DE762859C - Schalteinrichtung mit Vorwiderstand - Google Patents

Description

Es sind Schalter mit Vorkontaktwdderständen bekannt, die dazu dienen, beim Schalten verschiedener Stromkreise teils die Schaltüberspannungen, teils die Schaltüberströme zu vermeiden. Für den letztgenannten Zweck wurde der Vorkontaktwiderstand im allgemeinen für den Rush-Strom bemessen, welcher beim Einschalten eisenhaltiger Reaktanzen entsteht und Werte vom Vielfachen (io- bis ioofachen) des Einschaltstromes betragen kann.

Die Erfindung befaßt sich mit einer Schalteinrichtung, welche gleichfalls aus einem Einschaltapparat mit Vorkontaktwiderstand besteht, jedoch zu dem Zweck, Wechselstromkreise kurzzuschließen und als Besonderheit die hierbei auftretenden Unsymmetrien möglichst weitgehend zu unterdrücken.

Der Kurzschluß strom eines Wechselstromkreises besteht nämlich aus einer symmetrisch zur Nullinie verlaufenden Komponente, dem sogenannten Wechselstromglied 10 (s. Fig. 1), welchem sich bei überwiegend induktiven Stromkreisen ein Gleichstromglied 11 überlagert, das in bezug auf die Periodendauer »5 des Wechselstromes relativ langsam abklingt. Durch dieses Gleichstromglied, dessen Größe von der Phasenlage des Augenblicks des Kurz-

schließens abhängt, wird die erste Amplitudedes Kurzschluß stromes auf beinahe den doppelten Wert vergrößert (vgl. Fig. i, /_s). Berücksichtigt man, daß die elektrodynamischen Strom-Wirkungen mit dem Quadrat des Momentwertes des Stromes ansteigen, so erkennt man die Wichtigkeit der Verringerung des Gleichstromgliedes besonders für Stromkreise mit sehr großen Kurzschlußströmen von beispielsweise ioo ooo A und darüber. Wenn es gelingt, das Gleichstromglied praktisch vollständig für jeden Einschaltaugenblick zu unterdrücken, so gehen die elektrodynamischen Stromkräfte auf beinahe ein Viertel zurück. Dadurch wird es ermöglicht, in Schaltanlagen mit sehr großen Kurzschlußströmen die Sammelschienen und Schaltgeräte erheblich kleiner auszulegen, wodurch an Material und Kosten erheblich gespart werden kann. Um ein derartiges Gleichstromglied zu unterdrücken, ist eine Anordnung angegeben worden, bei der mit Hilfe eines Regelschalters beim Einschaltvorgang ein Widerstand in den Stromkreis hineingebracht wird, dessen wirksanier Wert hierbei auf etwa den zehnfachen Wert gesteigert wird. Ein derartiger regelbarer Widerstand bedingt jedoch bei Anlagen für hohe Ströme, wie beispielsweise Prüfanlagen, einen sehr großen Aufwand. Außerdem vergeht bis zu dem Zeitpunkt, in dem der Widerstand seinen vollen Wert erreicht hat, eine verhältnismäßig lange Zeit, in der dem Generator bereits viel Energie entzogen wird und eine weitgehende Entregung des Generators erfolgt, so daß keine volle Ausnutzung des Generators möglich ist. Es ist weiter bekannt, einen festen Widerstand mit verhältnismäßig geringem Ohmwert in die Anlage einzuschalten. Hierdurch würde jedoch eine starke Änderung der Phasenverschiebung bewirkt, die vielfach nicht zulässig ist und außerdem eine volle Ausnutzung verhindert.

Endlich ist es bekannt, daß das Entstehen des Gleichstromgliedes durch synchrones Kommando für den Einschaltapparat verhindert werden kann, indem die Kontakte in dem Augenblick geschlossen werden, in dem der stationäre Strom durch Null geht. Derartige Einrichtungen bergen jedoch noch erhebliche Gefahren in sich, da eine Abweichung von der beabsichtigten Zeit um nur wenige tausendstel Sekunden bereits wieder zu einem sehr hohen Gleichstromglied führt. Es ist aber sehr schwierig, schwere Schaltstücke für hohe Stromstärken mit einer solchen Genauigkeit zu bewegen.

