DE3734989A1

DE3734989A1 - Gleichstromleitungsunterbrecher und verfahren zu dessen kommutierung

Info

Publication number: DE3734989A1
Application number: DE19873734989
Authority: DE
Inventors: Tatsuji Shirouzu; Masatoshi Morita; Satoshi Mizuno
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1986-10-15
Filing date: 1987-10-15
Publication date: 1988-04-28
Also published as: JP2679997B2; DE3734989C2; JPS63225447A; US4805062A

Description

Die Erfindung betrifft einen Gleichstromleitungsunterbrecher und ein Verfahren zu dessen Kommutierung, wobei mittels eines Kommutier- oder Umschaltkondensators, der direkt von einer Gleichstromleitung ladbar ist, ein Gegenstrom zugeführt wird.

Aus einem in "Denki Hyoron (Electrical Review)" von Seite 791 bis 795 im September 1980 veröffentlichten Fachartikel "DC Circuit Breaker" ist ein solcher Gleichstromleitungsunterbrecher bekannt.

Fig. 1 zeigt eine Grundschaltung eines herkömmlichen Gleichstromleitungsunterbrechers mit Gegenstromeinspeisung, der aus einer Unterbrechereinheit 2 in Reihe zu einer Hauptgleichstromleitung 1 und einer parallel zur Unterbrechereinheit 2 eingeschalteten Reihenschaltung aus einem Kommutierkondensator 3 (weiterhin Umschaltkondensator genannt), einer Drosselspule 4 und einem ersten Schalter 5 besteht, der einen Thyristor oder einen Triggerüberschlagspalt aufweist.

In Fig. 1 bezeichnet mit 1 a einen speiseseitigen Anschluß der Gleichstromleitung 1 und 1 b einen lastseitigen Anschluß der Gleichstromleitung 1. Eine Ladeeinheit 6 ist mit dem Umschaltkondensator 3 parallelgeschaltet. 7 a bildet einen speiseseitigen Anschluß einer negativen Sammelleitung 7 und 7 b einen lastseitigen Anschluß der negativen Sammelleitung 7. Außerdem ist zwischen den lastseitigen Anschlüssen 1 b und 7 b eine Last 8 geschaltet. Zwischen den speiseseitigen Anschlüssen 1 a und 7 a ist eine Gleichstromspeisequelle V eingeschaltet.

Im Leitungsunterbrechungsbetrieb wird bei der in Fig. 1 dargestellten Schaltungsanordnung der Unterbrechereinheit 2 ein Öffnungsbefehl angelegt und nachdem die Unterbrechereinheit 2 geöffnet ist, der den ersten Schalter 5 bildende Thyristorschalter eingeschaltet, d. h. gezündet, so daß der von dem zuvor von der Ladeeinheit 6 geladenen Umschaltkondensator 3 fließende Entladestrom in entgegengesetzter Richtung zum Strom durch die Unterbrechereinheit 2 fließt. Die Summe der durch die Unterbrechereinheit 2 fließenden Ströme und erreicht einen Nullwert mit dem Ergebnis, daß der Lichtbogen über der Unterbrechereinheit 2 gelöscht wird und der Leitungsstrom zum Umschaltkondensator 3 fließt, wodurch der Strombegrenzungsvorgang beendet ist.

Der anhand der Fig. 1 beschriebene bekannte Gleichstromleitungsunterbrecher benötigt jedoch eine Ladeeinheit 6 nur zum Laden des Umschaltkondensators 3. In einem Fall, wo dieser Kondensator direkt von der Gleichstromleitung 1 geladen wird, wäre abhängig von der Ladepolarität ein Laden von der Lastseite der Unterbrechereinheit 2 notwendig, so daß die Unterbrecherfunktion solange bis der Kondensator 3 vollständig geladen ist, nachdem die Unterbrechereinheit 2 eingeschaltet hat, außer Betrieb gesetzt werden muß. Dadurch ist eine praktische Anwendung des letztgenannten Systems ausgeschlossen. In dem Falle, wo eine eigene Ladeeinheit 6 eingefügt ist, muß auch ein Stromrichter eingeschaltet sein, und Leistung von einer Gleichstrombatterie oder von der Gleichstromleitung 1 zugeführt werden, damit die Zuverlässigkeit sichergestellt ist. Dadurch wird zum einen das System komplizierter und gleichzeitig die Zuverlässigkeit der Gleichstromleitung verringert.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, einen Gleichstromleitungsunterbrecher zu ermöglichen, der einen direkt von einer Gleichstromleitung ladbaren Umschaltkondensator aufweist.

