DE102020116974A1 - Leistungsschalter für Gleichströme - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Gleichstromschnellschalteinrichtung (SSM) die geeignet und dafür vorgesehen ist, hohe Gleichströme im Last- und Kurzschlussfall abzuschalten, mit einem Trennschalter (VS), einem Löschkreis (LK) und einem Rückleiter (RL), wobei der Löschkreis (LK) dafür vorgesehen und geeignet ist, einen Strom in gegenläufiger Richtung des zu unterbrechenden Gleichstroms zu erzeugen, und wobei der Rückleiter (RL) dafür vorgesehen und geeignet ist, Gleichströme aus der Gleichstromschnellschalteinrichtung (SSM) abzuleiten, und wobei in der Gleichstromschnellschalteinrichtung (SSM) ein erster Freilaufkreis (iFK) vorgesehen ist, der dafür vorgesehen und geeignet ist, während des Schaltvorganges auftretende Überspannungen und/oder Stromspitzen abzubauen, sowie ein entsprechendes Verfahren zur lichtbogenfreien Trennung eines Gleichstromkreises.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Gleichstromschnellschalteinrichtung (SSM) die geeignet und dafür vorgesehen ist, hohe Gleichströme im Last- und Kurzschlussfall abzuschalten, mit einem Trennschalter (VS), einem Löschkreis (LK) und einem Rückleiter (RL), wobei der Löschkreis (LK) dafür vorgesehen und geeignet ist, einen Strom in gegenläufiger Richtung des zu unterbrechenden Gleichstroms zu erzeugen, und wobei der Rückleiter (RL) dafür vorgesehen und geeignet ist, Gleichströme aus der Gleichstromschnellschalteinrichtung (SSM) abzuleiten, sowie ein entsprechendes Verfahren zur lichtbogenfreien Trennung eines Gleichstromkreises.
• Stand der Technik
• Zur Gewährleistung eines störungsfreien und sicheren Betriebs von mit Gleichstrom betriebenen Fahrzeugen, z.B. elektrische Bahnen, ist es aus Sicherheitsgründen notwendig, dass bei ungewollten Betriebszuständen bzw. Havarien die Stromversorgung des gestörten Abgangs schnell und zuverlässig vom Gleichstromnetz getrennt wird. Da ein Gleichstrom durch herkömmliche Schaltgeräte mit metallischen Schaltkontakten nicht so langsam, dass eine starke Beanspruchung der Anlage entsteht schnell genug abgeschaltet werden kann, werden unter anderem sog. Hybridschalter eingesetzt, die eine Kombination aus einer metallischen Schaltstrecke und einer Halbleiter-Schaltstrecke aufweisen. Diese Hybridschalter benötigen aufgrund der hohen auftretenden Stromstärken hochwertige Halbleiter-Bauteile, die hochpreisig sind. Einfacher aufgebaut sind Schalteinrichtungen, die mittels eines entgegengerichteten Gleichstroms den Gleichstrom der Stromversorgung abschalten.
• In der DE 102 18 806 B4 wird ein derartiges Schnellschaltmodul vorgestellt. Das Modul weist ein zwischen der Strecke und der Sammelschiene des Gleichrichter-Unterwerks ein Schaltgerät auf. Parallel zu diesem Schaltgerät ist ein Löschkreis angeordnet, der aus einem Löschkondensator besteht, der mit einer Schalteinheit, bestehend aus zwei antiparallel angeordneten Löschthyristoren, in Reihe geschaltet ist. Zu dem Schaltgerät ist außerdem ein Prüfzweig parallel angeordnet. Der Prüfzweig besteht aus einer Reihenschaltung von einem Prüfthyristor, einem Strommessglied und einem Prüfwiderstand. Die Gleichstrom-Schnellschalteinrichtung weist außerdem einen Freilaufkreis auf, der für jede Stromrichtung jeweils einen Zweig aufweist, von der Sammelschiene zum Rückleiter bzw. von der Strecke zum Rückleiter, in denen jeweils zwei Freilaufdioden, die in Reihe geschaltet sind, angeordnet sind. Jeweils einer Freilaufdiode in jedem Zweig des Freilaufkreises ist parallel eine Sicherung mit Meldung zugeordnet. Die Dimensionierung der Freilaufdiode und der Sicherung ist dabei so gewählt, dass jeweils nur ein geringer Teil des Freilaufstromes über die jeweilige Sicherung fließt, während der größte Teil des Freilaufstromes über die zur Sicherung parallel angeordnete Freilaufdiode fließt.
