu verwenden.

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Telegrammadresse Patentsenior

Die Beanspruch-ungsart eines Gleichstromunterbrechers und eines Wechselstromunterbrechers sind aber insofern unterschiedlich, daß (1) beim Wechselstromunterbrecher der Stromwert nach der Trennung der Kontakte sich verändert, während beim Gleichstromunterbrecher ein großer Gleichstrom fließt, bis der Kommutierungsstrom auftritt, und (2) beim Wechselstromunterbrecher die Größe der Stromänderung

Nähe des
in der]Nulldurchganges bestimmt ist durch ω I_Q(wobei ω die

Winkelgeschwindigkeit und I_Q den Strom darstellen), während beim Gleichstromunterbrecher der Unterbrecher bestimmt ist durch den Kommutierungsstrom. Die Unterbrecherkapazität des Wechselstromunterbrechers wird bestimmt durch Faktoren, wie Spitzenwert und Energie des Stromes und die Größe der Stromänderung in der Nähe des Nulldurchganges. Da, wie oben ausgeführt, die Größe der Stromänderung bei einem Gleichstromunterbrecher durch den Kommutierungsstrom bestimmt wird, ist es erforderlich, die Kapazität des Kommutierungskreises zu vergrößern, um die Größe der Stromänderung des Gleichstromunterbrechers derjenigen des bei 5OHz arbeitenden Wechselstromunterbrechers gleichzumachen. Aus diesem Grunde wird darauf hingewiesen, daß die Größe der Stromänderung bei einem Gleichstromunterbrecher schwerwiegender ist als bei einem Wechselstromunterbrecher. Ferner ist die Injektionsenergie vom Kommutierungskreis im Falle des Gleichstromunterbrechers größer. Infolgedessen sind die Kontakte des Gleichstromunterbrechers schwerwiegenderen Bedingungen ausgesetzt als diejenigen des Wechselstromunterbrechers.

Vakuumschalter sind nunmehr als Gleichstromunterbrecher bestens geeignet, und zwar aufgrund ihrer hohen Stromänderungsgeschwindig-

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keit in der Nähe des Nullpunktes. Es ist aber erforderlich, ihre Stromkapazität zu vergrößern. Um die Stromkapazität zu vergrößern, ist es erforderlich, das Vakuumgefäß und das Verfahren der Parallelarbeit mehrerer Vakuumunterbrecher zu verbessern. Parallelar-beit ist vorteilhaft, weil es möglich ist, die Gesamtunterbrecherkapazität durch Vergrößerung der Anzahl der Vakuumunterbrecher normaler Ausbildung zu vergrößern.

Die Parallelarbeit erfordert einen Stromausgleich zwischen den Zweigen. Da der Vakuumunterbrecher eine positive Spannungs-Strom-Charakteristik hat (d.h. die Bogenspannung nimmt mit dem Strom zu), ist er für eine Parallelarbeit geeignet. Mit Rücksicht auf die unausgeglichenen Bogenspannungen und den Unterschied in den Zeitpunkten des Beginns der Kontakttrennung ist es notwendig gewesen, die Stromausgleichsdrosselspulen in Reihe mit den entsprechenden Vakuumunterbrechern zu schalten. In einem Gleichstromkreis ist die Bildung eines Stromnullpunktes schwierig in einem Zweig, der einen größeren Strom führt, und es wird die Stromänderungsgeschwindigkeit schwerwiegend in einem Zweig, der einen kleineren Strom führt, was zu einem Fehler einer zufriedenstellenden Stromunterbrechung führt. Wenn einmal die Stromunterbrechung aussetzt, ergibt sich ein großer Fehler, weil der Kommutationskreis nicht mehr wirksam ist.

Große Induktionsspulen werden im allgemeinen als Ausgleichsdrosselspulen verwendet. Die Verwendung großer Induktionsspulen vergrößert aber die Kapazität des Kommutierungskreises. Infolgedessen ist es erforderlich, die Induktionsspulen in den jeweiligen Zweigen zu

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verketten, um die Gesamtinduktivität zu Null zu machen, aber die Induktionsspulen zu veranlassen, die durch die Zweige fließenden . Ströme auszugleichen. Diese Anordnung kann aber die Unterbrechungscharakteristik der Stromkreisunterbrecher nicht verbessern. Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer verbesserten Vorrichtung zur Unterbrechung eines Gleichstromkreises derArt, welche mehrere parallel geschaltete Stromkreisunterbrecher verwendet, bei welchen die durch die jeweiligen Zweige fließenden Ströme ausgeglichen sind und die Unterbrechungscharakteristik verbessert werden kann.

