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Schutzschaltung für kapazitive Spannungswandler Bei kapazitiven Spannungswandlern,
welche aus einem kapazitiven Spannungsteiler und einem induktiven Mittelspannungsteil
bestehen, treten bekanntlich unter besonderen Schaltbedingungen (primärseitig oder
sekundärseitig) sogenannte Ferroresonanzen, auch Kippschwingungen genannt, auf.
Dies ist dadurch bedingt, daß im Kreis des kapazitiven Spannungswandlers ein nichtlineares
Schaltungsglied in Form des induktiven Mittelspannungswandlers vorhanden ist. Die
Kippschwingungen treten dann auf, wenn die Induktion des Mittelspannungswandlers
infolge der vorerwähnten Schaltvorgänge in das Sättigungsgebiet des Eisens hineinkommt.
Mit dem Auftreten dieser Kippschwingungen und der damit verbundenen Sättigung des
Eisenkernes sind erhöhte Magnetisierungsströme in der Primärwicklung des Wandlers
verknüpft.
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Um die unerwünschten Ferroresonanzerscheinungen zum Abklingen zu bringen,
ist es unter anderem bekannt, den Wandler beim Auftreten dieser Erscheinungen mittels
ohmscher Widerstände stark zu belasten.
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Zahlreiche Versuche haben gezeigt, daß die Belastung ein Vielfaches
der in bezug auf die Klassengrenze zulässigen Bürde sein muß. Der erforderliche
Belastungswiderstand müßte demzufolge eine so große Zusatzbürde darstellen, daß
die Klassengrenze des Wandlers bei dieser Belastung in unzulässiger Weise überschritten
wird. Damit entsteht die Forderung, den Belastungswiderstand, der bei Auftreten
von Kippschwingungen zugeschaltet wird, nach Abklingen derselben wieder abzuschalten.
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Bei Anwendung bisher bekannter Methoden zur Einschaltung von Belastungswiderständen
tritt aber der Fall ein, daß, wenn der Belastungswiderstand nach dem Abklingen der
z. B. durch Einschaltvorgänge hervorgerufenen Kippschwingungserscheinungen vom Wandler
abgeschaltet wird, ein Schaltungsvorgang entsteht, der dem öffnen eines sekundärseitigen
Kurzschlusses nahekommt. Es würden somit auch durch einen solchen sekundärseitigen
Schaltvorgang Ferroresonanzen ausgelöst werden.
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Dieser Nachteil wird gemäß der Erfindung dadurch vermieden, daß bei-
Auftreten von Kippschwingungen elektronische Schalter betätigt werden, die auf der
Sekundärseite des Zwischenkreises entweder einen Belastungswiderstand, dessen Widerstandswert
sich infolge seiner Temperaturabhängigkeit vom Zeitpunkt seiner Einschaltung bis
zum Zeitpunkt seiner Wiederabschaltung mindestens im Verhältnis von 1:5, vorzugsweise
1.:10; erhöht, einschalten und nach Widerstandserhöhung wieder abschalten oder einen
Belastungswiderstand ohne Temperaturgang einschalten, den sie nach stufenweiser
Erhöhung seines Widerstandswertes infolge ihrer unter dem Einfluß von Zeitgliedern
eintretenden folgezeitigen Ausschaltung wieder abschalten.
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Gegenüber einer bereits vorgeschlagenen Schutzschaltung, bei der über
einen Transduktor eine Parallelschaltung des Belastungswiderstandes erfolgt oder
als Widerstand ein spannungsabhängiger Widerstand verwendet ist, wird durch die
erst nach der Widerstandserhöhung erfolgende Abschaltung der gleiche Vorteil erzielt
wie gegenüber der vorstehend geschilderten bekannten Methode.
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Gegenüber einer bekannten Schutzschaltung, bei der der Belastungswiderstand
bei Betriebsfrequenz durch einen Scheinwiderstand mit bei Betriebsfrequenz niedrigem
Wert überbrückt ist, ist der Vorteil vorhanden, daß der Belastungswiderstand infolge
seiner zeitweisen Einschaltung ohne überbrückenden frequenzabhängigen Scheinwiderstand
im Normalbetrieb des kapazitiven Spannungswandlers nicht eingeschaltet ist, während
er bei der bekannten Schutzschaltung auch bei höheren Harmonischen wirksam ist,
so daß diese höheifrequenten Ströme, die zur Vermeidung von Spannungsverzerrungen
vorhanden sein müssen, im Normalbetrieb des kapazitiven Spannungswandlers fehlen.
