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EP1480241B1 - Verfahren zur Abschaltung von Gleichströmen und Gleichstrom-Schnellschalteinrichtung für Bahnstromversorgungen - Google Patents

Verfahren zur Abschaltung von Gleichströmen und Gleichstrom-Schnellschalteinrichtung für Bahnstromversorgungen Download PDF

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Publication number
EP1480241B1
EP1480241B1 EP03090155A EP03090155A EP1480241B1 EP 1480241 B1 EP1480241 B1 EP 1480241B1 EP 03090155 A EP03090155 A EP 03090155A EP 03090155 A EP03090155 A EP 03090155A EP 1480241 B1 EP1480241 B1 EP 1480241B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
current
quenching
switching
time
switching device
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
EP03090155A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP1480241A1 (de
Inventor
Jürgen Kunhardt von Schmidt
Ulrich Kahnt
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Elpro BahnstromAnlagen GmbH
Original Assignee
Elpro BahnstromAnlagen GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Elpro BahnstromAnlagen GmbH filed Critical Elpro BahnstromAnlagen GmbH
Priority to EP03090155A priority Critical patent/EP1480241B1/de
Priority to DE50302112T priority patent/DE50302112D1/de
Priority to AT03090155T priority patent/ATE315274T1/de
Publication of EP1480241A1 publication Critical patent/EP1480241A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1480241B1 publication Critical patent/EP1480241B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H33/00—High-tension or heavy-current switches with arc-extinguishing or arc-preventing means
    • H01H33/02—Details
    • H01H33/59—Circuit arrangements not adapted to a particular application of the switch and not otherwise provided for, e.g. for ensuring operation of the switch at a predetermined point in the AC cycle
    • H01H33/596—Circuit arrangements not adapted to a particular application of the switch and not otherwise provided for, e.g. for ensuring operation of the switch at a predetermined point in the AC cycle for interrupting DC
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H9/00—Details of switching devices, not covered by groups H01H1/00 - H01H7/00
    • H01H9/54—Circuit arrangements not adapted to a particular application of the switching device and for which no provision exists elsewhere
    • H01H9/541—Contacts shunted by semiconductor devices
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H9/00—Details of switching devices, not covered by groups H01H1/00 - H01H7/00
    • H01H9/54—Circuit arrangements not adapted to a particular application of the switching device and for which no provision exists elsewhere
    • H01H9/56—Circuit arrangements not adapted to a particular application of the switching device and for which no provision exists elsewhere for ensuring operation of the switch at a predetermined point in the AC cycle

Definitions

  • the invention relates to a DC rapid switching device for traction power supplies using a vacuum switch and an extinguishing circuit and a method for switching off a direct current in a rectifier substation.
  • a thyristor in the Kommut réelleszweig is ignited at the same time as the opening command for the vacuum switch, so that the current to be switched from the load circuit commutated in the Kommut réelleszweig and is then completely interrupted by deleting the thyristors.
  • the main disadvantages of this device are that only currents can be switched in one direction and that the switching path is formed exclusively by semiconductors.
  • the object is to provide a DC rapid switching device for traction power supplies and a method that ensures a reliable and rapid shutdown of the operating current or short-circuit currents but also reverse currents while galvanic isolation of the distance from the busbar of the rectifier substation, the components are not exposed to high dynamic requirements, so that the device with low-cost components can be realized.
  • the DC rapid switching device for traction power supplies is characterized by the features of claim 1, wherein between the track and the busbar of the rectifier substation, a switching device is arranged. Parallel to this switching device, an erase circuit is arranged, which consists of a Löschkondenstor, which is connected in series with a switching unit consisting of two antiparallel arranged thyristors. To the switching device also a test branch is arranged in parallel. The test branch consists of a series connection of a test thyristor, a current measuring element and a test resistor.
  • the DC rapid switching device also has a freewheeling circuit, each having a branch for each current direction, from the busbar to the return conductor or from the line to the return conductor, in each of which two freewheeling diodes, which are connected in series, are arranged.
  • a freewheeling diode in each branch of the freewheeling circuit is arranged in parallel a fuse with message.