Der so ermöglichte Gleichstromleitungsunterbrecher soll einen einfachen Aufbau haben und kostengünstig herstellbar sein. Durch eine parallel zu einem Umschaltkondensator geschaltete magnetische Rückschlagspule und einen Schalter, die zusammen mit dem Umschaltkondensator eine LC-Resonanzentladungsschaltung bilden, wird die Ladepolarität des Umschaltkondensators umgekehrt, wodurch die separate Ladeeinheit entbehrlich wird.

Um die obige Aufgabe zu lösen, ist erfindungsgemäß ein Umschaltkondensator einer Gleichstromleitungsunterbrecheranordnung mit seinem einen Ende mit der Speiseseite einer Gleichstromleitung und mit seinem anderen Ende mit einer negativen Sammelleitung der Gleichstromleitung durch einen Ladewiderstand verbunden, und eine aus einer magnetischen Rückschlagspule und einem zweiten Schalter bestehende Reihenschaltung ist parallel zum Umschaltkondensator gelegt, wobei letzterer direkt von der Speiseseite der Gleichstromleitung geladen wird, und, wenn die Unterbrechereinheit zu öffnen beginnt, wird der zweite Schalter eingeschaltet, dreht die Polarität des geladenen Umschaltkondensators um und speist dadurch einen Gegenentladestrom durch die Unterbrechereinheit, während diese gleichzeitig zu öffnen beginnt.

Normalerweise wird der Umschaltkondensator durch einen Ladewiderstand von der Gleichstromleitung geladen. Am Beginn des Öffnens der Unterbrechereinheit wird der zweite Schalter, typischerweise ein zweiter Thyristor, eingeschaltet, und die Polarität des Umschaltkondensators wird so umgekehrt, daß die Unterbrechereinheit mit einem entgegengesetzt zum Hauptstrom fließenden Entladestrom gespeist wird, während gleichzeitig die Unterbrechereinheit zu öffnen beginnt.

Genauer wird, sobald der zweite Thyristorschalter eingeschaltet wird, der Umschaltkondensator mittels eines durch die magnetische Rückschlagspule und den zweiten Thyristorschalter bewirkten Resonanzvorgangs entladen. Wenn durch die magnetische Rückschlagspule ein Resonanzstrom fließt, wird eine magnetische Rückschlagkraft erzeugt, die das Öffnen der Unterbrechereinheit startet. Der Resonanzstrom wird vom zweiten Thyristorschalter bei Strom-Nulldurchgang in der Halbwelle blockiert, wodurch die Ladepolarität des Umschaltkondensators umgekehrt wird. Auf diese Weise fließt, sobald der typischerweise aus einem ersten Thyristor bestehende erste Schalter zum Öffnungszeitpunkt der Unter brechereinheit eingeschaltet wird, ein Entladestrom in zum Hauptstrom umgekehrter Richtung von dem Umschaltkonden sator durch eine Drosselspule zur Unterbrechereinheit und unterbricht damit den Leitungsstrom.

Auf diese Weise wird erfindungsgemäß ein Gleichstromleitungs unterbrecher mit Umschaltkondensator ermöglicht, der direkt von einer Gleichstromleitung ladbar ist, dessen Funktion vorteilhafterweise auch dann nicht beeinträchtigt wird, wenn der Umschaltkondensator direkt von der Gleichstrom leitung geladen wird.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung in Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 2 ein Schaltbild eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels eines Gleichstrom leitungsunterbrechers;

Fig. 3 und 4 Schaltbilder weiterer vorteilhafter Aus führungsbeispiele gemäß der Erfindung.

