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Lichtbogenfrei arbeitender Schalter, insbesondere Lastschalter für
Stufenregeleinrichtungen von Transformatoren, Drosseln u. dgl. Bekanntlich treten
beim Betrieb von ,Schaltern der Kontaktabbrand und, falls die Schalter unter Öl
arbeiten, auch die Verrußung des Öls als äußerst unangenehme Erscheinungen auf,
die vielfach die Lebensdauer der Schalter überhaupt bestimmen. Diese Erscheinungen
zeigen -sich in erhöhtem Maße bei großen Schaltströmen und bei niedrigen Periodenzahlen,
z. B. bei der im Bahnbetrieb üblichen Periodenzahl von r62/3 Hz.
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Um den Kontaktabbrand weitgehend herabzusetzen bzw. zu vermeiden,
wurden schon verschiedene Vorschläge bekannt, die darauf ausgingen, den Schaltvorgang
in bzw. kurz vor den Stromnulldurchgang zu legen. Hierzu benutzte man u. a. Schalter,
deren Kraftspeicher motorisch aufgeladen und durch synchron mit der Spannungs- oder
Stromphase arbeitende- Steuereinrichtungen, z. B. Synchronmotor, Abfallrelais od.
dgl. ausgelöst wurden. Bei a11 diesen bekannten Einrichtungen, die recht kompliziert
waren, war der Aufwand insbesondere an verwickelten Getrieben, die leicht zu Störungen
Anlaß gaben, im Verhältnis zu dem Erreichten unverhältnismäßig groß. Auch die ferner
bekanntgewordenen, eine synchrone Abschaltung ermöglichenden polarisierten Schaltrelais
konnten allein für Schaltzwecke nicht benutzt werden, wenn höhere Spannungen und
insbesondere überspannungen zu beherrschen waren. Die genannten Schaltrelais sind
nämlich wegen der bei ihnen erzielbaren kleinen Kontaktabstände von meist nur
einigen
Millimetern nur für niedrigere Spannungen verwendbar. Bei Stufenregcleinrichtungen
für Transformatoren und Drosseln die Umschaltung durch solche Relais vorzunehmen;
ist also aus den vorgenannten Gründen und wegen der schwierigen Ausbildung der Relais
als Umschalter nicht möglich gewesen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese bekannten Synchronschaltrelais
nutzbar zumrSchaltbetriebbeihöheren Betriebsspannungen, insbesondere bei Regeleinrichtungen
von Transformatoren, Drosseln u. dgl. heranzuziehen.
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Erfindungsgemäß ist dem Schalter, z. B. einem in bisher bekannter
Weise ausgeführten Lastschalter mit einem den unaufhaltsamen Ablauf des Schaltvorkanges
sicherstellenden SprungschaltweTh wenigstens ein Synchronschaltrelais zugeordnet,
das die Ausschaltvorgänge übernimmt, indem es den Schaltstrom in dessen Nulldurchgang
unterbricht, während aber die mit Rücksicht auf die Spannungssicherheit erforderlichen
Kontaktabstände erst der Schalter selbst herstellt und so die eigentliche Umschalturig
bewirkt.
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An Hand :der Zeichnung soll die Erfindung näher erläutert werden:
Die Fi:g. r zeigt ein Ausführungsbeispiel -eines Synchronschaltrelais, in Fig: 2
bis 6 sind die einzelnen Phasen der Umschaltvorgänge an Hand eines Prinzipschaltbildes
wiedergegeben, die Fig. 7 bis 12 zeigen die einzelnen Schaltphasen einer Lastschalteinrichtung
für Regeltransformatoren, bei der das erfindungsgemäße Synchronschaltrelais mit
dem Lastschalter zusammenwirkt. Aus Fig. 13 ist eine weitere Ausführungsmöglichkeit
ersichtlich. Das polarisierte Schaltrelais nach Fig. z hat einen Magnetkreis 7o,
der durch einen Dauermagneten 71 polarisiert wird, weiter einen Nebenschlußpfad
72 mit Luftspalt 73. Mit 74 sind Arbeitspole bezeichnet, die eine Wechselstromsteuerwicklung
75 tragen und denen ein Anker 76 gegenübersteht. Eine Feder 77 sucht den Anker von
den Polen abzuziehen. Bei angezogenem Anker ist der Relaiskontakt 78 geschlossen.