Die verbesserte Vorrichtung gemäß der Erfindung ist insbesondere für die Unterbrechung großer Gleichströme geeignet, und sie verwendet verbesserte sättigbare Drosselspulen, die nicht nur die Stromunterbrechungscharakteristiken der Vorrichtung verbessern, sondern auch als Stromausgleichsdrosselspulen unter mehreren parallel geschalteten Zweigstromkreisen wirken.

Gemäß einer Ausführung der Erfindung ist eine Vorrichtung zum Unterbrechen eines Gleichstromkreises dadurch gekennzeichnet, daß mehrere parallel geschaltete Zweigstromkreise vorgesehen sind, daß jeder Zweigstromkreis einen Stromunterbrecher und eine sättigbare Drosselspule enthält, die eine in Reihe mit dem Stromunterbrecher geschaltete Wicklung aufweist und deren Magnetkern bei einem vorbestimmten Wert des diese Wicklung durchfließenden Stromes gesättigt ist, und daß ein Kommutierungskreis mit einem Kondensator und einem Schalter vorgesehen ist, der den Zweigstromkreisen parallel geschaltet ist und dessen Schalter geschlossen ist, wenn

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die Stromunterbrecher geöffnet sind, um einen Kommutierungsstrom aus dem Kondensator durch die Zweigstromkreise fließen zu lassen.

Gemäß einer anderen Ausführung der Erfindung ist eine Vorrichtung zum Unterbrechen eines Gleichstromkreises dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Zweigstromkreise vorgesehen sind, daß jeder Zweigstromkreis einen Stromunterbrecher und eine mit dem Stromunterbrecher in Reihe geschaltete Drosselspulenwicklung enthält, daß eine Vorrichtung für die magnetische Kopplung der Drosselspulenwicklungen der jeweiligen Zweigstromkreise so vorgesehen ist, daß die durch diese Drosselspulenwicklungen erzeugten Magnetflüsse einander auslöschen, daß eine mit den parallel geschalteten Zweigstromkreisen in Reihe geschaltete sättigbare Drosselspule vorgesehen ist und daß ein einen Kommutierungskondensator und einen Schalter enthaltender Kommutierungskreis vorgesehen ist, der einen Kommutierungsstromfluß vom Kommutierungskondensator durch die sättigbare Drosselspule und die jeweiligen Zweigstromkreise bewirkt, wenn die Stromunterbrecher geöffnet sind.

Die Erfindung ist im folgenden anhand der Zeichnung an Ausführungsbeispielen näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1: ein Schaltdiagramm, das ein Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt,
Fig. 2: Stromkurven eines der in Fig. 1 gezeigten Zweigstromkreise,

Fig. 3 Schaltdiagramme, welche abgewandelte Ausführungsbeispiele und 4:

der Erfindung zeigen, und

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Fig. 5 und 6: abgewandelte sättigbare Drosselspulen, die auch

eine Stromausgleichswirkung haben.

Wie in Fig. 1 gezeigt, enthält die Vorrichtung zur Unterbrechung eines Stromkreises mehrere parallel geschaltete Zweigstromkreise, von denen jeder einen Vakuumunterbrecher 20 und eine sättigbare Drosselspule 30 enthält, die beide in Reihe geschaltet sind. Die Zahl der Zweigstromkreise kann entsprechend der Gesamtunterbrechungskapazität erfüllt werden. Ein Kommutierungskreis 10 mit einem Kondensator, wie er später beschrieben werden soll, ist den Zweigstromkreisen parallel geschaltet.

Das Arbeitsprinzip der Erfindung ist folgendes: die Lichtbogenspannung eines Vakuumunterbrechers nach der Trennung der Kontakte beträgt normalerweise 10 bis 100 V, so daß im Betrieb des Kreises 10 ein Kommutierungsstrom fließt, der einen solchen Wert hat, daß die Spannung des Kommutierungskreises 10 und der Spannungsabfall über der sättigbaren Drosselspule 30 gleich werden. Mit anderen

