DE1800205B2 - Stromunterbrecher fuer hohe gleichspannungen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein* Anordnung zur Unterbrechung von Strömen bei hohen Gleichspannungen, mit einem Stromunterbrecher, dessen normalerweise geschlossene Kontakte in Serie mit einer Last geschaltet sind, mit einem Kommutierungskreis aus einem Kommutierungskondensator in Serie mit einem normalerweise offenen Schalter, welcher Kommutierungskreis dem Stromunterbrecher parallel geschaltet ist und mit Mitteln zum öffnen des normalerweise geschlossenen Stromunterbrechers, wodurch ein Lichtbogen zwischen dessen Kontakten entsteht

Bei dieser Anordnung ist der Stromunterbrecher mit einem Gleichspannung führenden Hochspannungsnetz in Serie gelegt das einen Verbraucher durch den Unterbrecher hindurch mit Strom versorgt. Parallel zum Unterbrecher liegt ein normalerweise offener Kommutierungskreis mit einem aufgeladenen Kondensator. Wenn der Gleichstromkreis geöffnet werden soll, wird dieser Kondensator durch den Unterbrecher und den Kommutierungskreis hindurch entladen, wodurch der Strom durch den Unterbrecher zu Null gemacht werden kann. Die Einführung dieses Stromnulldurchganges gibt dem Unterbrecher die Möglichkeit seine Durchschlagsfestigkeit wieder zu gewinnen und die Stromunterbrechung zu vervollständigen.

Ob nun der Unterbrecher zu diesem Punkt den Strom bereits vollständig unterbrechen kann, hängt davon ab, ob er der Spannung widerstehen kann, die sich unmittelbar nach dem Stromnulldurchgang aufbaut. Diese sich nach dem Stromnulldurchgang aufbauende Spannung hängt zum großen Teil von den Kapazitäten, den Induktivitäten und Widerständen ab, die dann in einem Stromkreis vorhanden sind, der von der Gleichstromquelle über die Gleichstromleitungen, den Kommutierungskondensator und durch irgendwelche Lasten verläuft die noch im Stromkreis verblieben sind. Dieser Stromkreis ist ein Schwingkreis, bei dem die Induktivitäten des Systems und der Kommutierungskondensator in Serie liegen. In dem Augenblick, in dem der Strom im Unterbrecher unterbrochen wird, beginnt ein fortlaufender Energieaustausch zwischen diesen Induktivitäten und dem Kommutierungskondensator, der sich durch Schwingungen bemerkbar macht, und diese Schwingungen stellen eine wesentliche Komponente derjenigen Spannung dar, die sich unmittelbar

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nach einem Stromnulldurchgang an dem Unterbrecher aufbaut

Diese Spannung könnte zwar durch Verwendung eines großen Kommutierungskondensators gesenkt werden. Dieser Möglichkeit sind aber aus wirtschaftlichen Gründen Grenzen gesetzt, da dieser Kondensator aus wirtschaftlichen Gründen so klein wie möglich sein sollte. Dieser Nachteil läßt sich auch nicht allein durch einen einzigen Kommutierungskondensator beseitigen, der aufeinanderfolgenden Stromzweigen nacheinander zugeschaltet wird, wie es aus der CH-PS 2 31971 bekannt ist

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht deshalb darin, ohne Vergrößerung des Kommutierungskondensators den Maximalwert derjenigen Spannung herabzusetzen, der durch diese Schwingungen hervorgerufen wird so daß die Wahrscheinlichkeit größer wird, daß der Unterbrecher die-er Spannung ohne Durchschlag widerstehen kann.

Diese Aufgabe wird bei einer Anordnung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst daß ein Stromzweig zur Begrenzung der Gegenspannung an den Kontakten des Stromunterbrechers vorgesehen ist, die entwickelt wird, wenn der Lichtbogenstrom zwischen den geöffneten Kontakten des Stromunterbrechers durch den Kommutierungsstrom auf Null heruntergedrückt wird, der einen normalerweise nichtleitenden Funkenstreckenschalter und einen Widerstand aufweist und netzseitig voi dem Stromunterbrecher und dem Stromrückleiter liegt, daß dieser normalerweise nichtleitende Funkenstreckenschalter in der Nähe des Nulldurchgangs des Lichtbogenstroms zwischen den Kontakten des Stromunterbrechers gezündet wird, so daß ein Strom direkt aus dem Netz durch den Funkenstreckenschalter und den Widerstand fließt und daß Mittel vorgesehen sind, durch die der Kommutierungskondensator dem Funkenstrekkenschalter parallel schaltbar ist, so daß auch in dem Funkenstreckenschalter ein Stromnulldurchgang erzwungen wird.

Vorzugsweise wird der normalerweise nichtleitende Funkenstreckenschalter in dem Stromzweig zur Begrenzung der Gegenspannung unmittelbar nach dem Nulldurchgang des Lichtbogenstromes zwischen den Kontakten des Stromunterbrechers gezündet.

Weitere vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung ergeben sich aus den übrigen Unteransprüchen.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß Spannungsspitzen bereits vor dem Eingang zum Stromunterbrecher abgeleitet und darin enthaltene Energie vernichtet wird, ro daß der Stromunterbrecher und sein zugehöriger Kommutierungskondensator entsprechend weniger belastet wird. Zwar enthält dieser Begrenzungszweig ebenfalls einen Funkenstreckenschalter, der gelöscht werden muß, aber zu diesem Zweck kann in vorteilhafter Weise der gleiche Kommutierungskondensator verwendet werden, der für den mit der Last in Serie geschalteten Stromunterbrecher vorgesehen ist.