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Gegenüber einer weiteren bekannten Schutzschaltung, bei der eine bestimmt
bemessene, eisengeschlossene Drossel verwendet wird, wird insofern ein Vorteil erzielt,
als durch den ohmschen Belastungswiderstand zweifellos in einwandfreier Weise Kippschwingungen
unterdrückt werden, was bei der bekannten Belastung durch ein nichtlineares Glied,
wie dies eine eisengeschlossene Drossel darstellt, nicht sicher ist.
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In den F i g. 1 bis 4 sind Ausführungsbeispiele der Schutzschaltung
gemäß der Erfindung dargestellt.
Treten bei dem Ausführungsbeispiel
gemäß der F i g. 1, z. B. durch irgendwelche Schaltvorgänge, Kippschwingungen auf,
so fließt in dem an den kapazitiven Spannungsteiler angeschlossenen Zwischenkreis
Z ein größerer Strom als im Normalbetrieb. Dieser läßt an dem von ihm durchflossenen
Widerstand R des Zwischenkreises Z eine solche Spannung nach Zünden der Funkenstrecke
F als Steuerspannung für den elektronischen Schalter T (Transistor) - sei es unter
Zwischenschaltung eines Wandlers oder unmittelbar - am Potentiometer P entstehen,
daß der elektronische Schalter T den Belastungswiderstand RB auf der Sekundärseite
parallel zur Bürde B einschaltet. Der Widerstand RB besitzt einen solchen Temperaturgang,
daß er seinen Widerstandswert infolge seiner Temperaturabhängigkeit vom Zeitpunkt
seiner Einschaltung bis zum Zeitpunkt seiner späteren Wiederabschaltung mindestens
im Verhältnis von 1 : 5, vorzugsweise 1 : 10, erhöht. Sobald dieser Widerstandswert,
bei dem bei Abschaltung keine Kippschwingungen entstehen, erreicht ist, wird der
elektronische Schalter T, da dann seine Steuerspannung am Potentiometer P infolge
geeigneter Bemessung der als Zeitglied arbeitenden Glieder C/P verschwunden ist,
wieder ausgeschaltet; damit ist die Parallelschaltung des Belastungswiderstandes
RB wieder beseitigt.
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Bei dem Ausführungsbeispiel der F i g. 2 wird als Belastungswiderstand
ebenfalls ein Widerstand benutzt, dessen Widerstandswert sich infolge seiner Temperaturabhängigkeit
vom Zeitpunkt seiner Einschaltung bis zum Zeitpunkt seiner Wiederabschaltung mindestens
im Verhältnis von 1:5, vorzugsweise 1 : 10, erhöht. Dieser Belastungswiderstand
RB wird auch in diesem Ausführungsbeispiel durch einen elektronischen Schalter,
nämlich den Transistor T, eingeschaltet. Um dies zu erreichen, ist in Reihe zur
Primärwicklung P des induktiven Zwischenspannungswandlers W die Primärwicklung P
des Differentialwandlers D in Reihe angeordnet; die Sekundärwicklung S des
Differentialwandlers D liegt in Reihe mit der Sekundärwicklung S des Zwischenspannungswandlers
W; die Sekundärwicklung S des Zwischenspannungswandlers
W ist mit der Bürde B
belastet. Außerdem besitzt der Differentialwandler
D noch die Zusatzwicklung Zw, welche zur Erzeugung der Steuerspannung für den elektronischen
Schalter T dient.
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Im normalen Betriebsfall ist der Strom IBi gleich dem Strom I$2 unter
Berücksichtigung des übersetzungsverhältnisses. Diese Ströme fließen auch durch
die Primärwicklung P und Sekundärwicklung S des Differentialwandlers D; sie heben
sich in diesen bezüglich der Amperewindungen gegenseitig auf. Durch die Primärwicklung
P des Differentialwandlers D fließt außerdem der im normalen Betriebszustand sehr
geringe Magnetisierungsstrom für den Kern des Zwischenspannungswandlers W, der in
dem Kern des Differentialwandlers D eine dementsprechend geringe Induktion hervorruft.