  • the Dimensioning of the freewheeling diode and the fuse is chosen so that only a small portion of the freewheeling current flows through the respective fuse, while most of the freewheeling current flows through the freewheeling diode arranged in parallel to the fuse.
  • a control module which is known per se but is specially programmed in accordance with the method steps is provided.
  • the acquired measured values are processed by a conventional control module which outputs the corresponding control commands to the switching device and the quenching thyristors on this basis.
  • the opening process of the switching device is initiated automatically depending on the set limits and taking into account the dimensioning of the cancellation circuit, in particular the capacity of the quenching capacitor, the time-optimized control of the quenching thyristors.
  • the route test is also carried out by the control module, by calculating the current output voltage of the track resistance and the connection of the track is only possible with sufficiently large line resistance.
  • the fuse monitoring of the fuses of the freewheeling circuit is carried out by the control module, which also monitors other safety-related variables, such as the charging voltage of the quenching capacitor.
  • the quick-switching device has the advantage that it can be realized with inexpensive components, in particular thyristors and capacitors, since no high demands are placed on the switching speed and the dynamic properties. Another advantage is that with this quick-switching device, the galvanic isolation path is not bridged by semiconductor devices which could take over an unintentional power supply as a result of lightning surges. Thus, this arrangement always ensures plant safety. Since an arc is formed at the beginning of the switch-off between the switching contacts of the switching device, the switching resistance of the vacuum interrupter chamber is constantly regenerated. The freewheeling circuit designed according to the invention always ensures that the freewheeling function is maintained even if the freewheeling diode fails due to high voltage load (eg lightning strike) and at the same time the defect is displayed.
  • high voltage load eg lightning strike
  • the shutdown is initiated by a switching command to open the metallic contact of the switching device, which is preferably a vacuum switch. This forms an arc in the vacuum interrupter chamber over the contact gap.
  • An extinguishing capacitor arranged parallel to the switching path is constantly charged between the discharging processes in order to ensure that the quick-switching device is ready for operation.
  • the discharge unit of the quenching capacitor is initiated by the switching unit, whereby the quenching capacitor discharges via the switching path of the switching device.
  • the discharge capacitor is discharged in the form of a "swinging" alternating current / oscillating process, this current being superimposed on the direct current flowing over the switching path.
  • the quenching / Umschwingstrom will have such a profile and a size that by the superimposition of the operating current (from the busbar) and the quenching / Umschwingstromes (from the capacitor), the resulting Current, the switch current flowing through the switching path, reaches the value "zero" at a certain time.
  • the defined time at which the first quenching thyristor is ignited taking into account the mechanical switching times of the switching device and depending on the current to be switched so chosen that the "zero value" of the resulting switch current occurs at a time at which the dielectric strength of the switching path in Switching device is guaranteed. So that the system load is kept as low as possible, the "zero value" of the resulting current but should occur at the earliest possible time, ie immediately or as soon as possible after the switching path has reached the dielectric strength.
  • the quenching capacitor is charged before each discharging so that with ignition of the first quenching thyristor, the quenching current of the quenching capacitor flows against the preferred direction of the operating current over the switching path during the first swing, so that when switching forward currents already at the first Umschwingvorgang a "zero value" of the resulting switch current over the switching path occurs.
  • the ignition pulse for the first quenching thyristor is in each case offset in time, depending on the time course of Umschwingvorganges the extinguishing current before the extinguishing current reaches the value of "zero" at the end of the first charge, the ignition pulse for the second quenching thyristor.
  • the second charge transfer of the quenching capacitor, now reversed current direction, initiated, if at this time not already switching the operating current is switched off.
  • the shutdown is triggered automatically when reaching a set limit of the operating current.
  • Fig. 1 shows the basic circuit arrangement for the quick-switching device, being used as a switching device, a vacuum switch VS.
  • the quick-switching device is connected via a two-pole circuit breaker SBT on the one hand to the busbar SS of the traction power supply and on the other hand to the line ST .
  • the track is galvanically isolated from the busbar by means of the two-pole SBT disconnector.