Ein weiterer Vorteil der Anordnung gemäß der Erfindung besteht darin, daß durch sie ein Gleichspannung führendes Hochspannungsnetz gegen Blitzschläge geschützt werden kann.

Die Erfindung wird nun anhand der folgenden Beschreibung und der Zeichnung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert

F i g. 1 zeigt schematisch eine Stromunterbrechungsanordnung, die im normalen, geschlossenen Zustand

dargestellt ist;

F i g. 2 zeigt schematisch die Anordnung nach F i g. 1 während einer Stromunterbrechung;

F i g. 3 ist eine graphische Darstellung und stellt den zeitlichen Verlauf des Stromes dar, der während einer Stromunterbrechung in der Anordnung nach F i g. 1 bzw. F ig. 2 fließt;

Fig.4 zeigt schematisch einen Ausschnitt aus der Anordnung nach den F i g. 1 und 2.

In der F i g. 1 ist schematisch ein Gleichspannung führendes Hochspannungsnetz mit einer Gleichspannungsquelle 12, einer Last 14 und einer Leitung 16 dargestellt durch die der Last Gleichstrom zugeführt wird. Es sei angenommen, daß der normale Strom in Richtung der Pfeile 17 fließt und über eine Rückleitung 19 zur Gleichspannungsquelle zurückkehrt Die Gleichspannungsquelle 12 ist schematisch als ein Transformator 20 und ein Gleichrichter 21 dargestellt der in Serie mit der Sekundärwicklung des Transformators liegt

Um den Strom für die Last 14 ein- und ausschalten zu können, ist ein Stromunterbrecher 25 zwischen der Last 14 und der Gleichspannungsquelle 12 in die Leitung 16 eingesetzt Die eingangsseitige Induktivität des ganzen Netzes ist mit 18 bezeichnet worden.

Bei dei dargestellten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Unterbrecher 25 ein Vakuumunterbrecher. Dieser Vakuumunterbrecher weist ein hochevakuiertes, zum Teil aus Isoliermaterial hergestelltes Gehäuse 26 auf. in dem zwei gegeneinander bewegbare Kontakte 27 und 28 angeordnet sind. Der feststehende Kontakt ist der linke Kontakt 27, während der rechte Kontakt 28 der bewegbare Kontakt ist, der rechts aus dem Gehäuse 26 herausragt. Der rechte Kontakt 28 und das Gehäuse 26 sind mittels eines Federbalges 29 vakuumdicht miteinander verbunden, so daß der rechte Kontakt 28 horizontal hin- und hergeschoben werden kann, ohne daß das Vakuum im Gehäuse 26 beeinträchtigt wird.

Der rechte Kontakt 28 wird in der Schließstellung nach F i g. 1 durch eine Klinke 30 festgehalten und durch eine Feder 32 nach rechts in die Öffnungsstellung vorgespannt Wenn die Klinke 30 freigegeben wird, zieht die Feder 32 den bewegbaren Kontakt 28 nach rechts, so daß zwischen den Kontakten ein Spalt 33 entsteht, der in Fig.2 dargestellt ist. Bei dieser Trennung der Kontakte entsteht in dem Spalt 33 ein Lichtbogen 34, der schnell erlöscht und auch nicht wieder zündet, so daß der Stromkreis unterbrochen wird. Die Art und Weise, wie dieses geschieht, wird noch näher erläutert Um die Metalldämpfe, die durch den Lichtbogen erzeugt werden, kondensieren zu können, und um die Isolation des Gehäuses 26 vor diesen Metalldämpfen zu schützen, ist innerhalb des Gehäuses ein Abschirmzylinder 31 aus Metall vorgesehen worden.

Der Vakuumunterbrecher 25 kann von üblicher Bauart sein und ist daher nur schematisch dargestellt. Ausführungsbeispiele für Vakuumunterbrecher, die in einer erfindungsgemäßen Anordnung verwendet werden können, sind in den US-Patentschriften 29 49 520 und 30 89 936 beschrieben worden.

Die Unterbrechung von Gleichstrom ist wesentlich schwieriger als die Unterbrechung von Wechselstrom, da Wechselstrom natürliche Nulldurchgänge aufweist. Bei Wechselströmen treten die Nulldurchgänge nach jeder Halbwelle auf, und um Wechselstrom zu unterbrechen, ist es nur notwendig, eine Rückzündung des Lichtbogens nach einem Nulldurchgang zu vermeiden. Bei der Unterbrechung von Gleichstrom ist es

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jedoch erforderlich, zuerst den Strom auf Null herunterzudrücken und anschließend dafür zu sorgen, daß keine Rückzündungen mehr auftreten.

Eine Möglichkeit, den Strom in einem Unterbrecher zu Null zu machen, besteht darin, einen Hilfsstrom durch den Unterbrecher hindurchzuschicken, der dem Hauptstrom entgegengesetzt gerichtet ist Diese Möglichkeit wird im dargestellten Ausführungsbeispiel verwendet, und zwar wird der Hilfsstrom aus dem Kommutierungskondensator 35 abgeleitet. Wie noch näher erläutert wird, ist der Kondensator 35 mit der in der F i g. 1 dargestellten Polarität aufgeladen. Der Kondensator 35 ist in einem Kommutierungskreis 36 angeordnet, der die Kontakte 27, 28 des Unterbrechers 25 überbrückt. Der Bogenlöschkreis 36 ist normalerweise geöffnet da in ihm in Serie mit dem Kommutierungskondensator 35 ein normalerweise offener Schalter 38 liegt Wenn der Schalter 38 geschlossen wird, entlädt sich der Kondensator 35 durch eine Schleife, in der die Unterbrecherkontakte 27 und 28 und der Bogenlöschkreis 36 in Serie liegen. Zu Beginn fließt der Entladungsstrom h in der Schleife aus den Kontakten 27 und 28 und dem Bogenlöschkreis 36 in Richtung der Pfeile 39.