• Dieses Schnellschaltmodul ist für die Abschaltung von Anlagen mit einer Netzspannung bis zu 750 V und einer Nennstromstärke von bis zu 4000 A mit bahnstromüblichen Überlastungen ausgelegt. Für zukünftig verfügbare Anlagen, die mit bis zu 1500 V und 4000 A betrieben werden, ist dieses Modul aufgrund der hier auftretenden Verdopplung der Leistung nicht einsetzbar.
• Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Gleichstrom-Schnellschaltmodul zur Verfügung zu stellen, das gegenüber dem Stand der Technik derart verbessert ist, dass mit Gleichstrom betriebene Anlagen mit höherer Leistung als bisher zuverlässig und schnell abgeschaltet werden können. Es ist ebenfalls Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Betrieb eines Gleichstrom-Schnellschaltmoduls zur Verfügung zu stellen, mit dem mit Gleichstrom betriebene Anlagen mit höherer Leistung als bisher zuverlässig und schnell abgeschaltet werden können.
• Die genannte Aufgabe wird mittels der Gleichstromschnellschalteinrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst.
• Die erfindungsgemäße Gleichstromschnellschalteinrichtung weist einen Trennschalter sowie einen Löschkreis auf. Der Löschkreis ist dafür vorgesehen und geeignet, einen Gleichstrom in gegenläufiger Richtung des zu unterbrechenden Gleichstroms zu erzeugen. Die erfindungsgemäße Gleichstromschnellschalteinrichtung ist zwischen der mit Strom zu versorgenden Strecke und der Strom-Sammelschiene angeordnet. Der Trennschalter ist üblicherweise ein Vakuum-Trennschalter, mit dem eine schnelle und zuverlässige Unterbrechung eines Speisestroms möglich ist. Außerdem weist die Gleichstromschnellschalteinrichtung einen Rückleiter auf, der dafür vorgesehen und geeignet ist, Gleichströme aus der Gleichstromschnellschalteinrichtung abzuleiten. Erfindungsgemäß weist die Gleichstromschnellschalteinrichtung darüber hinaus einen ersten Freilaufkreis auf, der dafür vorgesehen und geeignet ist, während des Schaltvorganges auftretende Überspannungen und/oder Stromspitzen abzubauen. Der erste Freilaufkreis ist mit dem Rückleiter verbunden und verhindert bei Auftreten von Spannungsspitzen in der Größenordnung größer 1500 V in der Gleichstromschnellschalteinrichtung eine Beschädigung der darin angeordneten Bauteile. Die erfindungsgemäße Gleichstromschnellschalteinrichtung ist daher für Gleichstromnetze im Bereich von typischerweise 220 V bis 1000 V einsetzbar, während die Stromstärke bis zu 8 kA betragen kann.
• In einer Weiterbildung der Erfindung ist ein zweiter Freilaufkreis vorgesehen. Der zweite Freilaufkreis weist einen Anschluss für einen Rückleiter auf. Der zweite Freilaufkreis gewährleistet, dass nach der Schnelltrennung durch den Trennschalter die in den Induktivitäten der Strecke vorhandene Energie durch Freilaufströme schnell abgebaut wird. Etwaig auftretende Spannungsspitzen werden durch den ersten Freilaufkreis abgebaut.
• In einem weiteren Aspekt der Erfindung verlaufen der erste und der zweite Freilaufkreis teilweise parallel und sind nur teilweise durch die Gleichstromschnellschalteinrichtung geführt. Damit ist gewährleistet, dass der erste Freilaufkreis nur bei auftretenden Spannungsspitzen stromdurchflossen ist. Der zweite Freilaufkreis baut die regulär bei einer Trennung auftretende elektrische Energie ab. Beide Freilaufkreise sind außerdem durch eine Gleichrichter-Diode voneinander getrennt. Insbesondere der zweite Freilaufkreis ist teilweise außerhalb der Gleichstromschnellschalteinrichtung angeordnet. Die Gleichstromschnellschalteinrichtung kann daher insbesondere in beengten Platzverhältnissen angeordnet werden.