  • the vacuum switch VS is arranged between the busbar SS of the traction power supply and the line ST and serves, on the one hand, to carry operating currents, load or short-circuit currents in both current directions and, on the other hand, to rapidly produce a galvanic isolating path.
  • the drive of the vacuum switch VS takes place by means of an electromagnetic drive:
  • a current detection element T is arranged, which detects the operating and fault currents.
  • This erase circuit consists of an erase capacitor LK, two with this in series antiparallel arranged quenching thyristors LT1, LT2 and a series-connected inductance L.
  • a test circuit is also arranged in parallel to the vacuum switch VS , which checks before the reconnection of the route this to its current state.
  • the test circuit consists of a series connection of a test thyristor Vp, a current measuring element Tp and a test resistor PW. For testing the test thyristor Vp is ignited and detected with the current measuring element Tp of the current flowing through the test resistor PW current.
  • the quick-switching device is completed by a freewheeling circuit FK, which has two branches, one of which is arranged between the busbar SS of the traction power supply and the return conductor RL and the other between the route ST and the return conductor RL .
  • the freewheeling circuit FK ensures that after the production of the galvanic isolating distance in the vacuum switch VS, the energy present in the inductances of the line is quickly reduced by freewheeling currents I F.
  • This freewheeling circuit FK is constructed in such a way that two freewheeling diodes FD1, FD2 and FD3, FD4 connected in series are arranged for each branch, from the busbar SS to the return conductor RL or from the line ST to the return conductor RL .
  • a fuse Si1, Si2 with a message is arranged.
  • the fuse Si1, Si2 is dimensioned so that the voltage drop across the parallel freewheeling diode FD1, FD4 even at maximum freewheeling current I F does not exceed the voltage drop of the fuse at twice the rated current. This ensures that normally only about 0.1% to 1% of the freewheeling current I F flows via the respective fuse Si1 or Si2 . Most of the freewheeling current I F always flows through the freewheeling diode FD1 or FD4.
  • the control module SG processes the detected measured values and outputs the corresponding control commands to the vacuum switch VS and the quenching thyristors LT1, LT2 .
  • the opening process of the vacuum switch VS is automatically initiated in accordance with the set limit values.
  • the dimensioning of the extinguishing circuit in particular the capacity of the extinguishing capacitor LK. and the inductance L, there is the time-optimized control of the quenching thyristors LT1, LT2.
  • the control module SG also carries out the route check, in which the travel resistance is calculated taking into account the current outgoing voltage.
  • a connection of the route ST is only possible if the track resistance determined during the route test is greater than the specified limit value.
  • the fuse monitoring of the fuses Si1, Si2 of the freewheeling circuit FK is also performed by the control module SG, which also monitors other safety-related variables, such as the charging voltage of the quenching capacitor LK .
  • Fig. 1 will be described closer to three typical / critical operating conditions.
  • the current curves are gem. of Fig. 2 to Fig. 4 used.
  • a first example is selected in which a occurring short-circuit current I K is to be switched off in the preferred direction, ie a short circuit on the line ST is fed by the traction power supply via the busbar SS .
  • the rising short-circuit current I K is detected by the current detection element T in the current path of the vacuum switch VS.
  • the switch-off command for the vacuum switch VS is given at time t 1 and the drive begins to open the contacts of the vacuum switch VS after about 0.3 ms at time t 2 .
  • the contact opening runs evenly over the contact path KW , the maximum contact distance is 2 mm.
  • the short-circuit current I K continues to flow via the switching arc that forms when the contact is lifted within the vacuum chamber.
  • the flowing current has to assume the value "zero", since the vacuum switch used is not able to switch off a flowing short-circuit current.
  • the control command for igniting the quenching thyristor LT1 added. This stored in the turn-off capacitor LK energy is released, it flows erase current I L from the quenching capacitor LK via the switching path of the vacuum switch VS counter to the current direction of the short-circuit current I K.
  • the extinguishing current I L in the form of a swinging alternating current. Due to the selected scale, not the entire course of the extinguishing current I L is shown in FIG. 2, but only the detail which is relevant for extinguishing the arc.
  • the two currents, the short-circuit current I K and the extinguishing current I L are superimposed in the current path of the vacuum switch VS and thus over the switching path to the resulting switch current I S.
