DE2038624A1 - Verfahren und Anordnungen zur Strombegrenzenden Unterbrechung von Gleich- und Wechselstroemen hoher Spannung - Google Patents

Description

Professor Dr.-Ing. Dieter Kin d, 33 Braunschweig, Pockelstraße 4 ·

Km/bu K 002

31. Juli 1970

"Verfahren und Anordnungen zur strömtegrenzenden Unterbrechung von Gleich- und Wechselströmen hoher Spannung"

Die Erfindung befaßt sich mit einem Verfahren und mit Anordnungen zur strombegrenzenden Unterbrechung von Gleich- und Wechselströmen bei hohen Spannungen, bei dem dem abzuschaltenden Strom in einem Schalter (Kommutierungsschalter) aus einem Kondensator ein Entladestrom von solcher Größe entgegengeschaltet Wird, daß er gezwungen wird, auf einen Parallelweg mit hohem Widerstand zu kommutieren, wodurch er bis auf einen Seststromwert, verringert wird, der von einem nachgeschalteten Stromunterbrecher ausgeschaltet wird.

Bei einer strombegrenzenden Ausschaltung sowohl im Gleichstrom- alg. auch im Wechselstromnetz muß das Schaltgerät nach dem Auslösen eine Schalterspannung erzeugen, die größer ist als die treibende Spannung im Kreis, und es muß die während des Schaltvorganges vom Netz gelieferte Energie (einschließlich der in den Netzinduktivitäten gespeicherten Energie) aufnehmen* Diese beide» Anforderungen können in bestimmten Grenzen von Schaltern mit einer intensiven Kühlung des Lichtbogens erfüllt

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Bekannterweise kann ein Schalter auch stark entlastet werden, wenn zur Spannungserzeugung und zur Energieumsetzung Nebenwege verwendet werden. Hierzu dient z.B. die Parallelschaltung von einem Kondensator und einem Energieabsorber zum Kommutierungsschalter, wobei der Kondensator vorgeladen oder nicht vorgeladen sein kann. Der Strom wird nach der Kommutierung auf den Energieabsorber so stark herabgesetzt, daß er von einem Reststromschalter abgeschaltet werden kann. Durch geeignete Dimensionierung der Schaltung kann bei bestimmter Höhe der Vorladung des Kondensators für einen festen Strom leichter eine Kommutierung des Stromes in den Kommutierungshilfskreis und anschließend in den Absorberkreis erfolgen als ohne Vorladung des Kondensators. Nachteilig an diesem Verfahren ist, daß eine Vorladung des Kondensators eine zusätzliche Energieversorgung erfordert und die Schaltung nur für einen Stromwert optimal ausgelegt ist.

Eine weitgehende Verbesserung in dieser Hinsicht ergibt sich, wenn erfindungsgemäß der Strom im Kommutierungsschalter durch Mittel, die auf die Kondensatorvorladung und den Entladestromverlauf einwirken, so beeinflußt wird, daß dem Schalter während der Kommutierungsphase genügend Zeit gelassen wird, seinen Lichtbogenwiderstand so weit zu erhöhen, daß der Strom in den Parallelpfad aus Kondensator bzw. Energieabsorber kommutiert wird und der Strom auch nicht wieder in den Schalter zurückkommutieren kann.

Zur näheren Erläuterung der Erfindung sind in der Zeichnung Schaltanordnungen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt.

Fig, 1 zeigt das Prinzip einer Schaltanordnung mit Kommutierungseinrichtung ,

Fig. 2 ein Strom-Zeitdiagramm,

Fig. 3 eine Schaltanordnung mit strom- und spannungsabhängiger Aufladung eines Kommutierungskondensators,

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FIg. ^a eine Konmiutierungsschaltung mit stromabhängig er Aufladung eines Kommutierungskondensators über Ladewiderstände,

Fig. 4b gibt das dazugehörige Spannungs-Zeitdiagramm wieder,

Fig. 5- zeigt eine Schaltanordnung, die nach dem gleichen Prinzip arbeitet wie Fig. 4ain einer Verdoppelungsschaltung,

Fig. 6 eine Schaltanordnung in Vervielfacherschaltung,

Fig. 7 zeigt eine weitere Kommutierungsschaltung in einer Kaskadenform.