Xach der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß bei einer Schalteinrichtung mit Vorwiderstand zur Verringerung des Gleich-Stromgliedes beim Einschalten von Stromkreisen mit großer Stromstärke der Vorwiderstand so bemessen wird, daß das Verhältnis seiner Induktivität 10_L zu dem ohmschen Widerstand R etwa gleich 2,5 ist.

Im Gegensatz zu dem Bekannten gibt die Erfindung die Möglichkeit, unabhängig von der jeweiligen Phasenlage des Einschaltaugenblicks das jeweils entstehende Gleichstromglied sicher unter einem bestimmten, in bezug auf die Wirkung praktisch vernachlässigbaren Wert zu halten.

Die Arbeitsweise der Schalteinrichtung nach der Erfindung ist folgende: Zunächst wird der Stromkreis über den Vorkontaktwiderstand geschlossen. Hierbei entsteht zwar, abhängig von der Phasenlage des Einschaltaugenblicks, ein Gleichstromglied. Dieses klingt jedoch um so schneller ab. je größer der Widerstand ist. Es läßt sich z. ß. durch Vergrößerung des Widerstandes erreichen. daß das Gleichstromglied bereits nach einer Halbwelle des Wechselstromes praktisch ganz abgeklungen ist (vgl. Fig. 2, Gleichstromglied 12). so daß die größte Amplitude des Kurzschlußstromes J_s praktisch nicht größer ist als der Scheitelwert des stationären Kurzschlußstromes. Um ein so schnelles Abklingen zu erreichen, muß jedoch der Widerstand einen relativ zur Reaktanz des Stromkreises großen Wert besitzen, so daß er nicht lange im Stromkreis bleiben kann, da er sonst zuviel Energie verbrauchen würde. Der Widerstand soll daher möglichst bald kurzgeschlossen werden. In diesem Augenblick entsteht von neuem ein Gleichstromglied, welches wiederum von der Phasenlage des Schaltaugenblicks und außerdem von der Größe des Widerstandes abhängig ist. Dadurch könnte unter Umständen der Scheitelwert des stationären Kurzschlußstromes unzulässig vergrößert werden. Die günstigste Bemessung des Widerstandes ist also diejenige, bei der sowohl beim Einschalten des Widerstandes in den Stromkreis als auch beim Kurzschließen des Widerstandes ein möglichst kleines Gleich-Stromglied entsteht. Diese Größe kann folgendermaßen ermittelt werden: Bezeichnet man mit φ die Phasenverschiebung zwischen EMK und Strom bei eingeschaltetem Vorkontaktwiderstand, so gibt, da die Tangente dieses Winkels das Verhältnis von Induktivität zum ohmschen Widerstand darstellt, auch der cos ψ, welchem man auch den Leistungsfaktor des Stromkreises nennt, eine Beziehung zwischen Widerstand und Reaktanz des Stromkreises. Dabei bedeutet bei bestimmter Größe der Reaktanz der Fall cos 7 = o, daß kein Widerstand im Stromkreis ist, der Fall cos ψ = ι, daß der Widerstand unendlich groß ist. In Fig. 3 sind die Verhältnisse graphisch 12c dargestellt. Es ist dort in Abhängigkeit von cos γ das Gleichstromglied aufgetragen, das

sich bei der ungünstigsten Phasenlage des Schaltaugenblicks ergibt, und zwar in Kurve 13 für das Einschalten des Widerstandes in den Stromkreis, in Kurve 14 für das Kurzschließen des Widerstandes. Man erkennt, daß mit zunehmendem Widerstand (größer werdendem cos 95) die Kurve 13 abnimmt, die Kurve 14 zunimmt. Bei der letzteren ist angenommen, daß auch nach dem Kurzschließen

Lo des Widerstandes ein gewisser Restwiderstand im Stromkreis verbleibt, der einem cosip 0,1 entspricht. Der Schnittpunkt der beiden Kurven 13 und 14 gibt nun das Optimum an, bei dem die Gleichstromglieder einander gleich sind und etwa noch 25% des Scheitelwertes des stationären Kurzschlußstromes betragen. Dies ist, wie sich auch rechnerisch ermitteln läßt, bei einem cos 9? = 0,37 der Fall, was einem Verhältnis von induktivem zum ohm-

ao sehen Widerstand ω L/R = 2,5 entspricht. Bei einer solchen Einstellung bzw. Bemessung des Widerstandes ist es also möglich, den Stoßstrom vom fast 2fachen Wert auf den 1,25-fachen Wert herabzusetzen.