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In den Fig: 2 bis 6 sind mit A und B die beiden voneinander getrennten,
aber miteinander gekuppelten Kontakte eines Schalters bezeichnet. a und b sind die
von je einem Synchronschaltrelais, das selbst weiter nicht dargestellt ist, gesteuerten
Kontakte, von denen der Kontakt - a beispielsweise der positiven Stromhalbwelle
und b der negativen Stromhalbwelle zugeordnet ist. Der Kontakt A liegt im Zuge der
den Schaltstrom führenden Leitung i, während der Kontakt B über die beiden
Synchronrelaiskontakte a und b in einem Parallelzweig zu A liegt. Die Kupplung der
beiden Kontakte A und B ist formschlüssig, d. h. bei der Betätigung des einen Kontaktes
wird auch der andere Kontakt nach bestimmten Gesetzen mitbewegt. Die in den Parallelstrompfad
2 eingeschalteten beiden Kontakte a, b
werden von ihren zugehörigen Synchronschaltrelais
dauernd im Takte der Perioden geschlossen, und zwar überbrückt der Kontakt a seinen
Gegenkontakt im Bereich der positiven Stromhalbwelle, das ist in. der Spanne unmittelbar
nach dem Stromnulldurchgang bis kurz vor dem nächstenStromnulldurchgang und der
Kontakt b seine Gegenkontakte im Bereich der negativen Stromhalbwelle. Zweckmäßig
setzt man aber die Synchronschaltrelais erst bei der Einleitung des Umschaltvorganges
z. B. durch den Schaltantrieb dadurch in Tätigkeit, daß den Steuerwicklungen ein
vom Last- oder Schaltstrom abgeleiteter Erregerstrom zugeführt wird. Im Ausführungsbeispiel
ist die Kontaktbewegung der Kontakte A und B so festgelegt, daß der
Kontakt B
offen ist, während der Kontakt A geschlossen ist. Diese Schaltstellung
entspricht der Grundstellung, und der Schaltstrom fließt somit über die durch den
Kontakt A geschlossene Leitung l (vgl. Fig. 2). Das Öffnen und Schließen
der Relaiskontakte a und b ist zu dieser Zeit noch unerheblich. Um nun einen vollkommen
lichtbogenfreien Überschaltvorgang zu erhalten, bewegt sich beim Schaltvorgang der
Kontakt B, angetrieben vom Schalterantrieb aus, zunächst in seine Schließstellung,
während der Kontakt A noch geschlossen bleibt. In dieser Schaltphase (vgl. Fig.
3) fließt beim jedesmaligen abwechselnden Schließen der Relaiskontakte a bzw: b
Strom über den Parallelstrompfad z. Bei der weiteren Bewegung des Schalters öffnet
schließlich der Kontakt A, während der- Kontakt B und auch beispielsweise der Kontakt
a in diesem Zeitpunkt noch geschlossen ist. In dieser Schaltstellung (vgl. Fig.
q.) fließt der Strom nur noch über den Parallelstrornpfad 2. Der Pfad i ist unterbrochen.
Beim nächstfolgendeniötromnulldurchgang öffnet der Kontakt a und unterbricht damit
lichtbogenfrei den über den Strompfad fließenden iSchaltstrom. Der Schalter B ist
in diesem Zeitpunkt noch geschlossen. Der angeschlossene Verbraucher aber ist bereits
stromlos, da der Kontakt a beim .Öffnen den Schaltstrom bereits .unterbrochen hat
(s. Fig. 5). In dem nun folgenden nächsten Moment der,Schaltbewegung öffnet auch
der Kontakt B. Wenn das Synchronschaltrelais in Abhängigkeit vom Schaltstrom arbeitet,
dann ist sein Betrieb in diesem Zeitpunkt unterbrochen. Solange der Kontakt B noch
nicht geöffnet hat, bestand für den Schalter die Gefahr, daß größere Spannungen,
insbesondere Überspannungen, z. B. bei Gewittern, den geringen Kontaktweg des iSynchronschaltrelais
überspringen. Sicherheit gegen einen Überschlag wird erst beim Öffnen des Kontaktes
B mit seinem großen Kontaktweg erreicht.