• In einer weiteren Gestaltung der Erfindung weist der erste Freilaufkreis eine Strombegrenzungsvorrichtung auf. Die Strombegrenzungsvorrichtung ist üblicherweise ein elektrischer Widerstand, der vorteilhafterweise eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist. Die Strombegrenzungsvorrichtung im ersten Freilaufkreis wandelt daher die geleitete elektrische Energie sehr effizient und schnell in Wärme um.
• In einer weiteren Ausführung der Erfindung ist die Strombegrenzungsvorrichtung des ersten Freilaufkreises in der Gleichstromschnellschalteinrichtung angeordnet. Die Strombegrenzungsvorrichtung ist daher durch das Gehäuse der Gleichstromschnellschalteinrichtung vor Witterungseinflüssen geschützt und kann zusätzlich mit einer Kühlung versehen werden, um die in der Strombegrenzungsvorrichtung auftretende Wärme effizient abzuleiten.
• In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Strombegrenzungsvorrichtung des ersten Freilaufkreises der Gleichstromschnellschalteinrichtung eine Chopperschaltung und/oder ein Kaltleiter. Der elektrische Widerstand der Strombegrenzungsvorrichtung erhöht sich also mit der durch den Stromfluss in der Strombegrenzungsvorrichtung steigenden Temperatur und begrenzt dadurch den durch den ersten Freilaufkreis fließenden elektrischen Strom.
• In einer weiteren Ausbildung der Erfindung weist der Löschkreis einen Löschkondensator auf. Die Strombegrenzungsvorrichtung des ersten Freilaufkreises ist parallel zum Löschkondensator geschaltet. Der Löschkondensator wird zur Gewährleistung der Betriebsbereitschaft der Gleichstromschnellschalteinrichtung zwischen den Entladevorgängen ständig aufgeladen.
• Die genannte Aufgabe wird ebenfalls mittels des Verfahrens zur Schaltung von Gleichströmen gemäß Anspruch 8 gelöst. Weiterbildungen des Verfahrens sind in den Ansprüchen 9 bis 14 beschrieben.
• Das erfindungsgemäße Verfahren zur Schaltung von Gleichströmen weist vier Verfahrensschritte auf: Im ersten Verfahrensschritt erfolgt eine Prüfung der elektrischen Spannung eines an eine Gleichstromschnellschalteinrichtung angeschlossenen Leiters. Dazu ist ein Steuergerät an ein Stromerfassungsglied angeschlossen, mit dem der elektrische Leiter auf unerwünschte Betriebszustände, Havarien und fehlerhafte Stromversorgung geprüft wird. Im zweiten Verfahrensschritt wird ein Trennschalter in der Gleichstromschnellschalteinrichtung aktiviert. Der Trennschalter trennt die Sammelschiene, die den Gleichstrom führenden Leiter mit elektrischer Energie versorgt, von der Energiezufuhr. Im dritten Verfahrensschritt wird der Stromkreis getrennt durch Öffnung zweier Schaltkontakte zur Unterbrechung eines Dauerstroms. Durch die Öffnung der Schaltkontakte entsteht zwischen den Schaltkontakten ein Lichtbogen. Im vierten Verfahrensschritt wird der Lichtbogen gelöscht, der nach Aktivieren des Trennschalters zwischen den Schaltkontakten gebildet wird. Dazu wird ein elektrischer Strom in den Trennschalter geleitet, der dem darin fließenden Strom entgegen gerichtet ist. Beide elektrischen Ströme überlagern sich und kompensieren sich derart, dass die resultierende Stromstärke 0 A beträgt.
• Erfindungsgemäß wird die Gleichstrom-Schnellschalteinrichtung bei Auftreten von hohen Spannungen und/oder Strömen entladen. Dadurch wird bei Auftreten von Spannungsspitzen in der Größenordnung größer 1500 V in der Gleichstromschnellschalteinrichtung eine Beschädigung der darin angeordneten Bauteile vermieden.