Worten, der Strom nimmt derart ab, daß das Produkt der Induktivität L der sättigbaren Drosselspule 30 und der Änderungsgeschwindigkeit des Stromes i ζ~) , das ist L ^- = der Spannung des Kommutierungskreises 10 wird. Der Wert der Induktivität der sättigbaren Drosselspule 30 ist unterhalb des Sättigungsstromes I_g und oberhalb des Sättigungsstromes unterschiedlich. D.h., wenn i "^ = I_ ist, ist die Drosselspule nicht gesättigt, und sie hat eine Induktivität von L_n, während für den Fall, daß i ^>> I_g die Drosselspule gesättigt ist und eine Induktivität von L_c hat. Natürlich ist

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L_M ~> L_c. Wenn die durch die jeweiligen Zweigstromkreise fließenden Ströme nicht gleich sind, ändern sich die durch die jeweiligen Zweigstromkreise fließenden Ströme, wie es in Fig. 2 gezeigt ist. Angenommen, daß der Strom I₁, der durch den ersten Zweigstromkreis fließt, größer ist als der Strom I«, welcher durch den zweiten Zweigstromkreis fließt, so nimmt der Strom I- zuerst auf den Sättigungsstrom I_c ab. Dann wird die sättigbare Drosselspule 30 im zweiten Zweigstromkreis entsättigt, wodurch ihre Induktivität auf Lq ansteigt mit dem Ergebnis, daß die Stromänderungsgeschwindigkeit abnimmt. Andererseits befindet sich die sättigbare Drosselspule 30 im ersten Zweigstromkreis noch in ihrem gesättigten Zustand, so daß die Xnderungsgeschwindigkeit des Stromes I₁ größer wird, um den Spannungsabfall über dem ersten Zweigstromkreis gleich demjenigen über dem zweiten Zweigstromkreis zu halten. Eine solche automatische Stromausgleichswirkung setzt sich fort, bis der Strom I₁ den Sättigungsstrom I_ erreicht. Mit der in Fig. 1 gezeigten Konstruktion ist es möglich, die durch die jeweiligen Zweigstromkreise fließenden Ströme zu der Zeit, während welcher der Gegenstrom aus dem Kommutierungskreis 10 fließt, auszugleichen. Wie oben beschrieben, kann die Stromverteilung unter einer Anzahl von Zweigstromkreisen automatisch justiert werden. Im einzelnen erreicht die sättigbare Drosselspule eines Zweigstromkreises mit geringerem Strom die Sättigung zu einem früheren Zeitpunkt. Infolgedessen vergrößert sich die Induktivität der sättigbaren Drosselspule dieses Zweigstromkreises plötzlich, wodurch der Betrag der Stromänderung verringert wird. Andererseits vergrößert sich die Größe der Stromänderung des anderen Zweigstromkreises, wie es durch dein/Abschnitt A

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gezeigt ist, wodurch die Stromverteilung automatisch abgeglichen werden kann. Infolgedessen besteht keine Gefahr, daß nur in einem Zweigstromkreis, der einen geringeren Strom führt ein Stromnullpunkt gebildet wird oder die Stromänderung in der Nähe des Stromnullpunktes dieses Zweigstromkreises zu groß wird, wodurch ein Fehler der Stromunterbrechung verhindert wird.

Die Unterbrechungscharakteristik der in Fig. 1 gezeigten Unterbrechervorrichtung wird beeinflußt durch die Größe bzw. Geschwindigkeit der Stromänderung in der Nähe des Stromnullpunktes. Infolgedessen sollte die Frequenz des vom Kommutierungskreis 10 gelieferten Gegenstromes so niedrig wie möglich sein. Da aber die Frequenz des Gegenstromes bestimmt wird durch die Kapazität des Konunutierungskondensators 3 (siehe Fig. 3) und die Induktivität 4 des Kommutierungskreises einschließlich der Streuinduktivität und der Induktivität der sättigbaren Drosselspule 30 ist es erforderlich, die Werte dieser Elemente zu erhöhen, um die Frequenz herabzusetzen. Eine solche Maßnahme ist aber teuer undpiicht praktisch. Infolgedessen ist es, wie oben beschrieben, vorteilhaft, die oben beschriebenen Charakteristiken der sättigbaren Drosselspule zu verwenden, um den Strom bei hoher Frequenz zu verringern durch Verwendung einer kleinen Induktivität bis zur Endsättigung und den Strom bei einer niedrigen Frequenz herabzusetzen, d.h. langsam, bis unter den Sättigungsstrom.

