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Die Erfindung betrifft ein Vakuumschaltersystem zum Unterbrechen hoher Gleichströme mit niedriger Spannung, die jedoch für die verwendeten Kontaktmaterialien der Vakuumschalter über der Potentialdifferenz des Kathodenfalls liegt.
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Derartige Vakuumschaltersysteme werden insbesondere in Verbindung mit elektrolytischen Zellen bzw. chemischen Zellen, wie z. B. Chlor-Alkalizellen, verwendet, welche bei niederen Strömen einen sehr großen Gleichstrom führen, der über mehreren tausend Ampere liegen kann. Derartig hohe Gleichströme fließen kontinuierlich durch die Zelle, um den gewünschten chemischen Effekt, z. B. die Trennung von chemischen Stoffen zu bewirken. Diese chemischen Zellen werden in Serienschaltung betrieben, wobei es neuerdings üblich ist, die Betriebsspannung über 50 Volt ansteigen zu lassen.
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Die regelmäßig notwendig werdenden Wartungsarbeiten erfordern Abschalteinrichtungen, die bei niederer Spannung die hohen Ströme unterbrechen können, um einzelne Zellen aus dem Stromkreis auszuschalten, während die übrigen Zellen weiterbetrieben werden. Vakuumschalter für diesen Zweck sind durch die US-PS 39 50 628 bekannt. Es wurden auch schon weitere Vakuumschalter und Betätigungsmechanismen für diese in Verbindung mit der Verwendung für chemische Zellen vorgeschlagen, wobei die Vakuumschalter zumindest einen verschiebbar angeordneten Kontakt in einem hermetisch abgedichteten Vakuumbereich haben. Von diesen Schaltern liegt einer oder mehrere parallel zur chemischen Zelle und wird geschlossen, um den Strom an der Zelle vorbeizuleiten, wenn diese gewartet werden soll. Bei der Wiederinbetriebnahme der chemischen Zelle wird der bzw. die parallel geschalteten Vakuumschalter geöffnet, womit der Strom wieder über die Zelle fließt.
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Es ist wünschenswert die Schalter rasch zu öffnen und den dabei entstehenden Lichtbogen rasch zu unterdrücken. Die Kontakte bestehen üblicherweise aus Kupfer oder einer Kupferlegierung mit einem bestimmten charakteristischen Kathodenfall, d. h. einem bestimmten Potentialanstieg bzw. einer bestimmten Potentialdifferenz in der unmittelbaren Umgebung der als Kathode anzusehenden Elektrode des Schalters. Bei einem Spannungswert, der unterhalb dieses Potentialanstiegs im Kathodenfall liegt, kann kein Lichtbogen beim Öffnen der Kontakte aufrechterhalten bleiben. Bei dem verwendeten Kupfermaterial liegt der Potentialanstieg für den Kathodenfall etwa in der Größenordnung von 20 Volt. Von diesem charakteristischen Verhalten des Potentialverlaufs zwischen den Elektroden des sich öffnenden Schalters wird für die Unterdrückung des Lichtbogens Gebrauch gemacht.
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Bei Anlagen neuerer Art arbeiten die chemischen Zellen in der Regel mit Gleichspannungen, die über 50 Volt liegen. Damit ist die Spannung auch größer als die Potentialdifferenz im Kathodenfall bzw. der Kathoden- Potentialabfall. Daraus ergibt sich, daß für die meisten Kontaktmaterialien keine Möglichkeit der Unterdrückung des Lichtbogens im Vakuumschalter besteht, d. h. die herkömmlichen Vakuumschalter können in Verbindung mit solchen bei höherer Spannung betriebenen chemischen Zellen nicht mehr eingesetzt werden.
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In der Wechselstrom-Übertragungstechnik ist es üblich (DE-AS 22 42 696), Vakuumtrennschalter in einer Parallelschaltung zum Hauptschalter zu benutzen, wobei in dem parallelen Stromweg ferner Kapazitäten und Widerstände vorgesehen sind, mit deren Hilfe die Entstehung hoher Ausgleichsspannungen bei der Unterbrechung einer Hochspannungsgleichstromleitung verhindert werden soll.