  • the two currents, the short-circuit current I K and the extinguishing current I L each have such a value, so that the resulting switch current I S reaches the value "zero".
  • the erasing current I L from the quenching capacitor LK also continues to flow via the switching path of the vacuum switch VS counter to the current direction of the short-circuit current I K. Since the erasing current I L corresponds to a sine half-wave, the resulting switch current I S at time t 5 for the second time the value "zero". At this point, the arc over the contact gap of the vacuum switch VS extinguishes (the contact distance is now approx. 1 mm), since the required dielectric strength now exists, no arc can be re-ignited. Thus, the short-circuit current I K is finally turned off. The energy still present in the route network is reduced by a flowing freewheeling current I F via the corresponding branch of the freewheeling circuit FK, the freewheeling diodes FD3, FD4 in the direction of the return conductor RL .
  • the extinguishing current I L and thus also the resulting switch current I S can be determined as a function of the ignition time t 3 of the extinguishing capacitor LK for each short-circuit current I K to be switched.
  • the defined time t 3 for firing the quenching thyristor LT1 is selected so that the maximum of the oscillating quenching current I L in each case is greater than the current flowing at this time short-circuit current I K. This ensures that the resulting switch current I S has twice the value "zero".
  • the switching path has the required dielectric strength. Since the two "zero values" of the switch current I S at t 4 and t 5 have a time interval of a maximum of 0.6 ms, the system load by switching off the short-circuit current I K is certainly responsible for the second "zero value".
  • a small operating current I B is to be switched off.
  • I B When shutting off small currents, there is the possibility that the arc in the opening contact tears off automatically before the initiation of the deletion process. This could lead to a high voltage load of the system by the inductors located in the circuit, in addition then would be pending with ignition of the quenching thyristor LT1 on the separation line, the capacitor voltage. This would be applied over the distance to the transfer of the quenching capacitor LK over the line ST in the amount of addition of busbar voltage and capacitor voltage corresponding voltage.
  • the ignition pulse for igniting the quenching thyristor LT1 at time t 3 is given before the time t 2 , the beginning of the contact opening, so that no galvanic isolation gap in the vacuum switch VS can arise.
  • a defined transhipment of the quenching capacitor LK on the still closed contact path or the forming arc between the contacts of the vacuum switch VS and the overvoltage is avoided.
  • the switch-off command for the vacuum switch VS is given at time t 1 and the drive begins to open the contacts of the vacuum switch VS at time t 2 , wherein the extinguishing current I L from the quenching capacitor LK already flows.
  • the extinguishing current I L from the quenching capacitor LK also flows in the opposite direction to the operating current I B through the switching path of the vacuum switch VS.
  • the switching path is still conductive. It follows that the arc only at time t 5 , the dielectric strength of the switching path is now guaranteed, extinguished on reaching the second "zero value" of the switch current I S and the operating current I B is turned off. Now the freewheeling current I F starts to flow.
  • a reverse current I R flowing from the route ST to the busbar SS is to be switched off. Since in this case a current is to be switched off, which flows contrary to the "preferred direction", in this case the quenching thyristor LT1 is again ignited at a different time, whereby a "zero value" of the switch current I S at the earliest possible time to pass the dielectric strength of the switching path is achieved.
  • the ignition pulse at the time t 3 for the quenching thyristor LT1 immediately after the time t 1 the switch-off command for the vacuum switch VS is given. This results in a defined transfer of the quenching capacitor LK on the closed contact of the vacuum switch VS.
  • the extinguishing current I L of the quenching capacitor LK and the return current I R have in the vacuum switch VS for the period between the times t 3 and t 7 , the duration of the first Umschwingvorganges, the same direction of current and add up. Characterized the erasing current I L obtained in the first current rise no "zero" value of the resulting switch current I S.
  • the ignition pulse for the second quenching thyristor LT2 is given, whereby at time t 7, the second charge reversal of the quenching capacitor LK is initiated.
  • the two currents, the extinguishing current I L and the return current I R different current directions, whereby the switch current I S at time t 4 reaches the value "zero".