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Wenn das Zusammenarbeiten der Kontakte A, B
und a, b in der
vorbeschriebenen Weise festgelegt ist, ergibt sich mit Sicherheit eine vollkommen
lichtbogenfreie Abschaltung des Schaltstroms. Damit tritt aber, wie beabsichtigt,
an den Kontakten keinerlei Abbrand mehr auf, und die gefürchtete Ölverrußung bei
unter Öl arbeitenden Schaltern wird damit vermieden.
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Bei der beschriebenen Schaltanordnung wird der Öffnungsmoment vom
Kontakt B also so gelegt, daß er zeitlich um etwas mehr als die Halbwellendauer
des Schaltstroms auf den Öffnungsmoment von Kontakt A folgt. Hierdurch wird mit
Sicherheit erreicht, daß das Synchronschaltrelais öffnet,
solange
der Kontakt B noch geschlossen ist. Die Zeitdauer zwischen den Öffnungsmomenten
von Kontakt A und B kann gegebenenfalls . verkürzt werden, falls der
Abschaltmoment von A in Beziehung zum Nulldurchgang des Schaltstroms gebracht ist,
z. B. dadurch, daß die Auslösung von A durch Verwendung eines Synchronmotors grob
vorsynchronisiert ist. Bei der Bestimmung des Zeitintervalls zwischen den Öffnungsmomenten
von A und B ist dann auf die betriebsmäßig möglichen Phasenverschiebungen des Schaltstroms
Rücksicht zu nehmen.
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Die erfindungsgemäße Einordnung und das Zusammenarbeiten eines Synchronschaltrelais
mit einem .Sprunglastschalter soll an Hand der Fig. 7 bis 12 erläutert werden. Mit
io ist in diesen Figuren eine Regelwicklung, z. B. eines Transformators, einer Drossel
od. dgl. bezeichnet und mit i i ein üblicher, durch Kraftspeicher betätigter Sprunglastschalter
mit seinem beweglichen Kontakt 12 und den festen Hauptkontakten 13 und 14 sowie
festen Vorkontakten 15 und 16. Der feste Hauptkontakt 13 ist über die Leitung
17 und den beweglichen Stufenwählerkontakt i8 an die Wicklungsanzapfung ig
angeschlossen, während der andere Hauptkontakt 14 über die Leitung 2o und den damit
verbundenen beweglichen Stufenwählerkontakt 2i mit dem Stufenkontakt 22 verbunden
ist. Die festen Vorkontakte 15 und 16 sind über die von einem nur schematisch angedeuteten
Synchronschaltrelais 23 bzw. 24 gesteuerten Kontakt a und b bzw. a' und
b'
mit den Leitungen 17 bzw. 20 verbindbar. 25 und 26 sind Steuerwicklungen
für die beiden Relaiskontakte a und b. Diese Steuerwicklungen werden von
einem im Zuge der Leitung 17 liegenden Wandler 27 gesteuert. Mit 28 ist ein
Hilfsschalter angedeutet, der vom Lastschalterantrieb aus. gesteuert wird und der
die Aufgabe hat, die Steuerwicklungen kurzzuschließen bzw. während des Überschaltvorganges
eine Stromverbindung herzustellen, die bewirkt, daß das Synchronschaltrelais arbeitet,
das dem abzuschaltenden Lastschalterkontakt zugeordnet ist. Auf der anderen Lastschalterseite
ist den Kontakten 14 und 16 eine gleichartige und gleicharbeitende, aus Synchronschaltrelais
24 und Hilfsschalter 29 bestehende Schalteinrichtung beigegeben, wie für die linke
Seite, nämlich die Kontakte 13 und 15, beschrieben ist. 3o ist ein Überschaltmittel,
das, wie angedeutet, aus Ohmschen und evtl. induktiven Widerständen aufgebaut sein
kann. Der Überschaltwiderstand ist mit seiner einen Seite über die Leitung 31 an
die Verbindungsleitung 32 der beiden Hilfsschalter 28 und 29 gelegt. Mit der anderen
Seite ist er an den festen Kontakt 33 eines vom Lastschalterantrieb aus gesteuerten
Umschalters, dessen beweglicher Kontakt mit 34 bezeichnet ist, angeschlossen. Der
Umschalter verbindet währenddes Schaltvorganges den Übersch,altwiderstand
310 jeweils mit. dem festen Hauptkontakt, auf den umgeschaltet werden soll.