In der ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Gleichstromleitungsunterbrechers darstellenden Fig. 2 sind diejenigen Schaltungskomponenten, die mit denen in Fig. 1 identisch sind, mit denselben Bezugsziffern bezeichnet und werden nicht weiter beschrieben.

Bei diesem Ausführungsbeispiel ist ein Umschaltkondensator 3 mit seinem einen Ende am speiseseitigen Anschluß 1 a einer Gleichstromleitung 1 und mit seinem anderen Ende über einen Ladewiderstand 9 und eine Diode 10 mit einer negativen Sammelleitung 7 der Gleichstromleitung 1 verbunden. Außerdem ist der Umschaltkondensator 3 parallel zu einer eine magnetische Rückschlagspule 11 und einen zweiten Thyristorschalter 12, der einen zweiten Schalter bildet, aufweisende Reihenschaltung geschaltet.

Nun werden die Umschaltvorgänge des Gleichstromleitungs unterbrechers gemäß der Erfindung anhand der Fig. 2 näher erläutert.

I. Der Umschaltkondensator 3 wird normalerweise direkt von der Gleichstromspeisequelle V der Gleichstromleitung 1 durch den Ladewiderstand 9 und die Diode 10 geladen, wie das Symbol + am Umschaltkondensator zeigt (Ladestrom ).
II. Dann wird der zweite Thyristorschalter 12 eingeschaltet, mit dem Ergebnis, daß der Umschaltkondensator 3 durch die aus der magnetischen Rückschlagspule 11 und den zweiten Thyristorschalter 12 bestehende LC-Resonanzschaltung entladen wird. Wenn der LC-Resonanzstrom in der magnetischen Rückschlagspule 11 fließt, wird eine magnetische Gegenkraft erzeugt, die die Öffnung der Unterbrechereinheit startet. Der LC-Resonanzstrom wird zum Zeitpunkt des Nulldurch gangs der Halbwelle des Stroms durch den zweiten Thyristor schalter 12 blockiert, wodurch die Laderichtung des Umschalt kondensators 3 umgekehrt wird, wie das Symbol (+) darstellt.
III. Wenn der erste Thyristorschalter 5 mit dem Öffnen der Leitungsunterbrechereinheit 2 einschaltet, fließt ein Entladestrom entgegengesetzt zum Hauptstrom in der Unterbrechereinheit 2 vom Umschaltkondensator 3 durch die Drosselspule 4 und den ersten Thyristorschalter 5, so daß der in der Unterbrechereinheit 2 fließende Strom zu Null wird, mit dem Ergebnis, daß der Boden der Unter brechereinheit 2 gelöscht wird.
IV. Sobald der Bogen der Unterbrechereinheit 2 vollständig gelöscht und der Stromkreis unterbrochen ist, fließt der Umschaltstrom durch die Gleichstromspeisequelle V, den Umschaltkondensator 3, die Drosselspule 4, den ersten Thyristorschalter 5, die Last 8 und die negative Sammel leitung 7 in dieser Reihenfolge.

Somit ist ein Gleichstromleitungsunterbrecher mit Umschalt kondensator 3 möglich, der direkt von der Gleichstromleitung 1 aufladbar ist, wobei die Funktionen des Gleichstromleitungs unterbrechers auch durch die oben beschriebenen Vorgänge nicht nachteilig beeinflußt werden.