  • the switching distance of the vacuum switch VS has the required dielectric strength, so that the standing between the contacts of the vacuum switch VS arc is extinguished and the return current is turned off.
  • the freewheeling current I F begins to flow.
  • the three examples described above correspond to typical / critical operating currents that are to be turned off by the DC quick-connect device. According to the dimensioning in particular of the cancellation circuit and the vacuum switch VS used , the times t 1 to t 7 can be predefined in the control unit SG .
  • the freewheeling circuit FK ensures that, after the production of the galvanic isolating path, the energy present in the inductances of the line ST is dissipated by the flowing freewheeling currents I F in one or the other direction.
  • This freewheeling circuit FK is constructed such that it has a branch for each current direction, from the busbar SS to the return conductor RL or from the line ST to the return conductor RL . In each branch, two freewheeling diodes FD1, FD2 and FD3, FD4 are connected in series.
  • a freewheeling diode FD1, FD4 a fuse Si1, Si2 is connected in parallel with message, wherein the largest part of the freewheeling current I F always flows through the freewheeling diode FD1 and FD4 .
  • very high voltage loads such as lightning overvoltages
  • Freewheeling diodes FD2, FD3 claimed.
  • they can lose their blocking ability. Since the two other freewheeling diodes FD1, FD4 are virtually short-circuited by the respective fuse Si1, Si2 , they are not stressed by the overvoltage and remain functional.
  • the failure of the freewheeling diode FD2 or FD3 has a short-circuit current through the fuse Si1 or Si2 result, causing it responds and shuts off this short-circuit current.
  • the freewheeling circuit FK is because of the functional residual freewheeling diodes FD1, FD4 voltage resistant again.
  • the respective fuse Si1 , Si2 reports this state to the control module SG .
  • the freewheeling circuit FK always remains functional.

Landscapes

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  • Dc-Dc Converters (AREA)

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Gleichstrom-Schnellschalteinrichtung für Bahnstromversorgungen unter Verwendung eines Vakuumschalters und eines Löschkreises sowie ein Verfahren zur Abschaltung eines Gleichstromes in einem Gleichrichter-Unterwerk.
  • Zur Gewährleistung eines störungsfreien und sicheren Betriebs elektrischer Bahnen ist es erforderlich, 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 schwer abgeschaltet werden kann, wurden in der Vergangenheit verschiedene Lösungen, die eine Kombination aus einer metallischen Schaltstrecke und einer Halbleiter-Schaltstrecke darstellen, sogenannte Hybridschalter, vorgeschlagen und eingesetzt. Hierbei wird grundsätzlich parallel zur metallischen Schaltstrecke, die vorzugsweise durch einen Vakuumschalter realisiert wurde, eine Kommutierungsstrecke mit Thyristoren angeordnet. Bei diesen Schalteinrichtungen wird zeitgleich mit dem Öffnungsbefehl für den Vakuumschalter ein Thyristor im Kommutierungszweig gezündet, so dass der zu schaltende Strom aus dem Lastkreis in den Kommutierungszweig kommutiert und danach durch Löschen der Thyristoren vollständig unterbrochen wird.
  • Der Nachteil der bekannten Hybridschalter, wie sie in der DE 37 35 009 A1 bzw. in der EP 0 184 566 beschrieben sind, besteht darin, dass der eingesetzte Kondensator zeitgleich, in einem Schaltzustand, sowohl Antriebsals auch Löschkondensator ist und zudem die Kapazität durch die Brückenschaltung (beide Stromrichtungen für den metallischen Kontakt) kurzgeschlossen ist.
  • In der DE 44 47 439 ist ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung für eine Kommutierungs- und Löscheinrichtung eines Schnellunterbrechers beschrieben, bei der zeitgleich mit dem Schaltbefehl für den Schnellunterbrecher Zündimpulse für zwei Schaltthyristoren im Kommutierungszweig ausgelöst werden, wodurch sich der Kondensator über die Antriebsspulen des Schnellunterbrechers entlädt und die Kontaktöffnung bewirkt. Gleichzeitig kommutiert der Strom in den Kommutierungszweig. Zu einem späteren Zeitpunkt werden zwei Ladethyristoren gezündet, wodurch der Kondensator umgeladen wird und die volle Kondensatorspannung die beiden Schaltthyristoren im Kommutierungszweig löscht.