Wo sättigbare Drosselspulen in den jeweiligen Zweigstromkreisen enthalten sind, kann, wie oben beschrieben, während der Kommutierungs-

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periode ein Stromausgleich erreicht werden. Da aber während des normalen Betriebes die Drosselspulen gesättigt sind, kann kein Stromausgleich erwartet werden, falls nicht die Drosselspulen magnetisch miteinander gekoppelt sind. Wenn sie aber miteinander gekoppelt sind, kann der Vorteil der Verwendung der sättigbaren Drosselspule in einer Vorrichtung zur Unterbrechung eines Gleichstromkreises zusammen mit einem Kommutierungskreis nicht realisiert werden.

Fig. 3 zeigt ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel der Erfindung, mit welchem dieses Problem gelöst werden kann. In dieser Abwandlung sind zwei Spulen einer Induktionsspule 6 in Reihe mit entsprechenden Zweigstromkreisen geschaltet und magnetisch miteinander gekoppelt, wie es durch gestrichelte Linien dargestellt ist, und zwar so, daß sie durch diese erzeugten Magnetflüsse einander auslöschen. Der Kommutierungskondensator wird durch eine nicht dargestellte geeignete Ladevorrichtung vorgeladen auf eine geeignete Spannung, und zur Zeit der Unterbrechung der Stromkreisunterbrecher 20 wird ein Schalter 2 geschlossen.

Wenn die durch die jeweiligen Zweigstromkreise fließenden Ströme aus irgendeinem Grunde unausgeglichen werden, erscheint ein Spannungsabfall V über der Induktionsspule 6, der durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden kann:

dli . „ dl-,

ν - τ ^dI1 ₊ μ
^V - ^L dt ^{+ M}

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worin I₁ und I₂ Ströme der jeweiligen Zweigstromkreise, L die Selbstinduktivität der Drosselspule 6 und M deren Gegeninduktivität darstellt. Da die beiden Wicklungen magnetisch miteinander gekoppelt sind, ist M = L , so daß unter einer ausgeglichenen Bedingung V=O. Im Falle einer Unausgeglichenheit aber wird der Spannungsabfall V groß, wodurch eine Stromänderung verhindert wird. Normalerweise ist die Scheininduktivität Null, so daß die Frequenz des Kommutierungsstromes bestimmt wird durch die Werte des Kommutierungskondensators 3, der Kommutierungsinduktivität 4 und der sättigbaren Drosselspule 30.

In einem in Fig. 4 gezeigten anderen Ausführungsbeispiel wird eine einzige sättigbare Drosselspule 30 verwendet, die beiden Zweigstromkreisen gemeinsam ist. In diesem Falle kann die Wirkung der sättigbaren Drosselspule auf den Stromanteil unter den Zweigstromkreisen verringert werden, und es kann die Gegeninduktivität der Drosselspule 6 im wesentlichen gleich der Induktivität der sättigbaren Drosselspule 30 gemacht werden, wenn diese entsättigt ist.

Mit dieser Abwandlung ist es möglich, die durch die Zweigstromkreise fließenden Ströme durch die Wirkung der Drosselspule gut auszugleichen und die Frequenz des Kommutierungsstromes durch die sättigbare Drosselspule zu steuern und dadurch zu ermöglichen, die Kapazität der Vorrichtung zum Unterbrechen eines Gleichstromes, wie zum Beispiel eines Gleichstromleistungsübertragungssystems, zu erhöhen.

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Fig. 5 zeigt eine verbesserte Konstruktion der sättigbaren Drosselspule 30, die in dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 verwendet ist und die ein Paar nebeneinanderliegende Wicklungen 11 mit einer einzigen Windung oder mehreren Windungen aufweist, die je mit mehreren sättigbaren Kernen 12 verkettet sind. Wenn der durch jeden Zweigstromkreis fließende Strom groß ist, können die Kerne mit Luftspalten versehen sein. Wie dargestellt, sind die Kerne verschiedener Wicklungen ineinandergeschichtet, um die Flußverkettung zu erleichtern. Die Wicklungen 11 sind so angeordnet, daß, wenn die Kerne 12 nicht gesättigt sind, die Gegeninduktivität im wesentlichen Null ist, während dann, wenn die Kerne gesättigt sind, die durch entsprechende Wicklungen erzeugten Magnetflüsse einander auslöschen. Infolgedessen ist es möglich, die Gesamtinduktivität zu verringern und die durch entsprechende Zweigstromkreise fließende Ströme auszugleichen, auch wenn die Spulen bzw. Wicklungen 11 große Selbstinduktivitäten besitzen. Mit anderen Worten wirkt die sättigbare Drosselspule gemäß der Erfindung als Ausgleichsdrosselspule 6, wie sie in den Fig. 3 und 4 gezeigt ist. Da die Kerne 12 mit unabhängigen Wicklungen verkettet sind, wenn die Kerne nicht gesättigt sind, ist die Gegeninduktivität der Wicklungen vernachlässigbar klein. Da ferner die Selbstinduktivitäten der Wicklungen groß sind, ist auch die Induktivität zur Zeit der Entsättigung der Kerne groß, wodurch die Charakteristiken der sättigbaren Drosselspule zur Zeit der Stromunterbrechung verbessert werden.