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In Fig. Λ bezeichnet L die Netzinduktivität, S den Kommutierungs schalt er, S„ einen Reststromschalter. Parallel zum Kommutierungsschalter S liegen der Kommutierungshilfskreis mit dem Hilfsschalter HS, dem Kondensator C und der Streuinduktivität L sowie der Absorberkreis, der einen ohmschen Widerstand R oder einen spannungsabhängigen Widerstand R(i) oder eine Induktivität L. enthält. Die Netzspannung u treibt einen Strom i über diesen Kreis, der zunächst nur als Schalterstrom i über den Kommutierungsschalter S und den Reststromschalter S-n fließt. Der Kondensator G sei durch eine Fremdstromquelle voraufgeladen. Beim öffnen des Schalters S und Schließen des Schalters HS fließt aus dem Kondensator C über die Streuinduktivität L dem Strom i ein Kondensator-

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strom i entgegen, der den Strom i je nail seiner Größe mehr c s -

oder weniger herabsetzt und dadurch eine Kommutierung des Stromes i auf dem Absorberkreis hervorruft. Der durch die Widerstände in diesem Kreis geschwächte Strom wird dann durch den Reststromschalter S„ endgültig unterbrochen»

Diese Kommutierung des Netzstromes i auf den Absorberkreis erfolgt umso einfacher, je mehr Zeit dem Schalters für diesen Vorgang zur Verfügung steht. In Fig. 2 ist der zeitliche Verlauf des Schalterstromes i für zwei verschieden große ITetzströme I^ und I₂ bei unterschiedlicher Kondensatorvorladung Q dargestellt. Für die Verläufe 1 und 3 ist der

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Kondensator mit der gleichen Ladung Q., für den Verlauf 2 mit einer Ladung Q₀, die geringer ist als Q., vorgeladen. Bei den Kurven 1 und 3 sind die Vorladungen gerade so gewählt, daß beim ϊ-linimum der Stromkurven gerade die Nullinie berührt wird. Bei einem solchen Nullwerde¹' des Stromes steht dem Schalter S mehr Zeit für die Kommutierung auf die Parallelwege zur Verfügung, und die Möglichkeit einer erfolgreichen Kommutierung ist damit sehr viel größer als im Fall der Kurve 3, bei der der Strom i mit groß'--!? Steilheit lie Nulllinie schneidet. Der für eine Kommutierung günstige Stromverlauf i , wie er beispielsweise in Fig. 2 Kurve 1 oder 2 s

dargestellt wird, ist bei konstanter Kondensatorvorladung nur für einen bestimmten Stromwert zu erzielen.

Daher sieht die Erfindung eine stromabhängige Aufladung des Kommutierungskondensators C vor, wie es in Fig. 3 gezeigt ist. Hier wird in Abhängigkeit von der an dem Schalter S auftretenden Lichtbogenspannung u-, und auch in Abhängigkeit von dem Schalterstrom selbst mit Hilfe des Widerstandes R™ die Energie zur Aufladung des Kondensators C erst während des Schaltvorganges vom Schaltlichtbogen aufgebracht. Die beiden zur Aufladung des Kondensators G herangezogenen Größen werden in einem Vorladegerät A zusammengefaßt und dienen hier zur Erzeugung eines Ladestromes i = f (u-., i ). Zusätzlich ist noch in Reihe zur Streuinduktivität L eine

Zusatzinduktivität L , die auch stromabhängig sein kann,

oder ein ohmscher Widerstand Rr₇ in den Kommutierungskreis geschaltet. Durch diese Elemente kann die Frequenz des Schwingstromes verringert werden, und Vv. der Nähe des Nullwerdens des Stromes i erhält i einen so flachen Verlauf.

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daß dem Schalter ausreichend Zeit zixr Kommutierung gegeben wird. Der mit der angegebenen Polarität aufgeladene Kondensator C schickt nach Schließen des Schalters US den Schwingstrom i über den Schalter S dem Strom i entgegen. Die Kondensatorvorladung und die Schaltelemente C, L^, L₀ bzw. R₀ sind so dimensioniert, daß der Schalterstrom (L^) in der Nähe des Nullwerdens einen flachen Verlauf erhält, entsprechend der Kurve 2 in Fig. 2, und der Strom i. in dip Parallelschaltung zum Schalter kommutieren kann.

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Die Aufladung des Kondensators G kann auch in einer Schaltanordnung erfolgen, wie sie in Fig. 4-a dargestellt ist, Hier wird die Lichtbogenspannung u, am Schalter S über Lade-' widerstände Rj- polaritätsgerecht an den Kondensator C gelegt. Zur Einschaltung des Kommutierungskreises dienen Funkenstrecken FS. Die Wirkungsweise dieser Schaltung ist derart, daß beim offen des Schalters S eine LichtbOgenspannung u, entsteht, die in diesem Falle an einem Schalter mit Lichtbogenkühlung erzeugt wird.

Durch geeignete Wahl der Ladezeitkonstante T= 2_pR . G ist

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es möglich, den Kondensator C bis zum Erreichen der Ansprechspannung U der Zündfunkenstrecken F„ zur Zeit t = t . bei einem kleinen Strom I/x*/eniger vorzuladen als bei einem großen Strom Ip, wie dies aus Fig. 4b anhand der Kennlinie 1 und der Kennlinie 2 ersichtlich ist. .