Diese Schleife stellt einen Schwingkreis dar. Die Kapazität dieses Schwingkreises besteht hauptsächlich aus dem Kondensator 35, während seine Induktivität als Induktivität 50 dargestellt werden kann. Dieser Entladestrom ist ein Strom mit einer verhältnismäßig hohen Frequenz der dem Strom //. auf der Leitung 16 überlagert ist Dieser Zusammenhang ist in der F i g. 3 dargestellt in der der gesamte Strom durch den Unterbrecher als Kurve /r gezeigt ist Wenn sich der Kondensator am Zeitpunkt 52 zu entladen beginnt baut sich der Entladestrom Id sehr rasch bis zu einem positiven Spitzenwert auf und nimmt dann bis zu einem negativen Spitzenwert ab. Dieser negative Spitzenwert des Entladestromes fließt durch den Unterbrecher 25 in einer Richtung hindurch, die der Richtung des Stromes Il entgegengesetzt ist so daß der gesamte Strom It im Augenblick 53 der F i g. 3 Null wird.

In einem bevorzugten ^usführungsbeispiel der Erfindung wird die Stromunterbrechung durch Trennen der Kontakte 27 und 28 eingeleitet so daß zwischen den Kontakten ein Lichtbogen entsteht wie es in F i g. 2 gezeigt ist Nach einer vorgegebenen Zeitspanne wird dann der Schalter 38 geschlossen, um den Bogenlöschkreis 36 zu vervollständigen. Dieses ist ebenfalls in Fig.2 dargestellt. Dadurch fließt der hochfrequente Entladestrom /_Dctarch den Bogenlöschkreis 36 und den Unterbrecher 25 ndch, so daß der Gesamtstrom NuH wird, wie es in der Fig.3 dgestellt und eben gerade beschrieben wurde. Weaa der Gesamtstrom NoO wird, ertisctit der lichtbogen zwischen den Kontakten.

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Der normalerweise offene Schalter 38 ist vorzugsweise ein steuerbarer Funkenstreckenschalter, wie er beispielsweise in der US-Patentschrift 30 87 092 beschrieben worden ist. Der Spalt dieses Schalters wird durch zwei Hauptelektroden 40 und 42 gebildet, die in einem hochevakuierten Gehäuse 44 in einem bestimmten Abstand voneinander angeordnet sind. Dieser Spalt ist mit 45 bezeichnet. In der Nähe der einen Hauptelektrode 42 ist eine Zündelektrode 46 angeord net. die von einer wasserstoffimprägnierten Titan schicht auf einem keramischen Stab 48 gebildet ist. Dieser keramische Stab 48 ist koaxial zur Hauptelektrode 42 angeordnet und außen gegen die Hauptelektrode 42 abgedichtet. Ein Teil des Keramikstabes 48 ist nicht mit Titan beschichtet. Dieser Teil begrenzt einen Zündspalt 51 und isoliert unter normalen Verhältnissen die Zündelektrode 46 von der Hauptelektrode 42. Durch den Keramikstab 48 geht eine elektrische Leitung 49 hindurch, die oben an der Zündelektrode 46 endet Wenn zwischen die Zündelektrode 46 und die Hauptelektrode 42 ein elektrischer Impuls angelegt wird, findet im Zündspalt 51 ein Durchbruch statt und der dabei entstehende Funken setzt aus der wasserstoffimprägnierten Zündelektrode 46 eine kleine Menge Wasserstoff frei. Dieser Wasserstoff wird schnell ionisiert und gelangt in den Hauptspalt 45 hinein. Dadurch wird die Durchschlagsfestigkeit des Hauptspaltes herabgesetzt und der Durchschlag im Hauptspalt eingeleitet Der Lichtbogen, der sich nach dem Durchschlag des Hauptspaltes 45 zwischen den Elektroden 40 und 42 ausbildet ist in der F i g. 2 bei 47 dargestellt Wenn der Hauptspalt 45 durchgeschlagen ist kann sich der Kommutierungskondensator 35 über den Lichtbogen 47 durch den Bogenlöschkreis 36 entladen, wie es bereits beschrieben wurde, so daß der Strom im Hauptunterbrecher 25 Null wird.