Insbesondere ist erfindungsgemäß eine die magnetische Rückschlagspule 11 und den Thyristorschalter 12 aufweisende Reihenschaltung parallel zum Umschaltkondensator 3 geschaltet, und letzterer ist über den Ladewiderstand 9 und die Diode 10 mit der negativen Sammelleitung 7 und der Speiseseite der Leitung 1 verbunden. Auf diese Weise wird der Umschaltkondensator 3 auf seiner linken Seite in Fig. 2 von der Gleichstromleitung 1 positiv durch den Ladewiderstand 9 und die Diode 10 unabhängig von dem offenen oder geschlossenen Zustand der Unterbrechereinheit 2 aufge laden. Nach Ausgabe eines Unterbrecherbefehls für die Unterbrechereinheit 2 wird der zweite Thyristorschalter 12 eingeschaltet, und der Umschaltkondensator 3 durch Resonanz durch die magnetische Rückschlagspule 11 und den zweiten Thyristorschalter 12 entladen. Wenn der LC- Resonanzstrom in der magnetischen Rückschlagspule 11 fließt, wird dadurch eine magnetische Rückschlagkraft erzeugt und startet das Öffnen der Unterbrechereinheit 2. Dieser LC-Resonanzstrom wird durch den zweiten Thyristorschalter 12 beim Nulldurchgang des Stroms in der Halbwelle blockiert, und die Laderichtung des Umschalt kondensators 3 dreht sich um, wobei dann die in Fig. 2 rechts dargestellte Seite des Kondensators positiv wird. Wenn die Unterbrechereinheit 2 ganz geöffnet ist, schaltet der erste Thyristorschalter 5 ein, so daß der Umschaltkon densator 3 über die Drosselspule 4, den ersten Thyristor schalter und die Unterbrechereinheit 2 durch den Resonanz vorgang entladen wird. Als Ergebnis wird der Unterbrecherein heit 2 ein Strom zugeführt, der in umgekehrter Richtung zum Hauptstrom fließt, der somit einen Punkt mit der Stromstärke Null erreicht. Die Unterbrechereinheit 2 wird deshalb gelöscht, und der Leitungsstrom kommutiert zum Umschaltkondensator 3, wodurch der Strombegrenzungsvorgang beendet ist.

Allgemein hat das Ausgangssignal der als Resonanzschaltung zum Umkehren der Laderichtung des Umschaltkondensators 3 dienenden magnetischen Rückschlagspule 11 einen mit der Erhöhung des Abstandes von dem entgegengesetzt dazu angeordneten leitenden Kurzschlußring scharf abfallenden Verlauf, und der Hauptteil des wirksamen Ausgangssignals der magnetischen Rückschlagspule 11 wird in der Halbwelle von deren Resonanzstrom erzeugt. Deshalb verrringert sich das Ausgangssignal nicht wesentlich, falls der Resonanz strom der magnetischen Rückschlagspule 11 in der Halbwelle blockiert ist. Durch dieses Blockieren des Stroms in der Halbwelle läßt sich somit die Energie, die sonst von dem Widerstand der folgenden Schaltungsteile verbraucht würde, als Umschaltenergie verwenden. Dadurch ist die Verringerung der Gesamtladeenergie für den Umschaltkondensator möglich.

Fig. 3 stellt ein weiteres Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung dar, bei dem die Drosselspule 4 von Fig. 2 an anderer Stelle angeordnet ist. Genauer kann in Fig. 3 die Drosselspule 4 an jeder der eingezeichneten Stellen 4 a, 4 b, 4 c und 4 d angeordnet sein und hat trotzdem dieselbe Wirkung wie bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungs beispiel.

Weiterhin kann die Drosselspule 4 auch durch die Reaktanz L des Drahts gebildet sein.

Fig. 4 stellt ein weiteres Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung dar. Hierbei wird anstatt der den ersten und zweiten Schalter in Fig. 2 bildenden Thyristoren ein Trigger überschlagsspalt eingesetzt, der dieselbe Wirkung wie die Thyristorschalter 5 und 12 beim ersten Ausführungs beispiel gemäß Fig. 2 hat.

Bei diesem Ausführungsbeispiel kann der Umschaltkondensator 3 direkt von der Speiseseite der Gleichstromleitung 1 geladen werden, und deshalb läßt sich eine vorgegebene Ladespannung und Richtung unabhängig vom offenen oder geschlossenen Zustand der Unterbrechereinheit 2 erreichen, wodurch eine eigene Ladeeinheit entfallen kann. Die Zuver lässigkeit der Gleichstromleitung 1 wird somit verbessert und gleichzeitig eine kostengünstige Gleichstromunter brechereinheit ermöglicht. Außerdem wird die im Umschaltkon densator 3 gespeicherte Energie wirksam eingesetzt, wodurch die Kapazität des Umschaltkondensators 3 verringerbar ist.