Bei Schaltern mit sehr niedriger Lichtbogenspannung oder zur besseren Ausnutzung der Spannungsbeanspruchung der Kommutierung skapa ζ i tat kann eine Spannungsverdoppelungsschaltung, wie sie in Fig. 5 gezeigt ist, verwendet werden. Hier werden Teile des Kommutierungskondensators G während des Beginns des Schaltvorganges parallel von der Lichtbogenspannung u, aufgeladen und beim Durchzünden der Funkenstrecken Fg in Reihe über den Schalter S entladen. Auf diese Weise kann der Kondensator G bei sonst gleichen Daten gegenüber der einfachen Yorladeschaltung nach Fig. 4-a mit einer vierfachen Energie vorgeladen werden.

Eine n-fache Vervielfachung der Ladespannung ist mit der Schaltanordnung nach Fig. 6 möglich. Damit alle η Ladekreise die gleiche Zeitkonstante haben; .

T₁ - const * η Ö -Ca^₂₁ _ ^ + R

1 Ιιν eil — I) hdl.) J 1 — I , ei, O · · · ·H

Z.B. T, = η G (Rtc + ^TA)

und außerdem nach der Kommutierung des Stromes auf den Absorberkreis R(i) oder L die feilkondensatoren n G mit gleich großen Spannungen (i*q4 ' ^β const) beansprucht werden, müssen die L^tdewiderstMnde R_x. wie folgt dimensioniert werden:

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R _ R ·

S* 6 Cl/

Bestehen alle Widerstände Rj. aus der Reihenschaltung der u t -u Grundeinheit Rj/n, dann sind die Spannungsbeanspruchung und die Verlustleistung bezogen auf die Längeneinheit für alle Widerstände gleich. Der Ladewiderstand Rj und damitT sind außerdem so zu dimensionieren, daß die Kondensatoren nC in den wenigen ms vor dem Kommutierungsvorgang genügend aufgeladen werden, nach der Kommutierung aber die Parallelschaltung der Ladewiderstände hochohmig ist gegenüber dem Absorberwiderstand. Bei Verwendung geeigneter Funkenstrecken FS.( sie müssen einen Strom von einigen 100 A über einige 10 ms führen können) können die Ladewiderstände gleichzeitig als Energieabsorber dimensioniert werden.

Eine weitere Schaltanordnung zur stromabhängigen Vorladung einer Kommutierungskapazität ist in Fig. 7 angegeben. Hier liegt ein Kondensator Gy, mit großer Kapazität, aber kleiner Nennspannung parallel zu einem Kommutierungsschalter S^. C_x, wird vom Netzstrom aufgeladen und im Anschluß an diesen Vorgang auf einen zweiten Kondensator C₂ mit kleiner Kapazität, aber hoher Nennspannung entladen. Wenn der Schalter S_x, öffnet, erzeugt er eine Lichtbogenspannung. Die Kapazität des Kondensators G. ist so groß, daß nach dem Zuschalten des Hilfsschalters HS_x, eine sichere Kommutierung auf G_x, erfolgt. Der Kondensator Gy. wird nun vom Net ζ strom I aufgeladen. Ist der Hilfsschalter HSp eine Funkenstrecke, so erfolgt die Aufladung unabhängig von der Größe vom Netzstrom I bis zu einer festen Spannung. Wenn HS₂ ein Hilfsschalter ist, der nach einer konstanten Zeit ^t nach Auslösen von HS_x, einschaltet, dann erfolgt eine Vorladung von G_x,, die wegenAt = const proportional der Größe des Stromes I ist (Uq_x, = (1/C_xJ)At).

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mit 0 = 1, 5,- 5,·.., (2n - 1)

mit lc = 2, 4,6, ... , 2 η

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Die Schaltung ist so "bemessen, daß CL nur auf einige kV aufgeladen wird und sich dann nach Schließen von HSp in der angegebenen Richtung über den Kreis Cp-L - Sp mit dem Schwingstrom i entlädt und im Schalter S₀ einen Stromnulldurchgang erzeugt, der eine Kommutierung des Netzstromes auf den Absorberkreis R, Ri bzw. L ermöglicht. Nach Löschen von S- und Zuschalten von HSp verhält sich die Schaltung (wegen CL >> Cp) näherungsweise so, als würde der vorgeladene Kondensator Cp (gleiche Ladung wie in C_x,) über Sp entladen.

Die gezeigten Schaltanordnungen können auch wechselseitig ^ mit den Mitteln versehen werden, durch die zusätzlich eine Beeinflussung der Stromkurve eintritt, wenn diese Mittel in der betreffenden Schaltanordnung an sich nicht vorgesehen sind.