Wenn der Strom in dem Bogeniöschkreis 36 schließlich Null wird, was noch erklärt werden soll stellt sich die Durchschlagsfestigkeit des Hauptspaltes 45 im Schalter 38 von selbst wieder ein. so daß sich der Funkenstreckenschalter 38 wieder in seinem normalerweise geöffneten Ausgangszustand befindet

Die Impulse zum Zünden des Zündspaltes werden von irgendeinem üblichen Impulsgenerator abgeleitet Ein solcher Impulsgenerator ist bei 56 dargestellt worden. Er ist über Impulsleitungen 49, 51 mit der Zündelektrode und der Hauptelektrode verbunden. Der Impulsgenerator 56 wird von dem bewegbaren Kontakt 28 des Unterbrechers 25 angesteuert wenn der

so bewegbare Kontakt 28 auf seinem Öffnungshub einer bestimmten Punkt erreicht hat An dieser Stelle schließt eine Nocke 74 auf dem bewegbaren Kontakt 28 einer normalerweise offenen Schalter 75, so daß etr Emschaltkreis 73 for den Impulsgenerator 56 gesenk»

ss sen wird. Dadurch wird an den Zändspalt 51 eii ZQndimputs angelegt, durch den der Fankenstrecken schalter 38 geschlossen wird. Die Fig.2 zeigt, weld» Ste&tmg die verschiedenen Einzelteile einnehme* nachdem der Schalter TS geschlossen ist, am zn

to Zündung des Pawchalters 38 einen Zünd impuls aas dem Generator Se.

Eine Möglichkeit zotn Aoftaden des Koui kondensators 35. die auch beim erßmhmgsgemSSe Aasftageisptel verwendet wird, ist bereits vorg<

6s schtages worden. Nach diesem Vorschlag wird d< Kondensator 35 <Αολ Vernd einer isafi HtSsque0edirelavondenNeti*eitaagenl6ai>dl9h< aufgeladen. Werfifr st der Kendensatt

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35 direkt mit dem Eingang des Unterbrechers 25 verbunden, und zwischen der Verbindung zwischen dem Kondensator 35 und dem Schalter 38 geht ein Aufladezweig 54 zur Rückleitung 19 ab. Der Kondensator 35 ist daher immer mit dem Gleichspannungsnetz verbunden, also auch dann, wenn der Schalter 38 offen ist.

Der Aufladezweig 54 weist einen ziemlich hohen Widerstand 55 auf. Unabhängig davon, ob der Unterbrecher 25 offen oder geschlossen ist, sind der Kommutierungskondensator 35 und der in Serie dazu liegende Widerstand 55 an die Anschlüsse der Gleichspannungsquelle 12 angeschlossen. Unabhängig davon, ob der Unterbrecher 25 offen oder geschlossen ist, kann der Kondensator 35 von der Spannungsquelle 12 her auf die volle Netzspannung aufgeladen werden (sofern der Schalter 38 offen ist).

Da der Kommutierungskondensator auch dann auf die volle Netzspannung aufgeladen wird, wenn der Unterbrecher 25 offen ist. ist es möglich, den Unterbrecher 25 zu schließen und dabei die Gewähr zu haben, den Unterbrecher unmittelbar darauf wieder öffnen zu können, wenn dieses beispielsweise durch einen Fehler im Netz notwendig erscheint.

Der Widerstand 55 sollte einen verhältnismäßig hohen Wert haben, damit sich der Kondensator 35 nicht zu schnell entlädt, wenn ein Fehler zwischen den Leitungen 16 und 19 an einer Stelle auftritt, die dicht am Unterbrecher 25 liegt. Ein solcher Fehler ist in der F i g. 1 mit F bezeichnet worden. Wenn nämlich ein derartiger Fehler am Ausgang des Unterbrechers auftritt, würde der Widerstand 55 durch diesen Fehler dem Kondensator 35 parallel geschaltet werden, so daß sich der Kondensator durch den Widerstand 55 hindurch zu entladen beginnt. Wenn jedoch der Kondensator 35 vor dem Schließen des Schalters 38 bereits einen wesentlichen Teil seiner Ladung verloren hat, kann er den erforderlichen Kommutierungsstrom nicht mehr liefern, wenn der Schalter 38 geschlossen wird. Der Widerstand 55 sollte also so groß sein, daß eine derartige zu schnelle Entladung des Kondensators 35 nicht möglich ist.

Um das öffnen der ganzen Stromunterbrecheranordnung auszulösen, ist ein üblicher Steuerkreis 59 vorgesehen, der vereinfacht und schematisch dargestellt ist Dieser Steuerkreis 59 weist eine Leitung 60 auf, die zwischen dem positiven und negativen Anschluß einer Steuerspannungsquelle verläuft Diese Leitung führt zu normalerweise geöffneten Kontakten 62a eines Über-Stromrelais 62 und zur Spule eines Auslösemagneten 64. mit dem die Klinke 30 gesteuert wird. Wenn der Strom m der Leitung 16 einen vorgegebenen Wert überschreitet, zieht das Relais 62 an, so daß die Kontakte 62a geschlossen werdea Dadurch wird der Stromkreis für den Auslösemagneten 64 geschlossen. Der Auslösemagnet löst daraufhin die Klinke 30 aus, woraufhin der Unterbrecher 25 geöffnet wird.

Man kann die ganze Anordnung auch von Hand öffnen, wenn man einen Schaker 80 schließt der den normalerweise offenen Kontakten des Oberstromrelais 62 parallel geschaltet ist Dadurch wird der Auslösestromkreis 59 geschlossen, so daß das öffnen der ganzen Anordnung aasgelöst wird, wie es bereits beschrieben wurde.

Als Unterbrecher 25 wird in der Anordnung zum Unterbrechen von Gteiehstroai vorzugsweise ein Vakuumunterbrecher verwendet Man kann aber auch andere Arten von Schaltgeräten verwenden, beispielsweise steuerbare Siliziumgleichrichter.