• In einer weiteren Gestaltung der Erfindung wird der Lichtbogen durch die Entladung eines zuvor aufgeladenen Löschkondensators gelöscht. Der Löschkondensator wird zur Gewährleistung der Betriebsbereitschaft der Gleichstromschnellschalteinrichtung zwischen den Entladevorgängen derart aufgeladen, dass bei Entladung des Kondensators ein elektrischer Strom erzeugt wird, der dem elektrischen Strom des Lichtbogens entgegen gerichtet ist.
• In einer weiteren Ausführung der Erfindung wird der Löschkondensator der Gleichstromschnellschalteinrichtung bei Auftreten von hohen Spannungen entladen. Der Löschkondensator wird zur Gewährleistung der Betriebsbereitschaft der Gleichstromschnellschalteinrichtung zwischen den Entladevorgängen derart aufgeladen, dass bei Entladung des Kondensators ein elektrischer Strom erzeugt wird, der dem elektrischen Strom des Lichtbogens entgegen gerichtet ist.
• In einer Weiterbildung der Erfindung wird der Löschkondensator der Gleichstromschnellschalteinrichtung durch einen parallel geschalteten Chopper und/oder Kaltwiderstand entladen. Chopper und/oder Kaltwiderstand weisen üblicherweise eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf. Die Entladung der in Kondensator gespeicherten elektrischen Energie wird daher sehr effizient und schnell in Wärme umgewandelt.
• In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird der Dauerstrom über einen metallischen Kontakt mit einer Vakuumkammer geführt. Die Vakuumkammer weist den Trennschalter auf, mit dem eine schnelle und zuverlässige Unterbrechung eines Speisestroms möglich ist. Zusätzlich entsteht in der Vakuumkammer kein Plasma, das die Kontakte verschmutzt und in periodisch auftretenden Abständen eine aufwändige Reinigung erfordern würde. Die Vakuumkammer ist außerdem gegen elektrische Ströme so gut isoliert, dass eine hohe Sicherheit für Personen, insbesondere für das Wartungspersonal, besteht.
• In einer weiteren Gestaltung der Erfindung werden die durch die Gleichstromschnellschalteinrichtung fließenden Ströme und/oder Spannungen durch einen zweiten Freilaufkreis abgebaut. Der zweite Freilaufkreis gewährleistet, dass nach der Schnelltrennung durch den Trennschalter die in den Induktivitäten der Strecke vorhandene Energie durch Freilaufströme schnell abgebaut wird. Etwaig auftretende Spannungsspitzen werden durch den ersten Freilaufkreis abgebaut.
• In einer weiteren Ausführung der Erfindung führt der zweite Freilaufkreis den Strom über einen Anschluss für einen Rückleiter. Der Rückleiter leitet Gleichströme aus der Gleichstromschnellschalteinrichtung ab.
• Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Zeichnungen schematisch vereinfacht dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
• Es zeigen:
• 1: Ein Schaltbild eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Gleichstromschnellschalteinrichtung
• 2 a: Stromverläufe für Öffnung des Schaltgerätes und Zündung des Löschthyristors für große Ströme zum Zeitpunkt t=0 ms des Schaltvorgangs
• 2 b: Stromverläufe für Öffnung des Schaltgerätes und Zündung des Löschthyristors für große Ströme zum Zeitpunkt t=0 ms des Schaltvorgangs
• 3 a: Stromverläufe für Öffnung des Schaltgerätes und Zündung des Löschthyristors für große Ströme zum Zeitpunkt t=0,25 ms des Schaltvorgangs
• 3 b: Stromverläufe für Öffnung des Schaltgerätes und Zündung des Löschthyristors für große Ströme zum Zeitpunkt t=0,25 ms des Schaltvorgangs
• 4 a: Stromverläufe für Öffnung des Schaltgerätes und Zündung des Löschthyristors für große Ströme zum Zeitpunkt t>1,2 ms des Schaltvorgangs
• 4 b: Stromverläufe für Öffnung des Schaltgerätes und Zündung des Löschthyristors für große Ströme zum Zeitpunkt t>1,2 ms des Schaltvorgangs