Da die Ströme IBi und 1B2 der Bürde B proportional sind, heben sie sich bezüglich
ihrer Amperewindungen unabhängig von der Größe der Bürde gegenseitig auf, bewirken
also keine zusätzliche Magnetisierung des Kerns des Differentialwandlers D.
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Im Zustand der Ferroresonanz steigt der Magnetisierungsstrom des Zwischenspannungswandlers
W und demzufolge der Strom durch die Primärwicklung P des Differentialwandlers D
so stark an, daß die durch die Primärwicklung P des Differentialwandlers D hervorgerufenen
Amperewindungen nicht mehr durch die der SekundärwicklungS des Differentialwandlers
D kompensiert werden. Die Folge davon ist eine starke Erregung des Differentialwandlers
D; die ihrerseits eine Spannung in der Wicklung Zw des Differentialwandlers D induziert,
so daß am Potentiometer P eine solche Steuerspannung für den elektronischen Schalter
T steht, daß dieser den Belastungswiderstand RB einschaltet. Die Kippschwingungen
erlöschen. Hat der Widerstand RB infolge seines Temperaturganges seinen hohen Widerstandswert
erreicht, so wird der elektronische Schalter T, da seine Steuerspannung inzwischen
am Potentiometer P infolge geeigneter Bemessung der als Zeitglied arbeitenden Glieder
C/P verschwunden ist, wieder ausgeschaltet. Damit ist die Parallelschaltung des
Widerstandes RB mit Temperaturgang wieder aufgehoben.
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In der F i g. 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Schutzschaltung
gemäß der Erfindung gezeigt, bei dem ebenfalls der Differentialwandler D wie beim
Ausführungsbeispiel der F i g. 2 bei Auftreten von Kippschwingungen, also infolge
des auftretenden erhöhten Magnetisierungsstromes, die Steuerspannung für die elektronischen
Schalter liefert. Es sind hier beispielsweise zwei elektronische Schalter T1 und
T2 vorgesehen, die durch die entsprechenden Steuerspannungen an ihren Potentiometern
P1 und P2 gleichzeitig einen Belastungswiderstand, der sich aus zwei Teilwiderständen
RB i und R$2 zusammensetzt, zur Bürde B parallelschalten. Nach Ablauf einer
gewissen Zeit, die hier durch entsprechende Bemessung der Zeitglieder C,/P1 bzw.
C2/P2 gegeben ist, schaltet zunächst z. B. der elektronische Schalter T1 den Teilwiderstand
RB i aus, so daß infolge Aufrechterhaltung der Einschaltung des anderen Teilwiderstandes
RB 2 der Widerstandswert des Belastungswiderstandes beispielsweise verdoppelt ist.
Nach Ablauf einer weiteren Zeitspanne, die durch das Zeitglied C2/P2 gegeben ist,
wird der zweite elektronische Schalter T2 ausgeschaltet, der nun den zweiten Teilwiderstand
RB 2 und damit im vorliegenden Fall die gesamte Zusatzbelastung für die Bürde B
wieder abschaltet.
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Da bei der Schutzschaltung gemäß der Erfindung die Steuerspannung
für den elektronischen Schalter aus dem die Kippschwingungen verursachenden erhöhten
Strom auf der Primärseite des Zwischenkreises gewonnen wird, wirkt diese Schutzschaltung
schon beim Entstehen der Kippschwingungen im Gegensatz zu Schaltungen, bei denen
das Steuersignal für die Einschaltung des Belastungswiderstandes aus der bei Kippschwingungen
resultierenden erhöhten Spannung auf der Sekundärseite des induktiven Zwischenspannungswandlers
abgeleitet wird oder aus der nicht in der Amplitude erhöhten, wohl aber verzerrten
Spannung auf der Sekundärseite gewonnen wird.
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In dem Ausführungsbeispiel der F i g. 4 ist noch die Sekundärwicklung
der Resonanzdrossel Dr des Zwischenkreises in den Stromkreis eingeschaltet, der
durch den elektronischen Schalter T für den Belastungswiderstand RB geschlossen
wird. Dadurch liegt der Belastungswiderstand RB an einer Spannung, die sich
als Summenspannung aus der Sekundärspannung des Zwischenwandlers W und der Sekundärspannung
der Resonanzdrossel Dr ergibt. Damit wird eine erhöhte Dämpfungswirkung erzielt,
da
nicht nur der induktive Zwischenwandler W, sondern auch noch
die Resonanzdrossel Dr bedämpft wird.