Es wurde bereits darauf hingewiesen, daß sich an dem Spalt 33 eine Gegenspannung aufbaut, wenn der Strom des Lichtbogens 34 im Unterbrecher 25 durch den Entladestrom des Kommutierungskondensaiors 35 zu Null gemacht worden ist. Eine wesentliche Komponente dieser Gegenspannung stammt von der Energie, die in der Induktivität 18 gespeichert ist und mit der der Kondensator 35 aufgeladen wird, sobald der Strom im

ίο Unterbrecher 25 Null wird. In vielen praktischen Fällen kann die Menge dieser Energie außerordentlich hoch sein, so daß der Kondensator 35 ohne die erfindungsgemäßen Maßnahmen auf eine außerordentlich hohe Spannung aufgeladen werden kann. Der maximale

IS Spannungswert, auf den der Kondensator durch diesen Vorgang aufgeladen werden kann, wird jedoch durch einen Schaltkreis 99 beschränkt, der einen normalerweise offenen Funkenstreckenschalter 100 und einen nichtlinearen Widerstand 102 aufweist, die in Serie

ϊο hintereinander zwischen den netzseitigen Anschluß des Unterbrechers 25 und die Rückleitung 19 geschaltet sind. Dieser Funkenstreckenschalter 100 wird etwa in der Gegend des Stromnulldurchganges gezündet, und zwar vorzugsweise unmittelbar nach diesem Nulldurchgang, jedoch noch bevor dem Zeitpunkt, an dem die Gegenspannung an den Kontakten auf einen Wert angestiegen ist, bei dem Rückzündungen im Spalt zwischen den Kontakten des Unterbrechers 25 auftreten können. Das Zünden des Funkenstreckenschalters 100 leitet Strom durch den Kreis 99 über den nichtlinearen Widerstand 102 ab, so daß die Energie der Schwingungen in dem nichtlinearen Widerstand vernichtet wird.
Der Funkenstreckenschalter 100 ist vorzugsweise ein steuerbarer Vakuumschalter der gleichen Art, wie er für den Funkenstreckenschalter 38 verwendet wird. Die Einzelteile des Funkenstreckenschalters 100, die entsprechenden Einzelteile des Funkenstreckenschalters 38 gleichartig sind, sind daher mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet worden, nur wurde vor jede Bezugsziffer noch eine 1 gesetzt. Der Funkenstreckenschalter 100 wird durch ein Impuls aus einem Impulsgenerator 101 gezündet wenn ein Schalter 103 im Eingangskreis 104 des Impulsgenerators geschlossen wird.

Der nichtlineare Widerstand 102 ist vorzugsweise aus einem Material mit einer negativen Widerstands-Strom-Kennlinie hergestellt Wenn der Strom in diesem Widerstand 102 unmittelbar nach dem Zünden des Funkenstreckenschalters 100 hoch ist, ist der Wert des

so Widerstandes 102 niedrig, so daß hohe Ströme durch den Widerstand hindurchfließen können, ohne daß der Spannungsabfall am Widerstand 102 zu groß wird Wenn die Energie des Spannungsstoßes fast gänzlich vernichtet ist, wird der Wert des Widerstandes 1Oi

SS rasch größer, so daß der Strom durch den Kreis 99 au einen wesentlich niedrigeren Wert begrenzt wird, de beispielsweise ein Zehntel des ursprünglichen Strome in der Netzleitung betragen kann. Der nichtlinear Widerstand 102 ist so gewählt, daß er den Folgestrom s stark als möglich begrenzen kann, ohne daß sic

während der anfänglichen Entladung der Oberspat nungsenergje ein zu hoher Spannungsabfall an diesel

Widerstand aufbaut Der Funkenstreckenschalter 100, der ein Vakuur

*5 schalter ist, kann den Strom im Kreis 99 erst dai unterbrechen, wenn der Strom auf Nun herumerg druckt worden ist Um dieses zu erreichen, wird de Funkenstreckenschalter 100 ein Kommutierungsstrc

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zugeführt, der vom gleichen Kondensatoi 35 abgeleitet ist, der bereits zur Umkehr des Stromes im Hauptunterbrecher 25 verwendet wird. Der Kondensator ist zu diesem Zeitpunkt aufgeladen, da er von dem Überspannungsstoß aufgeladen wurde, wie es bereits beschrieben worden ist.

Um diesen Kommutierungsstrom auszulösen, ist ein dritter steuerbarer Funkenstreckenschalter 200 vorgesehen, der ebenfalls ein Vakuumschalter ist und in Serie mit dem Kondensator 35 über den zweiten Funkenstrekkenschalter 100 geschaltet ist. Dieser Funkenstreckenschalter 200 ist normalerweise geöffnet. Er kann jedoch durch einen Impuls aus einem Impulsgenerator 201 gezündet werden, der an dem Zündspalt 251 angelegt wird. Der Impulsgenerator 201 gibt dann den Zündirnpuls ab, wenn in seinem Eingangskreis 204 ein passender Schalter 203 geschlossen wird. Wie das Schließen des Schalters 203 gesteuert wird, ist nicht Gegenstand der Erfindung und ist daher auch nicht dargestellt. In einer Ausführungsform kann man hierfür einen einfachen Verzögerungskreis (nicht gezeigt) verwenden, der den Schalter 203 etwa 10 msec nach dem Zünden des Funkenstreckenschalters 100 schließt. Wenn der dritte Funkenstreckenschalter 200 gezündet wird, kann sich der Kommutierungskondensator über die Leitungen 105 und 106 durch ihn hindurch entladen. Die Induktivität dieses Entladungsweges ist bei 108 dargestellt. Dieser Entladungsstrom ist ein oszillierender Strom, der dem Strom /«aus F i g. 3 ähnlich ist. Er bringt daher den gesamten Strom im Funkenstreckenschalter 100 auf die gleiche Weise auf Null.