• 5 a: Stromverläufe für Öffnung des Schaltgerätes und Zündung des Löschthyristors für große Ströme zum Zeitpunkt t>=2 ms des Schaltvorgangs
• 5 b: Stromverläufe für Öffnung des Schaltgerätes und Zündung des Löschthyristors für große Ströme zum Zeitpunkt t>2 ms des Schaltvorgangs
• 6 a: Stromverläufe für Öffnung des Schaltgerätes und Zündung des Löschthyristors für große Ströme zum Zeitpunkt t>=2 ms, interner Freilaufkreis geschaltet des Schaltvorgangs
• 6 b: Stromverläufe für Öffnung des Schaltgerätes und Zündung des Löschthyristors für große Ströme zum Zeitpunkt t>=2 ms, interner Freilaufkreis geschaltet des Schaltvorgangs
• Den schematischen Aufbau der Schaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung SSM zeigt 1. Die Schnellschalteinrichtung SSM ist in diesem und den folgenden Ausführungsbeispielen an einer Gleichstrom-Bahnstromversorgung angeordnet. Die Schnellschalteinrichtung SSM ist über einen zweipoligen Trennschalter DT einerseits mit der Sammelschiene SS der Bahnstromversorgung und andererseits mit der Strecke ST verbunden. Im abgeschalteten Zustand wird die Strecke mittels des zweipoligen Trennschalters DT galvanisch von der Sammelschiene getrennt.
• Der Vakuumschalter VS ist zwischen Sammelschiene SS der Bahnstromversorgung und der Strecke ST angeordnet und dient einerseits dem Führen von Betriebsströmen, Last- oder Kurzschlussströmen in beiden Stromrichtungen und andererseits zur schnellen Herstellung einer galvanischen Trennstrecke. Der Antrieb des Vakuumschalters VS erfolgt mittels eines elektromagnetischen Antriebes. Im Strompfad des Vakuumschalters ist ein Stromerfassungsglied T angeordnet, das die Betriebs- und Fehlerströme erfasst. Parallel zum Vakuumschalter VS ist ein Löschkreis LK zwischen Sammelschiene SS der Bahnstromversorgung und der Strecke ST angeordnet. Dieser Löschkreis LK besteht aus einem Löschkondensator K und zwei mit diesem in Reihe liegenden antiparallel angeordneten Löschthyristoren LT1, LT2.
• Ebenfalls parallel zum Vakuumschalter VS ist der interne Freilaufkreis iFK angeordnet, der Anschluss ist zwischen Löschkondensator K und den Löschthyristoren LT1, LT2. Der interne Freilaufkreis iFK weist einen Thyristor CT, eine antiparallel in Reihe geschaltete Freilaufdiode D sowie einen dazwischenliegenden Widerstand CW (Chopper und/oder Kaltleiter) auf.
• Ein Prüfkreis PK ist ebenfalls parallel zum Vakuumschalter VS angeordnet, der vor der Wiederzuschaltung der Strecke diese auf ihren aktuellen Zustand überprüft. Der Prüfkreis PK besteht aus einer Reihenschaltung von einem Schalter VP, einem Strommessglied Tp und einem Prüfwiderstand PW. Zur Streckenprüfung wird der Prüfthyristor VP gezündet und mit dem Strommessglied Tp der durch den Prüfwiderstand PW fließende Strom erfasst.
• Außerdem weist die Schnellschalteinrichtung einen zweiten Freilaufkreis eFK auf, der zwei Zweige aufweist, von denen einer zwischen dem Anschluss des Vakuumschalters VS und der andere zwischen der Strecke ST und dem Rückleiter RL angeordnet ist. Der zweite Freilaufkreis eFK weist die Freilaufdiode D auf. Der zweite Freilaufkreis eFK gewährleistet, dass nach der Herstellung der galvanischen Trennstrecke im Vakuumschalter VS die in den Induktivitäten der Strecke vorhandene Energie durch Freilaufströme schnell abgebaut wird. Durch das Steuergerät EBG wird der Abschaltvorgang bei Erreichen eines eingestellten Grenzwertes des Betriebsstromes selbsttätig ausgelöst.