Diese Überlegungen fußen auf der Annahme, daß mit dem Kurzschließen des Widerstandes so-lange gewartet wird, bis das beim Einschalten des Widerstandes entstehende Gleichstromglied vollkommen abgeklungen ist.

Dafür sind Zeiten von 2 bis 4 Halbwellen erforderlich, welche mitunter schon zu groß sind, da der Widerstand in dieser langen Zeit unnötig viel Energie aus dem Stromkreis aufnimmt, was einerseits für die Generatoren eine schwere stoßweise Beanspruchung darstellt und die ausnutzbare Leistung verringert, andererseits eine unnötige Vergrößerung des Widerstandes bedeutet. Es ist daher zweckmäßig, die Zeit zwischen Einschalten und

4.0 Kurzschließen des Widerstandes möglichst kurz zu bemessen. Dabei muß darauf geachtet werden, daß. das vom Einschalten her bestehende Gleichstromglied sich nicht im Augenblick des Kurzschließens des Wider-

+5 Standes zu dem neuentstehenden Gleichstromglied hinzuaddiert und somit den Scheitelwert des Stoßstromes unzulässig vergrößert. Dies würde aber immer dann eintreten, wenn die Einschaltdauer des Widerstandes zwischen ο und ι Halbwelle oder zwischen 2 und 3 Halbwellen, gewählt wird. Erfindungsgemäß läßt sich dies sicher dadurch vermeiden, daß die Einschaltdauer des Widerstandes zwischen ι und 2 Halbwellen bzw. zwischen 3 und 4 Halbwellen bemessen wird. In diesen Fällen subtrahieren sich die beiden Gleichstromglieder im Augenblick des Kurzschließens des Widerstandes; es ergibt sich also ein Minimum an Stromvergrößerungen. Die genauere Rechnung zeigt, daß bei einer Bemessung des Widerstandes entsprechend cos φ = o,3 und einer Einschaltdauer von 1,5 Halbwellen überhaupt kein Ausgleichsvorgang beim Kurzschließen des Widerstandes auftritt, unabhängig von dem Augenblick des Einschaltens. Man erreicht damit also bereits nach der kurzen Zeit von 1,5 Halbwellen einen absolut symmetrischen Strom in einem (nach dem Kurzschließen des Widerstandes) praktisch induktiven Stromkreis, der 'für besondere Zwecke, z. B. Schalterprüfung, von großer Bedeutung ist.

Uni das kurze Zeitintervall von 15 ms zwischen Einschalten des Widerstandes und Kurzschließen desselben einhalten zu können, ist es erforderlich, die Einschaltgeschwindigkeit möglichst konstant zuhalten. Erfindungsgemäß wird daher eine möglichst konstante Einschaltkraft als Antrieb benutzt. Hierzu eignen sich z. B. die Schwerkraft, welche jedoch große Fallhöhen erfordert, sowie Einschaltfedern. Elektrische oder pneumatische Antriebe sind wegen der Schwankungen der Einschaltkraft bei Schwankungen des Stromes, der Spannung oder des Luftdruckes weniger vorteilhaft. Es ist also zweckmäßig, den Schaltapparat mit einem exakt arbeitenden Federantrieb zu versehen, der z. B. beim Ausschalten durch einen bekannten Antrieb, wie beispielsweise einen elektrischen oder pneumatischen Antrieb, wieder gespannt werden kann.