Die Unterbrechereinheit 2 kann als Vakuumkreisunterbrecher, Gaskreisunterbrecher oder Luftkreisunterbrecher ausgebildet sein, wobei der Vakuumkreisunterbrecher angesichts der Tatsache, daß er eine überragende Hochfrequenzstrom unterbrechereigenschaft besitzt, daß der Resonanzentlade strom der aus Umschaltkondensator 3 und Drosselspule 4 gebildeten Kommutierschaltung als Hochfrequenzstrom zugeführt werden kann, um die Kapazität des Umschaltkondensators 3 zu verringern und daß ein kleiner Öffnungshub eine genügende Löschfunktion für eine geeignete Anwendung bei sehr schnellen Unterbrechern ermöglicht, am besten geeignet ist.

Statt der magnetischen Rückschlagspule 11, die eine Resonanz entladeschaltung zur Umkehrung der Laderichtung des Umschalt kondensators 3 bildet, kann auch jede zum Antrieb des Öffnungsvorgangs der Unterbrechereinheit 2 geeignete Spule mit der gleichen Wirkung verwendet werden.

Die vorangehende Beschreibung macht somit verständlich, daß erfindungsgemäß ein Umschaltkondensator direkt von der Gleichstromleitung ladbar ist, wodurch eine Gleich stromunterbrechereinheit ohne eine separate Ladeeinheit realisiert werden kann.

Außerdem ermöglicht die vorliegende Erfindung einen kosten günstigen Gleichstromleitungsunterbrecher, der zudem vorteil hafterweise einfach aufgebaut ist.

Claims

1. Gleichstromleitungsunterbrecheranordnung mit
einer in eine Hauptgleichstromleitung eingefügten Unterbrechereinheit (2),
einem parallel zur Unterbrechereinheit (2) geschalteten Umschaltkondensator (3) und einer Reihenschaltung aus einer Drosselspule (4) und einer ersten Schalteinrichtung (5), wobei der Hauptgleichstromleitung (1) ein Gegenstrom durch LC-Resonanz zur Ausschaltung der Unterbrechereinheit (2) eingespeist wird,
dadurch gekennzeichnet, daß ein Ende des Umschaltkondensators (3) mit dem speiseseitigen Anschluß (1 a) der Hauptgleichstromleitung (1) und das andere Ende des Umschaltkondensators (3) über einen Ladewiderstand (9) mit einer negativen Sammelleitung (7) der Gleichstromleitung verbunden ist und eine Reihenschaltung aus einer magnetischen Rückschlagspule (11) und einer zweiten Schalteinrichtung (12) parallel zum Umschaltkondensator (3) geschaltet ist.

2. Gleichstromleitungsunterbrecheranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite Schalteinrichtung (5, 12) Thyristoren aufweisen.

3. Gleichstromleitungsunterbrecheranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und zweite Schalteinrichtung (5, 12) Triggerüberschlagspalte aufweisen.

4. Gleichstromleitungsunterbrecher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterbrechereinheit (2) ein Vakuumunterbrecher ist.

5. Verfahren zur Kommutierung der Gleichstromleitungsunterbrecheranordnung gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

- Laden des Umschaltkondensators (3) durch den Ladewiderstand (9) direkt von der Gleichstromspeiseseite der Hauptgleichstromleitung (1);
- Einschalten der zweiten Schalteinrichtung (12) und dadurch Entladen des Umschaltkondensators (3) mittels LC-Resonanz durch die magnetische Rückschlagspule (11) und die zweite Schalteinrichtung (12) und dadurch Umkehren der Laderichtung des Umschaltkondensators (3); und
- Einschalten der ersten Schalteinrichtung (5) sobald die Unterbrechereinheit (2) zu öffnen beginnt, dadurch Einspeisen eines Entladestroms von dem Umschaltkondensator (3) über die Drosselspule (4) und die erste Schalteinrichtung (5) in die Unterbrechereinheit (2) in der zu dem in der Hauptgleichstromleitung fließenden Hauptstrom umgekehrten Richtung und dadurch Ausschalten der Unterbrechereinheit (2).