• Das Steuergerät EBG verarbeitet die erfassten Messwerte und gibt die entsprechenden Steuerbefehle an den Vakuumschalter VS sowie die Löschthyristoren LT1, LT2 aus. Durch die Auswertung des Stromsignals vom Stromerfassungsglied T und der Stromanstiegsgeschwindigkeit wird entsprechend der eingestellten Grenzwerte der Öffnungsvorgang des Vakuumschalters VS selbsttätig eingeleitet. In Abhängigkeit vom zu schaltenden Betriebsstrom, der Dimensionierung des Löschkreises, insbesondere der Kapazität des Löschkondensators K, erfolgt die zeitoptimierte Ansteuerung der Löschthyristoren LT1, LT2. Durch das Steuergerät EBG wird auch die Streckenprüfung durchgeführt, bei der unter Einbeziehung der aktuellen Abgangsspannung die Berechnung des Streckenwiderstandes erfolgt. Außerdem regelt das Steuergerät EBG die Ansteuerung des Thyristors CT und damit die Freischaltung des internen Freilaufkreises iFK bei großen Leistungen.
• Die Stromverläufe für Öffnung des Schaltgerätes SSM und Zündung des Löschthyristors LT1, LT1 für große Ströme zum Zeitpunkt t=0 ms zeigt 2. In 2 a) ist die Schaltung gemäß 1 im Betrieb dargestellt. Der Schaltbefehl erfolgt in dieser und den folgenden Abbildungen zum Zeitpunkt 0,101 s (2 b). Das heißt, dass der Vakuumschalter VS zu diesem Zeitpunkt geschlossen ist. Zum Zeitpunkt t=0 ms tritt ein Kurzschlussstrom I_L auf, der abgeschaltet werden soll, d. h. ein Kurzschluss auf der Strecke ST wird durch die Bahnstromversorgung über die Sammelschiene SS gespeist (2 a). Der ansteigende Kurzschlussstrom I_L (2 b) wird durch das Stromerfassungsglied T im Strompfad des Vakuumschalters VS erfasst.
• 3 zeigt Stromverläufe für Öffnung des Schaltgerätes SSM und Zündung des Löschthyristors LT1, LT1 für große Ströme zum Zeitpunkt t=0,25 ms. In 3 a) sind die zu diesem Zeitpunkt aktiven Stromkreise der Gleichstromschnellschalteinrichtung gemäß 1 dargestellt. Bei Erreichen eines einstellbaren Betriebsstromes von z.B. 4 kA wird von der Steuereinheit EBG der Ausschaltbefehl für den Vakuumschalter VS gegeben, der Antrieb beginnt die Kontakte des Vakuumschalters VS zu trennen (3 a). Zwischen den Kontakten des Vakuumschalters VS entsteht ein Lichtbogen. Die Kontaktöffnung verläuft über den Kontaktweg des Vakuumschalters VS gleichmäßig, der maximale Kontaktabstand beträgt 2 mm. Der Kurzschlussstrom I_L fließt über den sich beim Abheben des Kontaktes innerhalb der Vakuumkammer ausbildenden Schaltlichtbogen weiter (3 b).
• Die Stromverläufe für Öffnung des Schaltgerätes SSM und Zündung des Löschthyristors LT1, LT2 für große Ströme zum Zeitpunkt t>1,2 ms zeigt 4. In 4 a) sind die zu diesem Zeitpunkt aktiven Stromkreise der Gleichstromschnellschalteinrichtung gemäß 1 dargestellt. Zur Löschung des Lichtbogens zwischen den Kontakten des Vakuumschalters VS muss der darin fließende Strom Isu den Wert von 0 A annehmen, weil der Vakuumschalter VS selbst nicht in der Lage ist, einen fließenden Kurzschlussstrom I_L abzuschalten. Dazu steuert die Steuereinheit EBG den Löschthyristor LT1 an, der den Löschkreis LK freischaltet. Durch die Vorladung des Löschkondensators K wird in dem Löschkreis LK ein Strom Isu generiert (4 b), der dem fließenden Strom I_L in dem Vakuumschalter VS entgegen gerichtet ist (4a). Die beiden im Vakuumschalter VS fließenden Ströme, der Kurzschlussstrom I_L und der Löschstrom Isu überlagern sich. Die beiden Ströme, der Kurzschlussstrom I_L und der Löschstrom, weisen jeweils eine derartige Stromstärke bei entgegengesetzter Richtung auf, dass der resultierende Schalterstrom einen Wert von 0 A erreicht. Als Folge verlischt der Lichtbogen im Vakuumschalter VS. Mit dem Erlöschen des Lichtbogens steigt über der Schaltstrecke die momentan vorhandene Spannung U_KC des Löschkondensators K an. Übersteigt diese Spannung U_KC die zu diesem Zeitpunkt bestehende Durchschlagsfestigkeit der Schaltstrecke im Vakuumschalter VS nicht, zündet der Lichtbogen nicht wieder und der Kurzschlussstrom I_L ist abgeschaltet.