Die beiden schnell aufeinanderfolgenden Schaltvorgänge können in an sich bekannter Weise durch nur ein Schaltorgan gesteuert oder ausgeführt werden, welches zweimal nacheinander Kontakt macht. Da aber bei den großen Kurzschluß strömen, für die die Schalteinrichtung bestimmt ist, im Augenblick des Berührens der Kontakte sehr große Stromkräfte auftreten, welche unter Umständen die Schaltbewegung hemmen, ist es zweckmäßig, die beiden Schaltvorgänge durch zwei gesonderte Schaltorgane vornehmen zu lassen, die zumindest im Augenblick der Kontaktberührung nicht miteinander gekuppelt sind, so daß das Kurzschließen des Widerstandes unabhängig von der Stellung des anderen Schaltorgans, welches den Widerstand einschalten soll, nach der beabsichtigten kurzen Zeitspanne erfolgt. Es ist möglich, die beiden Schaltorgane beim Beginn der Bewegung so miteinander zu verriegeln, daß sich nicht etwa aus Versehen das den Kurzschluß des Widerstandes bewirkende Schaltorgan zuerst in Bewegung setzt, sondern nur beide gleichzeitig anlaufen können.

Es ist auch möglich, die Schalteinrichtung mit einer an sich bekannten synchronen Kommandogabe zu kombinieren, so daß, solange diese ordnungsmäßig arbeitet, Gleichstromglieder überhaupt nicht auftreten. Der Vorteil

der Schalteinrichtung besteht dann darin, daß im Falle eines Versagens des synchronen Ablaufens das Gleichstromglied nicht den vollen Wert wie bei einem normalen Einschaltapparat erreichen kann, sondern auf einen ungefährlichen Wert von einigen Prozent begrenzt ist.

Der Einschaltapparat eignet sich auch besonders für Hochleistungsprüffelder, bei

ίο denen Prüfungen mit symmetrischem Kurzschlustrom vorgenommen werden sollen oder bei denen die Prüfanlage von den elektrodynamischen Stromkräften entlastet werden soll. Unter Umständen läßt sich mit einer solchen Schalteinrichtung bei gleicher elektrodynamischer Strombelastung eine wesentliche Erhöhung der Prüffeldleistung erzielen.

Claims (8)

1. PATENTANSPRÜCHE:
   20

   i. Schalteinrichtung mit Vorwiderstand zur Verringerung des Gleichstromgliedes beim Einschalten von Stromkreisen großer Stromstärke, insbesondere für Prüfzwecke, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorwiderstand hinsichtlich seiner Induktivität und des ohmschen Widerstandes so bemessen ist, daß das Verhältnis ω L : R = 2,5 ist.
2. 2. Schalteinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einschaltdauer des Widerstandes so bemessen ist, daß sich die Gleichstromglieder im Augenblick des Kurzschließens aufheben, d. h.

   gleich groß und entgegengesetzt gerichtet sind.
3. 3. Schalteinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einschaltdauer des Widerstandes 1V2 oder 3Va HaIbwellen beträgt.
4. 4. Schalteinrichtung nach den Ansprüchen ι bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der mechanische Antrieb für das Einschalten und Kurzschließen des Widerstandes gemeinsam erfolgt.
5. 5. Schalteinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Antriebskraft aller derjenigen Elemente, die für den Zeitablauf zwischen Einschalten und Kurzschließen maßgeblich sind, Kraftspeicher, insbesondere Federn verwendet werden, die gegebenenfalls beim Ausschal tvorgang gespannt werden.
6. 6. Schalteinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß für das Einschalten des Widerstandes und für das Kurzschließen zwei besondere Schaltorgane benutzt werden, die wenigstens im Augenblick der Kontaktberührung nicht miteinander gekuppelt sind.
7. 7. Schalteinrichtung nach den Ansprüchen ι bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die mechanischen Glieder der Ausschalteinrichtung mit so starken Auslösekräften angetrieben sind, daß die Reibungskräfte gegenüber den Beschleunigungskräften praktisch vernachlässigbar klein sind.
8. 8. Schalteinrichtung nach den Ansprüchen ι bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß sie zusätzlich mit einer Synchronsteuerung in bezug auf die Phasenlage des Wechselstromes ausgerüstet ist.

   Zur Abgrenzung des Erfindungsgegenstands vom Stand der Technik sind im Erteilungsverfahren folgende Druckschriften in Betracht gezogen worden:

   Deutsche Patentschriften Xr. 288 195,

   377 755;
   Siemens-Zeitschrift 1931, S. 351 ff.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

   © 9529 6.