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Es ist auch eine Serien-Parallelschaltung von Lasttrennschaltern bekannt (DE-OS 25 22 525), wobei im Parallelkreis ein Vakuumschalter in Serie zu einem Lasttrennschalter angeordnet ist, um die Ausschaltleistung des Vakuumschalters voll ausnützen zu können. Die Ausschaltung erfolgt dabei, indem zunächst der Lasttrennschalter und dann der Vakuumschalter geöffnet wird, womit der Vakuumschalter die volle Ausschaltleistung ausnutzen kann.
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Schließlich ist auch eine Schalteinrichtung mit einem in eine Flüssigkeit eingetauchten Vakuumschalter bekannt (DE-OS 16 40 206), wobei in zwei parallelen Strompfaden jeweils ein Trennschalter angeordnet ist und die beiden parallelen Strompfade durch einen Vakuumschalter miteinander verbunden sind. Bei dieser Anordnung soll dafür Sorge getragen werden, daß beim Auftreten eines Lecks die in die Flüssigkeit eingetauchten Vakuumschalter beschädigt werden.
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Bei Vakuumschaltsystemen der eingangs genannten Art ergibt sich keine Möglichkeit der Spannungsunterdrückung. Vielmehr wird die Lichtbogenunterdrückung dadurch erreicht, daß beim Öffnen der Kontakte dafür gesorgt wird, daß der Kathoden-Potentialabfall für den Vakuumschalter die am System anliegende Gleichspannung übersteigt. Unter diesen Umständen kann kein Lichtbogen aufrecht erhalten werden, so daß eine Unterbrechung auch sehr hoher Ströme bei gleichzeitiger Lichtbogenunterdrückung möglich ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Vakuumschaltersystem zu schaffen, das auch bei Betriebsspannungen über der Potentialdifferenz des Kathodenfalls in der Lage ist, hohe Ströme zu unterbrechen, wobei gleichzeitig eine Unterdrückung der Lichtbögen bzw. eine Löschung der Lichtbögen möglich ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zumindest zwei parallele Stromwege vorhanden sind, von denen im ersten Stromweg zumindest ein Vakuumschalter und im zweiten Stromweg zumindest zwei in Serie geschaltete Vakuumschalter liegen, und daß Einrichtungen zum Öffnen der Vakuumschalter in Abhängigkeit vom Öffnen des Vakuumschalters im ersten Stromweg die seriengeschalteten Vakuumschalter um eine vorgegebene Zeit verzögert öffnen.
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Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von weiteren Ansprüchen.
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Eine Exzenter-Steuerung ist an sich durch die DE-OS 16 40 206 für einen Vakuumschalter bekannt.
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Ein Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung wird anhand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt
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Fig. 1 eine schematische Schaltung des Vakuumschaltersystems;
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Fig. 2 eine schematische Darstellung des Betätigungsmechanismus für das Vakuumschaltersystem;
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Fig. 3 eine schematische Darstellung des Betätigungsmechanismus gemäß Fig. 2, aus der die Verzögerung des Öffnens von Schaltern hervorgeht.
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Gemäß Fig. 1 umfaßt das Vakuumschaltersystem Anschlußleitungen 12 und 14, welche an die Anode und Kathode einer nicht dargestellten elektrolytischen bzw. chemischen Zelle angeschlossen sind. Eine Vielzahl elektrisch parallel geschalteter Stromwege 16, 18 und 20 verbindet die Anschlußleitungen 12 und 14. In den Stromwegen 16 und 18 ist jeweils ein Vakuumschalter 22 bzw. 24 angeordnet. Im Stromweg 20 sind dagegen zwei Vakuumschalter 26 und 28 in Serienschaltung angeordnet. Zwischen dem Stromweg 18 und dem Stromweg 20 befindet sich eine Verzögerungseinrichtung 29, die dafür sorgt, daß über einen Öffnungsmechanismus 42 einerseits die Öffnung der Schalter 26, 28 gleichzeitig, jedoch um eine bestimmte Zeit verzögert nach den Schaltern 22 und 24 erfolgt.