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In der Fig. 7 ist die Ausgangsstellung (Grundstellung) des Lastschalters
gezeigt. In dieser ist der Widerstandsumschalter 33, 34 geöffnet und die , Kontakte
35 des damit zusammenarbeitenden Hilfsschalters 28 sind von der vorhergehenden Umschaltung
her, also von der Schaltstellung auf den nunmehr eingeschalteten Hauptkontakt
13 her, noch geschlossen. Der Steuerkreiswandler 27 und die Steuerwicklungen
25 und 26 der Synchronschaltrelais sind durch den Hilfsschalter kurzgeschlossen.
Die beiden Synchronschaltrelais sind somit nicht erregt, und ihre Kontakte a und
b stehen also offen. Die Steuerwicklungen 25' und 26' der Synchronschaltrelais
24 sind stromlos, da der Strom von der Regelwicklung io über die ,Stufenkontakte
18, ig, die Leitung 17, Wandler 27, Hauptkontakte 12 und 13 zur Leitung 40 geht.
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Bei -der nächsten Schaltphase wird vom Antrieb des Lastschalters aus
der Hilfsschalter 28 geöffnet (s. Fig. 8). Die Steuerwicklungen 25 und 26 der Synchronschaltrelais
23 werden nunmehr erregt, und demzufolge öffnen und schließen sie abwechselnd kurz
vor jedem Stromnulldurchgang die Kontakte a und b der beiden zugehörigen
Synchronschaltrelais. Die Kontakte a und b bleiben jedoch vorerst noch stromlos,
und der Stromverlauf bleibt somit noch der gleiche wie bei der Schaltung nach Fig.
7.
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Unmittelbar nach Beendigung des Kraftspeicheraufzuges und nach Auslösung
des Schaltvorganges schließt der Widerstandsumschalter dadurch, daß der bewegliche
Umschalterkontakt 34 auf den festen Umschaltkontakt 33 aufläuft (s. Fig. 9). Der
Anstieg des hierbei auftretenden Ausgleichstroms (in der Fig.9 ist der Ausgleichstrom
durch gestrichelte Pfeile 36 angedeutet) wird durch eine als Überschaltmitteldienende
hochgesättigte Drossel 300 so verzögert, daß kein Kontaktverschleiß beim Einschaltvorgang
eintreten kann. Außerdem schließt auch der Hilfsschalter 29 seine Kontakte. In der
eben beschriebenen Schaltstellung sind die vom Last- und Ausgleichsstrom gesteuerten
Kontakte a, b der Synchronschaltrelais 23 immer noch stromlos, da der bewegliche
Hauptkontakt 12 noch auf dem festen Hauptkontakt 13 steht. Erst nachdem der
Widerstandskontakt 34 33 geschlossen ist, verläßt der bewegliche Lastschalterkontakt
12 den Hauptkontakt 13, um auf den Vorkontakt 15 aufzulaufen. Damit wird
einer der Kontakte a oder b der Synchronschaltrelais 23 stromführend. In
der Fig. io ist dies beispielsweise der Kontakt b. Der Laststrom läuft jetzt über
den Relaiskontakt b und Vorkontakt 15. Beim nächsten Stromnulldurchgang des Last-
und Ausgleichstroms unterbricht der Relaiskontakt b. Dies geschieht noch während
der bewegliche Lastschalterkontakt r2 auf seinem zugeordneten Vorkontakt 15 steht.
In der nun folgenden Schaltphase (vgl. Fig. ii) verläßt der bewegliche Lastschalterkontakt
12 seinen Vorkontakt 1.5. Dadurch fließt der Laststrom, wie in der Fig. i i durch
starke Pfeile angedeutet ist, über die Stufenkontakte 2i, 22, Hilfsschalter 2g,
den Überschaltwiderstand 30 und die Umschalterkontakte 33, 34 zur Leitung
40. Im weiteren Verlauf des Umschaltvorganges trifft der bewegliche Lastschalterkontakti2auf
den dem Hauptkontakt 14
züggeordrieten' Vorkontakt z6.. Hierdurch
ändert sich nichts, denn die Kontakte :i und b' der Synchronschaltrelais
24 sind geöffnet, da diese Relais wegen Kurzschluß der .Steuerwicklungen 25', a6'
durch den geschlossenen Hilfsschalter 29 nicht arbeiten. Die Einschaltprellungen
an den aufeinander auflaufenden Lastschalterkontakten werden von dem stromlosen
Vorkontakt 16 abgefangen. Erst in dem Augenblick, in dem der bewegliche Lastschalterkontakt
12 auf den Hauptkontakt 14 auftrifft (vgl. Schaltbild Fig. i2), wird der überschaltwiderstand
30 kurzgeschlossen, da der Strom nunmehr vom Hauptkontakt 14 übernommen wird. Der
kurzgeschlossene Überschaltwiderstand 36 wird anschließend nach Ablauf einer
auf die Zeitkonstante des Widerstandskreises abgestimmten Zeit lichtbogenfrei geöffnet.