7 Seiten Beschreibung
12 Patentansprüche
3 Seiten Zeichnung

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Claims (12)

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   Patentansprüche

   . Verfahren zur strombegrenzenden Unterbrechung von G-leich- und Wechselströmen hoher Spannung, bei dem dem abzuschaltenden Strom in einem Schalter (Kommutierungsschalter) aus einem Kondensator ein Entladestrom von solcher Größe entgegengeschaltet wird, daß er gezwungen wird, auf einen Parallelweg mit hohem Widerstand zu kommutleren, wodurch er bis auf einen Reststromwert verringert wird, der von einem nachgeschalteten Stromunterbrecher ausgeschaltet wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Strom im Kommutierungsschalter durch Mittel, die auf die Kondensatorvorladung und den Entladestromverlauf einwirken, so beeinflußt wird, daß dem Schalter während der Kommutierungsphase genügend Zeit gelassen wird, seinen Lichtbogenwiderstand so weit zu erhöhen, daß der Strom in den Parallelpfad (C) bzw. (R, R(i),L) kommutiert wird und der Strom auch nicht wieder in den Schalter zurückkommutieren kann.
2. 2. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruchs, dadurch gekennzeichnet, daß im Kommutierungskreis in Reihe . mit dem Kondensator (C) oder in Reihe mit dem Schalter (S) eine Zusatzinduktivität (IO oder (L„(i)) liegt, die so ausgelegt ist, daß sie den Kommutierungsvorgang so weit verzögert, wie das für das Ansteigen des Lichtbogenwiderstandes erforderlich ist (Fig. 3)·

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3. 3. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, durch die die Aufladung des Kondensators (C) "bzw. die Aufladung des Kommutierungskondensators (C.) erst während des Schaltvorganges selbst erfolgt (Fig. 3-6 bzw. Fig. 7)·
4. 4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, die bewirken, daß die Aufladung der Kondensatoren entweder durch die Lichtbogenspannung oder durch den abzuschaltenden Strom erfolgt (Fig. 3-6 bzw.Fig.7;
5. 5· Anordnung nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel eine Aufladung der Kommutierungskondensatoren zusätzlich auch in Abhängigkeit von der Stärke des abzuschaltenden Stromes bewirken (Fig.3-7)·
6. 6. Anordnung nach Anspruch 3-5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Aufladung der Kondensatoren eine Verstärkerschaltung mit der Ausgangsgröße i = f (i, α, ) vorgesehen ist (Fig.3).
7. 7. Anordnung nach Anspruch 3-5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Aufladung der Kondensatoren eine Vorladungsschaltung nach Fig. 4 vorgesehen ist.
8. 8. Anordnung nach Anspruch 3-5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Aufladung der Kondensatoren eine Spannungsvervielfachung sschaltung nach Fig. 5,6 vorgesehen ist.
9. 9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß alle η Ladekreise der Vervielfachungsschaltung nach Fig. 6 eine gleiche Zeitkonstante haben und nach der Kommutierung des Stromes auf den Parallelzweig (R, R (i) oder L) die Teilkondensatoren mit gleich großen Spannungen beansprucht werden.

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10. 10. Anordnung nach Anspruch 7, 8> dadurch gekennzeichnet, daß die Ladezeitkonstanten der Anordnungen nach Fig. 4- - 6 so dimensioniert sind, daß die Kondensatoren vor der Kommutierung während der Brenndauer des Lichtbogens in wenigen ms genügend aufgeladen sind.
11. 11. Anordnung nach Anspruch 7> 8, dadurch gekennzeichnet, daß "bei Verwendung von Funkenstrecken (FS) mit zulässiger · Stromführung von einigen 100 A bis 1000 A über einige 10 ms die Ladewiderstände gleichzeitig als Energieabsorber dimensioniert sind.
12. 12. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Koinmutierungsschalter (d und Sp) in Reihe liegen und der erste Schalter (S_x,) von einem Kondensator (CL) großer Kapazität, aber geringer Spannungsfestigkeit überbrückt ist.und daß zu der Reihenschaltung der beiden Schalter (S. und Sp) ein zweiter Kondensator (Cp) kleiner Kapazität, aber hoher Spannungsfestigkeit liegt, über den nach dem Erlöschen des Lichtbogens im ersten Schalter (S ) ein Schwingstrom (ic) fließt, der im zweiten Schalter (Sp) Stromnulldurchgänge bewirkt, die eine Kommutierung des abzuschaltenden Stromes auf dem Kebenweg mit dem hohen Widerstand (R, Ri, L) ermöglichen (Fig. 7). -

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