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Zwischen den Anschlußleitungen 12 und 14 liegt ein Gleichspannungspotential von etwa 50 Volt, und wenn alle Vakuumschalter geschlossen sind, fließt ein sehr hoher Gleichstrom in der Größenordnung von mehreren tausend Ampere über die Stromwege 16, 18 und 20. Wenn der Stromfluß über das Vakuumschaltersystem unterbrochen werden soll, werden die Schalter 22 und 24 etwa gleichzeitig geöffnet, wobei die Schalter 26 und 28 noch geschlossen bleiben. Nunmehr fließt der gesamte Strom im System über den Stromweg 20, womit man eine Unterdrückung bzw. eine Löschung der sich zwischen den öffnenden Schalter 22 und 24 ergebenden Lichtbogen erreicht. Nach einer festgelegten ausreichend großen Verzögerungszeit, welche das Löschen der Lichtbogen an den Schaltern 22 und 24 sicherstellt, jedoch noch bevor eine Überhitzung der Schalter 26 und 28 infolge des hohen Stromes erfolgt, werden die Schalter 22 und 24 geöffnet. Diese Verzögerungszeit beträgt zumindest 50 Millisekunden. Die Verzögerungseinrichtungen 29 bewirken über den Öffnungsmechanismus 42, daß die Schalter 26 und 28 gleichzeitig geöffnet werden. Der Kathoden-Potentialabfall an den seriengeschalteten Vakuumschaltern 26, 28 übersteigt den Kathoden- Potentialabfall an den beiden Einzelschaltern 22 und 24 um das Zweifache. Auf diese Weise können die in Serie geschalteten Vakuumschalter den Strom effektiv unterbrechen. Selbstverständlich ist es möglich, mehr als zwei Vakuumschalter im Stromweg 20 in Serie zu schalten, um einen größeren Kathoden- Potentialabfall zu erzielen.
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Die Zuordnung der einzelnen Vakuumschalter zu dem Betätigungsmechanismus geht aus Fig. 2 hervor. Die grundsätzliche Wirkungsweise des Betätigungsmechanismus für die parallel geschalteten Schaltwege geht aus der deutschen Patentanmeldung P 27 02 063.9 hervor.
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Jedoch hat dieser Mechanismus keine Vorkehrungen getroffen, um in einem der parallelen Stromwege eine Serienanordnung von Schaltern vorzusehen. Das vorgeschlagene System ist daher auf die Verwendung bei niederen Spannungen zumindest unter 20 Volt begrenzt. Der Betätigungsmechanismus gemäß den Fig. 2 und 3 umfaßt eine gemeinsame Welle 30 mit Exzenterscheiben 32, 34 und 36. Die Exzenterscheiben arbeiten jeweils auf ein Schaltgestänge 38, 40 und 42, welches an entsprechende Vakuumschalter 22, 24, 26 und 28 angeschlossen ist, wobei das der Exzenterscheibe 36 zugeordnete Schaltgestänge auf die Vakuumschalter 26 und 28 gleichzeitig wirkt. Die Exzenterscheiben 32 und 34 sind bezüglich ihrer Formgebung identisch aufgebaut, wogegen die Exzenterscheibe 36 einen vergrößerten Nockenbereich 44 hat. Durch diesen vergrößerten Nockenbereich wird erreicht, daß die Vakuumschalter 26 und 28 über die Öffnungszeit der Vakuumschalter 22 und 24 hinaus geschlossen bleibt. Diese verzögerte Öffnung der Vakuumschalter 26 und 28 geht aus Fig. 3 hervor. Nach der Verzögerungszeit werden auch diese beiden Vakuumschalter 26 und 28 geöffnet.
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Obwohl in der Beschreibung des Ausführungsbeispieles nur ein mechanischer Öffnungsmechanismus erläutert wurde, mit dem die verzögerte Unterbrechung der in Serie geschalteten Schalter im einen Stromweg erfolgt, ist es für den Fachmann selbstverständlich, daß anstelle eines mechanischen Öffnungsmechanismus auch ein elektronischer vorgesehen werden kann, wobei dieser elektronische Öffnungsmechanismus die Stromänderung im parallelen Stromweg 20 erfaßt und abtastet und dann nach einer vorgesehenen Verzögerungszeit die Mechanik zum Öffnen der Schalter, z. B. mit Hilfe eines Pneumatikzylinders oder eines Hydraulikzylinders, auslöst.