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Eine weitere Anwendungsmöglichkeit des Erfindungsgedankens zeigt das
Schaltbild nach Fig. 13.
Hier sind gegenüber der Ausführung nach den Fig.
7 bis 12 die .Kontakte der Synchronschalteinrichtung 23o bzw. 24o unter sich und
mit dem Wandler 27o bzw. 27o' hintereinandergeschaltet. Bei unerregtem Wandler sind
die Relaiskontakte ca und b; bzw. ä und b' geschlossen. Sie bleiben
auch geschlossen, wenn mit dem Abgang des beweglichen Lastschalterkontaktes 12 vom
festen Hauptkontakt 13 der Wandler mit den Kontakten a, b der Synchronschalteinrichtung
230 stromführend wird, bis zu dem Augenblick, in dem der Schaltstrom in den Bereich
(des Nulldurchganges kommt. In diesem Zeitpunkt öffnet einer der Kontakte d oder
b und bleibt offen, bis beim nächstfolgenden Umschaltvorgang dann der Hilfsschalter
29 mechanisch wieder in die Ausgangslage zurückgebracht wird. Dies ist während des
Kraftspeicheraufzugs der Fall. Da sich im übrigen für die (Schaltanordnung nach
Fig. 13 praktisch der gleiche Ablauf der Schaltvorgänge ergibt wie bei der Anordnung
nach den Fig. 7 bis 12, wird auf diese Schaltvorgänge nicht weiter eingegangen.
Bei der Auslegung des Schalters ist selbstverständlich auf die verschiedenen einzuhaltenden
Zeitspannen; wie überbrückungszeit von Hauptkontakt zu Hauptkontakt und die Eigenzeit
der Synehronschalteinrichtung Rücksicht zu nehmen, so daß der Schaltvorgang tatsächlich
in der angegebenen Weise ablaufen kann.
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Wenn auch die .Synchronschaltrelais im allgemeinen für .Arbeiten in
Luft geeignet sind: so können sie doch auch öldicht eingekapselt werden und bei
unter Öl arbeitenden Lastschaltern benutzt werden. Die Erfindung bringt nicht nur
den Vorteil, daß an -den Schaltern lichtbogenfrei und demzufolge ohne Kontaktabbrand
und bei unter Öl liegenden Schaltern ohne Ölverrußung geschaltet werden kann, ,sondern
sie bringt noch den weiteren Vorteil, daß die verwendeten Schalter, da an ihnen
praktisch keine Schaltstrombeanspruchungen mehr auftreten, auch kleiner und leichter
gebaut werden können. @Da, bei unter Öl liegenden Lastschaltern keine Ölverrußung
mehr auftritt, können diese an beliebiger (Stelle in Transformatorkesseln eingebaut
werden. Vorteilhaft ist ferner, daß die Isolation gegen Erde, da diese nunmehr stets
in sauberem Öl liegt, wesentlich kleiner als bisher bemessen werden kann. -Ganz
besonders treten die vorgenannten Vorteile bei kleineren Frequenzen, insbesondere
hei i62/3 Hz auf, denn bei [diesen Frequenzen war bisher der Kontäktabbrand besonders
hoch, und außerdem mußten, sofern in Luft geschaltet wurde, stets besondere Maßnahmen
zur Führung der langen Lichtbogen getroffen werden. Alle diese Nachteile lassen
sich bei der erfindungsgemäßen .Anordnung vermeiden, und es können mit der erfindungsgemäßen
Anordnung nicht nur räumlich kleinere Konstruktionen erzielt werden, sondern darüber
hinaus die bei Triebfahrzeugen vorkommenden hohen Schaltzahlen leicht gemeistert
werden.