• Derzeitige schienengebundene Fahrzeuge, aber insbesondere auch nicht schienengebundene Kraftfahrzeuge (z.B. Elektro-PKW oder-Busse) sind in der Lage, die bei negativer Beschleunigung auftretende Energie in die Fahrleitung oder die eingebaute Batterie zurück zu laden (Rekuperation). Für das erfindungsgemäße Schaltgerät SSM ist daher auch von einer Stromrichtung auszugehen, die der bisherig dargestellten (2 - 4) entgegengesetzt ist. In einem derartigen Fall fließt ein Strom Isu im Vakuumschalter VS und im Löschkreis LK ebenfalls in entgegengesetzter Richtung wie bisher dargestellt. Dadurch wird der Löschkondensator K im Löschkreis LK ebenfalls in umgekehrter Richtung aufgeladen und gepolt. Der weitere Vorgang zur Löschung des Lichtbogens in dem Vakuumschalter VS ist analog. Das erfindungsgemäße Schaltgerät SSM ist daher ohne weitere Zusatzbauteile auch für unterschiedliche Polungen des Fahrstroms geeignet.
• 5 zeigt die Stromverläufe für Öffnung des Schaltgerätes SSM und Zündung des Löschthyristors LT1, LT2 für große Ströme zum Zeitpunkt t>=2 ms, In 5 a) sind die zu diesem Zeitpunkt aktiven Stromkreise der Gleichstromschnellschalteinrichtung gemäß 1 dargestellt. Aufgrund der erfolgten Abschaltung des Lichtbogens des Vakuumschalters VS fließt zu diesem Zeitpunkt ein Strom l_eFK durch den zweiten, in Teilen außerhalb der Schnellschalteinrichtung SSM angeordneten Freilaufkreis eFK und den Löschkreis LK ( 5 a), wobei der Löschkondensator K als Zwischenspeicher fungiert. Der Löschkondensator K wird dabei außerdem wieder aufgeladen (vorgeladen). Der externe Freilaufkreis eFK gewährleistet, dass nach der Herstellung der galvanischen Trennstrecke die in der Strecke ST vorhandene Energie aufgrund der fließenden Freilaufströme l_eFK abgebaut wird (5 b). Damit auch in außergewöhnlichen Situationen ein fließender Gleichstrom I_L sicher und zuverlässig abgeschaltet wird, kann vorgesehen werden, dass die Löschthyristoren LT1, LT2 wiederholt gezündet werden. Das erfindungsgemäße Verfahren, wie in 2 bis 5 dargestellt, kann bei Bedarf also wiederholt werden.
• Die Stromverläufe für Öffnung des Schaltgerätes SSM und Zündung des Löschthyristors LT1, LT2 für große Ströme zum Zeitpunkt t>=2 ms zeigt 6. Um etwaig auftretende Überlast-Spannungsspitzen U_KC aufzufangen, ist in diesem Ausführungsbeispiel der interne Freilaufkreis iFK geschaltet. In 6a) sind die zu diesem Zeitpunkt aktiven Stromkreise der Gleichstromschnellschalteinrichtung gemäß 1 dargestellt. Die zu diesem Zeitpunkt in der Schnellschalteinrichtung SSM gespeicherte Energie lädt nach dem Löschen des Lichtbogens im Vakuumschalter VS den Löschkondensator K (s. 5). Dabei können Ladespannungen U_KC erreicht werden, die für die Schnellschalteinrichtung SSM und evtl. weitere angeschlossene Komponenten eine Sicherheitsgrenze derart überschreiten, dass Schäden auftreten können. Bei Überschreiten der Ladespannung von 1500 V wird der interne Freilaufkreis iFK freigeschaltet (6 a). Das Steuergerät EBG zündet dazu den Thyristor CT, wenn der Widerstand im Löschkreis LK 300 mΩ überschreitet (6 b). Unterschreitet die Ladespannung U_KC des Kondensators K einen Wert von 1100 V, wird der Thyristor CT wieder gesperrt. Zündung und Sperrung des Thyristors CT werden so lange wiederholt, bis die Ladespannung U_KC des Kondensators K konstant unter 1500 V liegt. Die auftretende Überspannung U_KC bleibt damit unter den bei konventionellen Schnellschaltern oft auftretenden Lichtbogenspannungen.
• Sobald der Strom 0 A beträgt und alle Spannungen U_KC , U_iFK abgebaut sind, wird der Doppeltrenner DT geöffnet (7 a) und b)). Damit ist das Schaltgerät SSM wieder freigeschaltet.
• Bezugszeichenliste