Wenn der Strom Null geworden ist, bildet sich an dem Funkenstreckenschalter 100 eine Gegenspannung aus. jedoch ist der Maximalwert dieser besonderen Gegenspannung verhältnismäßig niedrig, so daß sie nicht zu Rückzündungen im Funkenstreckenschalter 100 führt. Der Grund dafür, daß der Maximalwert dieser Gegenspannung verhältnismäßig niedrig ist, besteht darin, daß der Strom, der vom Funkenstreckenschalter 100 unterbrochen wird, durch die strombegrenzende Wirkung des nichtlinearen Widerstandes 102 unmittelbar vor der Kommutierung im Funkenstreckenschalter 100 ebenfalls niedrig ist. Da die in der Induktivität 18 gespeicherte Energie dem Quadrat dieses Stromes direkt proportional ist, brauchen nur geringere Energiemengen vernichtet zu werden, und dieses kann von den Kommutierungskondensator 35 durchgeführt werden, ohne da£> eine zu hohe Spannung entwickelt werden muß.

Um nun die anschließenden Spannungsübergänge so möglichst gering zu halten, ist in dem Kommutierungskreis 105, 106 ein Widerstand 107 vorgesehen, der jedoch die gewünschte Stromunterbrechung durch den Funkenstreckenschalter 100 nicht beeinträchtigt Dieser Widerstand 107 sorgt dafür, daß der Kommutierungsstrom im Kommutierungskreis 105, 106 nicht zu hoch wird. Da hn Funkenstreckenschalter 100 ein wesentlich niedrigerer Strom als im Unterbrecher 25 unterbrochen wird, kann auch der Kommutierungsstrom wesentlich kleiner als der Strom losem.

Ans der bisherigen Beschreibung geht also hervor, daß nur em einziger Kommutierungskondensator 35 verwendet wird, um den Strom im Hauptunterbrecher und im Kreis 99 zur Unterdrückung von Überspannungen auf Null zo bringen. Die Verwendung ein und desselben Kondensators zur Durchführung dieser beiden Funktionen stellt einen erheblichen wirtschaftlichen Vorteil dar. da auf diese Weise einer der beiden sonst benötigten teuren Kondensatoren eingespart wird.

Der Kreis 99 zur Unterdrückung von Überspannungen arbeitet unabhängig davon in der oben beschriebenen Weise, ob der Stromunterbrecher aufgrund eines Fehlers oder auf Wunsch geöffnet wird. Wenn der Unterbrecher aufgrund eines Fehlers geöffnet wird, wird er dabei wesentlich stärker belastet, da die höheren Ströme, die bei einem solchen Fehler auftreten, auf die Speicherung wesentlich höherer Energiemengen in der Induktivität 18 führen, die im Kreis 99 vernichtet werden müssen.

Bisher wurde nur erörtert, wie die Energie abgeführt werden kann, die netzseitig gespeichert ist. Es kann aber auch Energie auf der Lastseite des Unterbrechers gespeichert sein, die unmittelbar nach einer Stromunterbrechung abgeführt werden muß. Die lastseitige Induktivität, die schematisch bei 18a dargestellt ist. entlädt die in ihr gespeicherte Energie über den Fehlerstromweg F und drückt dabei die Spannung an den Ausgangsklemmen des Unterbrechers in die negative Richtung. Um auch diese Energie abführen zu können, ist ein lastseitiger Kreis 399 zur Unterdrückung von Überspannungen vorgesehen, der einen steuerbaren Funkenstreckenschalter 300 und einen dazu in Serie gelegten nichthnearen Widerstand 302 aufweist. Dieser Kreis 399 ist lastseitig zwischen die Stromleitung 16 und die Rückleitung 19 gelegt.

Der steuerbare Funkenstreckenschalter 300 ist genauso wie der Funkenstreckenschalter 38 aufgebaut, so daß die gleichen Bezugsziffern verwendet worden sind. Vor die Bezugsziffer für die Einzelteile des Funkenstreckenschalters 300 ist jedoch jeweils eine 3 gesetzt worden. Der nichtlineare Widerstand 302 entspricht dem WKierstand 102 Sein Widerstandswert nimmt mit ansteigendem Strom ab.

Kurz nach einem Nulldurchgang im Hauptunterbrecher, und wenn die Spannung am Funkenstreckenschalter 300 einen bestimmten Wert erreicht, wird der Funkenstreckenschalter 300 von einem Impulsgenerator 301 gezündet so daß der Kreis 399 geschlossen wird. Dadurch kann die Energie, die lastseitig in der Induktivität 18a gespeichert ist, in einer geschlossenen Schleife abfließen, die aus dem Fehlerstromweg F einem Teil der Rückleitung 19, dem Kreis 399 und einem I eil der Netzleitung 16 besteht Der Funkenstreckenschalter 300 braucht nicht in der Lage zu sein, einen Strom unterbrechen zu können, da lastseitig keine Stromquelle vorhanden ist, die laufend Strom durch den Kreis 399 fließen lassen würde. Der lastseitige Strom fallt vielmehr in einer Zeit auf Null ab, die der Zeitkonstanten UR des oben angegebenen Kreises proportional ist Hierbei bedeuten L die Induktivität und Aden Widerstand dieses Kreises. Durch den nichtlinearen Widerstand 302 ist der Wert für R verhältnismäßig hock so daß die Abfallzeit des Stromes stark verkürzt ist Wenn der Strom in dem Kreis 399 NuU erreicht bat, stellt sich die Durchschlagsfestigkeit des Funkenstrekkenschalters 300 wieder ein, so daß er seinen ursprünglichen, nichtleitenden Zustand wieder einnimmt