    Der Nachteil dieser Einrichtung besteht insbesondere darin, dass eine Vielzahl von schnellen und hochbelastbaren Bauelementen, insbesondere Thyristoren erforderlich ist, wodurch diese Einrichtung sehr teuer ist.
    Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass bei diesen Einrichtungen zu einer von den Anwendern geforderten galvanischen Trennung der Strecke von der Sammelschiene eine zusätzliche Trennstelle vorgesehen werden musste.
  • Von P.M. McEwan, S.B. Tennakoon wird in "A Two Stage DC Thyristor Circuit Breaker", IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 12, no. 4, July 1997 eine zweistufige elektronische Gleichstromschalteinrichtung beschrieben, bei der über zwei unterschiedliche Kommutierungszweige der Kommutierungskondensator zweimal nacheinander in unterschiedlichen Richtungen auf- und umgeladen wird, wodurch die entstehenden Schaltüberspannungen wesentlich verringert werden können.
  • Die wesentlichen Nachteile dieser Einrichtung bestehen darin, dass nur Ströme in einer Richtung geschaltet werden können und dass die Schaltstrecke ausschließlich durch Halbleiter gebildet wird.
  • Die Aufgabe besteht darin, eine Gleichstrom-Schnellschalteinrichtung für Bahnstromversorgungen und ein Verfahren anzugeben, die eine zuverlässige und schnelle Abschaltung des Betriebsstromes bzw. von Kurzschlußströmen aber auch von Rückwärtsströmen bei gleichzeitiger galvanischer Trennung der Strecke von der Sammelschiene des Gleichrichter-Unterwerks gewährleistet, wobei die Bauelemente keinen hohen dynamischen Anforderungen ausgesetzt sind, so dass die Einrichtung mit preiswerten Bauelementen realisierbar ist.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Gleichstrom-Schnellschalteinrichtung und ein Verfahren mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 und 3 gelöst.
  • Die Gleichstrom-Schnellschalteinrichtung für Bahnstromversorgungen wird charakterisiert durch die Merkmale des Patentanspruchs 1, wobei zwischen der Strecke und der Sammelschiene des Gleichrichter-Unterwerks ein Schaltgerät angeordnet ist. Parallel zu diesem Schaltgerät ist ein Löschkreis angeordnet, der aus einem Löschkondenstor 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 angeordnet. 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.
  • Zur Verarbeitung der ermittelten Betriebswerte und Ausgabe der Steuerbefehle ist eine an sich bekannte aber entsprechend der Verfahrensschritte speziell programmierte Steuerbaugruppe vorgesehen. Die erfassten Messwerte werden durch eine herkömmliche Steuerbaugruppe verarbeitet die auf dieser Grundlage die entsprechenden Steuerbefehle an das Schaltgerät sowie die Löschthyristoren ausgibt. Durch die Auswertung der Größe des Stroms und der Stromanstiegsgeschwindigkeit wird in Abhängigkeit der eingestellten Grenzwerte der Öffnungsvorgang des Schaltgeräts selbsttätig eingeleitet und unter Berücksichtigung der Dimensionierung des Löschkreises, insbesondere der Kapazität des Löschkondensators erfolgt die zeitoptimierte Ansteuerung der Löschthyristoren. Die Streckenprüfung wird ebenfalls durch die Steuerbaugruppe durchgeführt, indem unter Einbeziehung der aktuellen Abgangsspannung der Streckenwiderstandes berechnet wird und die Zuschaltung der Strecke nur bei ausreichend großem Streckenwiderstand möglich ist.
    Auch die Sicherungsüberwachung der Sicherungen des Freilaufkreises erfolgt durch die Steuerbaugruppe, die auch weitere sicherheitsrelevante Größen, wie beispielsweise die Ladespannung des Löschkondensators überwacht.