Fig. 6 zeigt eine sättigbare Drosselspule, die für die Verwendung

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in dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 geeignet ist. In diesem Falle enthält die sättigbare Drosselspule eine Wicklung 11 mit einer Windung oder mit mehreren Windungen, die mit mehreren sättigbaren Magnetkernen 12 verkettet ist, und eine Luftkernspule 13, welche die Anordnung umgibt, so daß die durch die Wicklungen 11 und 13 erzeugten Magnetflüsse einander auslöschen, wenn die Kerne 12 gesättigt sind. Die Wicklungen 11 und 13 sind in jedem Zweigstromkreis in Reihe geschaltet, um die sättigbare Drosselspule 30 bzw. die in Fig. 3 gezeigte Drosselspule 6 zu bilden. Infolgedessen ist es mit den in den Fig. 5 und 6 gezeigten abgewandelten sättigbaren Drosselspulen möglich, die in Fig. 3 gezeigte Drosselspule 6 auszuschalten.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

1./Vorrichtung zum Unterbrechen eines Gleichstromkreises, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere parallel geschaltete Zweigstromkreise vorgesehen sind, daß jeder Zweigstromkreis einen Stromunterbrecher (20) und eine sättigbare Drosselspule (30) enthält, die eine in Reihe mit dem Stromunterbrecher (20) geschaltete Wicklung aufweist und deren Magnetkern bei einem vorbestimmten Wert des diese Wicklung durchfließenden Stromes gesättigt ist, und daß ein Kommutierungskreis (10) mit einem Kondensator (3) und einem Schalter (2) vorgesehen ist, der den Zweigstromkreisen parallel geschaltet ist und dessen Schalter (2) geschlossen ist, wenn die Stromunterbrecher (20) geöffnet sind, um einen Kommutierungsstrom aus dem Kondensator (3) durch die Zweigstromkreise fließen zu lassen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromunterbrecher einen Vakuum-Stromkreisunterbrecher enthält.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich eine Drosselspule (6) mit einem Paar Wicklungen vorge-

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sehen ist, die in entsprechenden Zweigstromkreisen in Reihe geschaltet und magnetisch miteinander getappelt sind, so daß die durch die entsprechenden Wicklungen erzeugten Magnetflüsse einander aufheben.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die sättigbaren Drosselspulen der jeweiligen Zweigstromkreise zu einer Anordnung kombiniert sind, die mehrere nebeneinanderliegende Wicklungen enthalten, von denen jede mit mehreren der sättigbaren Magnetkerne verkettet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetkerne benachbarter Wicklungen ineinander geschichtet sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die sättigbare Drosselspule eine erste Ringwicklung enthält, die mit mehreren sättigbaren Magnetkernen versehen ist, und eine zweite Ringwicklung enthält, welche die erste Wicklung und die sättigbaren Magnetkerne umgibt, wobei die beiden Ringspulen in Reihe geschaltet sind.

7. Vorrichtung zum Unterbrechen eines Gleichstromkreises, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Zweigstromkreise vorgesehen sind, daß jeder Zweigstromkreis einen Stromunterbrecher (20) und eine mit dem Stromunterbrecher in Reihe geschaltete Drosselspulenwicklung (6) enthält, daß ein Magnetkern für die magnetische Kopplung der

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Drosselspulenwicklungen der jeweiligen Zweigstromkreise so vorgesehen ist, daß die durch diese Drosselspulenwicklungen erzeugten Magnetflüsse einander auslöschen, daß eine mit den parallel geschalteten Zweigstromkreisen in Reihe geschaltete sättigbare Drosselspule (30) vorgesehen ist und daß ein einen Kommutierungskondensator (3) und einen Schalter (2) enthaltender Kommutierungskreis (10) vorgesehen ist, der einen Kommutierungsstromfluß vom Komroutierungskondensator durch die sättigbare Drosselspule und die jeweiligen Zweigstromkreise bewirkt, wenn die Stromunterbrecher geöffnet sind.

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