SSM

Gleichstromschnellschalteinrichtung

LK

Löschkreis

iFK

interner Freilaufkreis

eFK

externer Freilaufkreis

PK

Prüfkreis

LT1, LT1

Löschthyristoren

K

Löschkondensator

CW

Widerstand interner Freilaufkreis

SS

Sammelschiene

VS

Vakuumschalter

DT

Trennschalter

EBG

Steuergerät

CT

Thyristor interner Freilaufkreis

RL

Rückleiter

D

Freilaufdiode

Tp

Strommessglied Prüfkreis

T

Stromerfassungsglied

PW

Widerstand Prüfkreis

U_KC

Spannung Löschkondensator

U_iFK

Spannung interner Freilaufkreis

I_L

Strom Last/Kurzschlussstrom

I_SU

Strom Schnellunterbrecher

I_LK

Strom Löschkreis

l_eFK

Strom externer Freilaufkreis

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• DE 10218806 B4 [0003]

Claims (14)

1. Gleichstromschnellschalteinrichtung (SSM) die geeignet und dafür vorgesehen ist, hohe Gleichströme im Last- und Kurzschlussfall abzuschalten, umfassend: • einen Trennschalter (VS) • einen Löschkreis (LK) wobei der Löschkreis (LK) dafür vorgesehen und geeignet ist, einen Strom (I_LK) in gegenläufiger Richtung des zu unterbrechenden Gleichstroms (I_L) zu erzeugen, und • einen Rückleiter (RL), wobei der Rückleiter (RL) dafür vorgesehen und geeignet ist, Gleichströme aus der Gleichstromschnellschalteinrichtung (SSM) abzuleiten dadurch gekennzeichnet, dass in der Gleichstromschnellschalteinrichtung (SSM) ein erster Freilaufkreis (iFK) vorgesehen ist, der dafür vorgesehen und geeignet ist, während des Schaltvorganges auftretende Überspannungen (U_iFK) und/oder Stromspitzen abzubauen.
2. Gleichstromschnellschalteinrichtung (SSM) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Freilaufkreis (eFK) vorgesehen ist, wobei der zweite Freilaufkreis (eFK) einen Anschluss für einen Rückleiter (RL) aufweist.
3. Gleichstromschnellschalteinrichtung (SSM) nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass der erste (CH) und der zweite Freilaufkreis (eFK) teilweise parallel verlaufen und nur teilweise durch die Gleichstromschnellschalteinrichtung (SSM) geführt sind.
4. Gleichstromschnellschalteinrichtung (SSM) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der erste Freilaufkreis (iFK) eine Strombegrenzungsvorrichtung (CW) aufweist.
5. Gleichstromschnellschalteinrichtung (SSM) nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass die Strombegrenzungsvorrichtung (CW) des ersten Freilaufkreises (iFK) in der Gleichstromschnellschalteinrichtung (SSM) angeordnet ist.
6. Gleichstromschnellschalteinrichtung (SSM) nach Anspruch 4 oder 5 dadurch gekennzeichnet, dass die Strombegrenzungsvorrichtung (CW) des ersten Freilaufkreises (iFK) der Gleichstromschnellschalteinrichtung (SSM) eine Chopperschaltung und/oder ein Kaltleiter ist.
7. Gleichstromschnellschalteinrichtung (SSM) nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass der Löschkreis (LK) einen Löschkondensator (K) aufweist, wobei die Strombegrenzungsvorrichtung (CW) des ersten Freilaufkreises (iFK) parallel zum Löschkondensator (K) geschaltet ist.
8. Verfahren zur Schaltung von Gleichströmen umfassend die Verfahrensschritte: • Prüfung einer elektrischen Kenngröße eines an eine Gleichstromschnellschalteinrichtung (SSM) angeschlossenen Leiters • Aktivieren eines Trennschalters (VS) in der Gleichstromschnellschalteinrichtung (SSM) • Trennen des Stromkreises durch Öffnung zweier Schaltkontakte (DT) zur Unterbrechung eines Dauerstroms (I_L) • Löschen des nach Aktivieren des Trennschalters (VS) durch einen zwischen den Schaltkontakten gebildeten Lichtbogens dadurch gekennzeichnet, dass die Gleichstromschnellschalteinrichtung (SSM) bei Auftreten von hohen Spannungen (U_iFK) und/oder Strömen entladen wird.
9. Verfahren zur Schaltung von Gleichströmen nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtbogen durch die Entladung eines zuvor aufgeladenen Löschkondensators (K) gelöscht wird.
10. Verfahren zur Schaltung von Gleichströmen nach Anspruch 8 oder 9 dadurch gekennzeichnet, dass der Löschkondensator (K) der Gleichstromschnellschalteinrichtung (SSM) bei Auftreten von hohen Spannungen (U_iFK) entladen wird.
11. Verfahren zur Schaltung von Gleichströmen nach Anspruch 10 dadurch gekennzeichnet, dass der Löschkondensator (K) der Gleichstromschnellschalteinrichtung (SSM) durch einen parallel geschalteten Chopper und/oder Kaltwiderstand (CW) entladen wird.
12. Verfahren zur Schaltung von Gleichströmen nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 11 dadurch gekennzeichnet, dass der Dauerstrom (I_L) über einen metallischen Kontakt mit einer Vakuumkammer geführt wird.
13. Verfahren zur Schaltung von Gleichströmen nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 12 dadurch gekennzeichnet, dass die durch die Gleichstromschnellschalteinrichtung (SSM) fließenden Ströme (Isu) und/oder Spannungen (U_KC) durch einen zweiten Freilaufkreis (eFK) abgebaut werden.
14. Verfahren zur Schaltung von Gleichströmen nach Anspruch 13 dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Freilaufkreis (eFK) den Strom (U_FK) über einen Anschluss für einen Rückleiter (RL) führt.

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