Die Spannung, die an den getrennten Kontakten des Hauptunterbrechers unmittelbar nach einem StromnuU-durchgang auftritt, ist gleich dem Unterschied zwischen oer^Netzspannung (zwischen den Leitungen 16 und 19) £U£k If⁸T ** ^terbrechers und der Spannung hf^*" i^m ^""ngen « and 19) auf der Lastseite des Unterbrechers. Diese beiden Spannungen sind entge-

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gengesetzt gerichtet Diese Spannung wird dadurch auf einen verhältnismäßig niedrigen Wert begrenzt, daß die Funkenstreckenschalter 100 und 300 gezündet werden, wenn die Spannungen an diesen Funkenstreckenschaltern verhältnismäßig niedrig sind, und dadurch, daß der Spannungsabfall an den nichtlinearen Widerständen 102 und 302 durch passende Wahl dieser Widerstände klein gehalten wird. In einer Ausführungsform der Erfindung sind die nichtlinearen Widerstände so gewählt, daß der maximale Spannungsabfall am Widerstand 100 1,6 pro ι ο Einheit und der maximale Spannungsabfall am Widerstand 302 bis 0,8 pro Einheit beträgt. Wie bereits erwähnt, entspricht die maximale Spannung an den Kontakten dem Unterschied zwischen diesen beiden Spannungen, also in diesem Fall 2.4 pro Einheit.

In einer bevorzugten Ausführungsform dient der netzseitige Kreis 99 zur Unterdrückung von Überspannung nicht nur dazu, während der Stromunterbrechung die Spannung an den Kontakten des Hauptunterbrechers zu begrenzen, sondern auch gleichzeitig als Überspannungsschutz während des normalen Betriebs. Dieser Kreis 99 zur Unterdrückung von Überspannungen kann als Blitzschutz verwendet werden, da er den üblichen Folgestrom unterbrechen kann, der nach dem anfänglichen Durchschlag fließt, der von einem Blitz hervorgerufen wird Dieser Folgestrom wird dadurch unterbrochen, daß der Kommutierungskondensator 35 durch Zünden des Funkenstreckenschalters 200 in dem Hilfskommutierungskreis 105, 106 entladen wird. Dadurch kann sich der Kommutierungskondensator 35 durch den Funkenstreckenschalter 100 entladen, und zwar über den Hilfskommutierungskreis 105, 200, 106. so daß der Strom im Funkenstreckenschalter 100 auf Null heruntergedrückt wird und der Funkenstreckenschalter 100 seine Durchschlagsfestigkeit wieder erlangen kann.

Der lastseitig angeordnete Kreis 399 zur Unterdrükkung von Überspannungen kann nicht als Bl'tzschutz dienen, da in ihm der Strom nicht von selbst gelöscht werden kann. Es ist daher wichtig, daß in dem Kreis 399 durch einen Blitz kein Durchschlag hervorgerufen wird. Um diese Möglichkeit auszuschließen, liegt die Durchschlagsspannung des lastseitig angeordneten Funkenstreckenschalters 300 merklich über der Durchschlagsspannung des netzseitig angeordneten Funkens'.reckenschalters 100. Wenn daher ein von einem Blitz hervorgerufener Spannungsstoß die Leitung 16 entlangwandert, wird der netzseitige Funkenstreckenschalter 100 und nicht der lastseitig angeordnete Funkenstrekkenschalter 300 gezündet Nur während einer Stromun- terbrechung selbst wird die Durchschlagsspannung in dem lasiseitig angeordneten Kreis 399 zur Unterdrükkung von Überspannungen herabgesetzt, wie es bereits erläutert wurde.

Durch die Verwendung von steuerbaren Funkenstreckenschaltern, die als Vakuumschalter ausgebildet sind, in den Kreisen 99 und 399 zur Unterdrückung von Überspannung ist die ganze Stromunterbrecheranordnung außerordentlich flexibel. Die Bedingungen, unter denen ein Durchschlag hervorgerufen wird, können durch eine einfache Einstellung der Impulsgeneratoren für die jeweiligen Funkenstreckenschalter schnell und genau geändert werden. So schlägt beispielsweise der Funkenstreckenschalter 100 unter normalen Bedingungen dann durch, wenn an ihm eine vorgegebene hohe Spannung anliegt. Dadurch kann dieser Funkenstrekkenschalter 100 als Blitzschutz dienen, wie es bereits beschrieben wurde. Wenn jedoch der Hauptunterbrecher 25 betätigt wird, sprechen Vorrichtungen 74, 75a, die schematisch in F1 g. 4 dargestellt sind, darauf an und bewirken, daß die Zündkreise für jeden der Funkenstreckenschalter die effektive Durchschlagsspannung herabsetzen, so daß der Spannungsabfall an dem Hauptunterbrecher 25 einen vorgegebenen Wert nicht überschreitet, wie es bereits beschrieben wurde. In der schematischen Darstellung nach F i g. 4 ist eine lmpulsqnelle 101 dargestellt, die Impulse an die Zündelektrode 151 abgibt, wenn sie eingeschaltet ist. Diese Impulsquelle wird eingeschaltet, wenn ihr Eingangskreis 112 durch einen schnellen Schalter geschlossen wird, der schematisch als Thyratron 114 dargestellt ist. Das Thyratron 114 leitet normalerweise nicht. Wenn es jedoch am Gitter 115 angesteuert wird, wird es leitend und schaltet dadurch die Impulsquelle 101 ein. Das Steuersignal für das Thyratron wird von einem üblichen spannungsempfindlichen Impulsgeber 117 geliefert, der mit einem Kondensator 118 zweier hintereinander geschalteter Kondensatoren 118, 119 verbunden ist, die dem Funkenstreckenschalter 100 parallel gelegt sind. Unter normalen Verhältnissen steuert der spannungsempfindliche Impulsgeber 117 dann das Thyratron 114 an. wenn der Spannungsabfall an dem Kondensator 118 einer vorgegebenen Wert erreicht Wenn dagegen dei Hauptunterbrecher 25 geöffnet wird, wird der span nungsempfindliche Impulsgeber 117 umgeschaltet (bei spielsweise durch Einschalten eines Widerstandes mi Hilfe des Schalters 75, der vom bewegbaren Kontakt 21 des Hauptunterbrechers 25 getätigt wird), so daß de Impulsgeber 117 bereits bei einer wesentlich niedrige ren Spannung am Kondensator 118 einen Impuls abgibt

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

18 OO

Patentansprüche:

1 .Anordnung zur Unterbrechung von Strömen bei hohen Gleichspannungen, mit einem Stromunterbrecher, dessen normalerweise geschlossene Kon- S takte in Serie mit einer Last geschaltet sind, mit einem Kommutierungskreis aus einem Kommutierungskondensator in Serie mit einem normalerweise offenen Schalter, welcher Kommutierungskreis dem Stromunterbrecher parallel geschaltet ist, und mit Mitteln zum öffnen des normalerweise geschlossenen Stromunterbrechers, wodurch ein Lichtbogen zwischen dessen Kontakten entsteht, dadurch gekennzeichnet, daß ein Stromz'veig zur Bf grenzung der Gegenspannung an den Kontakten des Stromunterbrechers (25) vorgesehen ist, die entwickelt wird, wenn der Lichtbogenstrom zwischen den geöffneten Kontakten des Stromunterbrechers durch den Kommutierungstrom auf Null heruntergedrückt wird, der einen normalerweise nichtleitenden Funkenstreckenschalter (100) und einen Widerstand (102) aufweist und netzseitig vor dem Stromunterbrecher und dem Stromrückleiter liegt daß dieser normalerweise nichtleitende Funkenstreckenschalter (100) in der Nähe des Nulldurthgangs des Lichtbogenstroms zwischen den Kontakten des Stromunterbrechers gezündet wird, so daß ein Strom direkt aus dem Netz durch den Funkenstreckenschalter (100) und den Widerstand (102) fließt und daß Mitte! (200, 107) vorgesehen sind, durch die der Kommutierungskondensator (35) dem Funkenstreckenschalter (100) parallel schaltbar ist, so daß auch in dem Funkenstreckenschalter (100) ein Stromnulldurchgang erzwungen wird.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der normalerweise nichtleitende Funkenstreckenschalter (100) in dem Stromzweig zur Begrenzung der Gegenspannung unmittelbar nach dem Nulldurchgang des Lichtbogenstromes zwischen den Kontakten des Stromunterbrechers (25) gezündet wird.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand (102) im Stromzweig zur Begrenzung der Gegenspannung ein nichtlinearer Widerstand mit einer negativen Widerstands-Strom-Kennlinie ist.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der normalerweise nichtleitende Funkenstreckenschalter (100) ein steuerbarer Vakuumfunkenstreckenschalter ist.

5. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel, mit denen der Kommutierungskondensator (35) dem Funkenstreckenschalter (100) parallel schaltbar ist, einen steuerbaren Funkenstreckenschalter (200) aufweisen, der zwisehen dem Kondensator (35) und dem Verbindungspunkt zwischen dem ersten Funkenstreckenschalter (100) und dem Widerstand (102) liegt.

6. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wert des nichtlinearen Widerstandes (102) im Stromzweig zur Begrenzung der Gegenspannung so gewählt ist, daß der von den höchsten auftretenden Strömen hervorgerufene Spannungabfall niedriger als das 2,5fache der Netzspannung ist. 6s

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Stromzweig zur Begrenzung der Überspannung an den Kontakten des Stromunterbrechers vorgesehen ist der lastseitig angeordnet ist und einen weiteren Funkenstreckenschalter (300) und einen nichtlinearen Widerstand (302) aufweist, daß dieser Funkenstreckenschalter (300) unmittelbar nach dem Nulldurchgang des Uchtbogenstroms zwischen den Kontakten des Stromunterbrechers gezündet wird und daß der nichtlineare Widerstand (302) so gewählt ist daß der höchste an ihm auftretende Spannungsabfall niedriger als die Netzspannung ist

8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet daß die Durchschlagsspannung des Funkenstreckenschalters (100) im ersten Stromzweig zur Begrenzung der Gegenspannung bei geschlossenen Kontakten des Stromunterbrechers niedriger als die Durchschlagsspannung des im zweiten, lastseitig angeordneten Stromzweig zur Begrenzung der Gegenspannung liegenden Funkenstreckenschalters (300) ist