  • Die erfindungsgemäße Schnellschalteinrichtung hat den Vorteil, dass sie mit preiswerten Bauelementen, insbesondere Thyristoren und Kondensatoren realisiert werden kann, da keine hohen Anforderungen an die Schaltgeschwindigkeit und die dynamischen Eigenschaften gestellt werden. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass mit dieser Schnellschalteinrichtung die galvanische Trennstrecke nicht durch Halbleiterbauelemente überbrückt wird, die infolge von Blitzüberspannungen eine unbeabsichtigte Stromführung übernehmen könnten. Somit gewährleistet diese Anordnung stets die Anlagensicherheit.
    Da bei Beginn des Abschaltvorgangs zwischen den Schaltkontakten des Schaltgerätes ein Lichtbogen ausgebildet wird, wird ständig die Schaltfestigkeit der Vakuumschaltkammer regeneriert.
    Durch den erfindungsgemäß ausgeführten Freilaufkreis ist stets gewährleistet, dass auch bei einer durch hohe Spannungsbelastung (z. B. Blitzschlag) ausgefallenen Freilaufdiode die Freilauffunktion erhalten bleibt und gleichzeitig der Defekt angezeigt wird.
  • Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Abschaltung eines Gleichstromes, bei dem eine Einrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 verwendet wird, wird der Abschaltvorgang durch einen Schaltbefehl zum Öffnen des metallischen Kontakts des Schaltgerätes, das vorzugsweise ein Vakuumschalter ist, eingeleitet. Dabei bildet sich in der Vakuumschaltkammer über der Schaltstrecke ein Lichtbogen aus. Ein parallel zur Schaltstrecke angeordneter Löschkondensator wird zur Gewährleistung der Betriebsbereitschaft der Schnellschalteinrichtung zwischen den Entladevorgängen ständig aufgeladen. Zu einem definierten Zeitpunkt, der zeitlich nach dem Schaltbefehl zum Öffnen des metallischen Kontakts des Schaltgerätes liegt, wird durch die Schalteinheit die Entladung des Löschkondensators eingeleitet, wodurch sich der Löschkondensator über die Schaltstrecke des Schaltgerätes entlädt. Durch die im Löschkreis vorhandenen Induktivitäten erfolgt die Entladung des Löschkondensators in Form eines "schwingenden" Wechselstroms / Umschwingvorganges, wobei sich dieser Strom dem über der Schaltstrecke fließenden Gleichstrom überlagert. Bei einer entsprechenden Dimensionierung des Löschkreises, insbesondere des Löschkondensators, wird der Löschstrom/ Umschwingstrom einen derartigen Verlauf und eine Größe aufweisen, dass durch die Überlagerung des Betriebsstromes (von der Sammelschiene) und des Löschstromes/ Umschwingstromes (vom Kondensator), der resultierende Strom, der über die Schaltstrecke fließende Schalterstrom, zu einem bestimmten Zeitpunkt den Wert "Null" erreicht.
  • Der definierte Zeitpunkt, zu dem der erste Löschthyristor gezündet wird, wird unter Berücksichtigung der mechanischen Schaltzeiten des Schaltgerätes und in Abhängigkeit des zu schaltenden Stromes so gewählt, dass der "Nullwert" des resultierenden Schalterstromes zu einem Zeitpunkt erfolgt, zu dem die Durchschlagsfestigkeit der Schaltstrecke im Schaltgerät gewährleistet ist. Damit die Anlagenbelastung möglichst gering gehalten wird, soll der "Nullwert" des resultierenden Stromes aber zu einem möglichst frühen Zeitpunkt auftreten, also unmittelbar bzw. möglichst frühzeitig nachdem die Schaltstrecke die Durchschlagsfestigkeit erreicht hat. Bei Einhaltung der Voraussetzung, dass der "Nullwert" des resultierenden Stromes zu einem Zeitpunkt auftritt, wenn die Kontakte des Schaltgerätes bereits einen entsprechenden Abstand voneinander haben, dass die nun vorhandene Durchschlagsfestigkeit der Schaltstrecke ein Wiederzünden des Lichtbogens bei der anliegenden Schalterspannung verhindert, ist der Gleichstrom abgeschaltet.
  • Der Löschkondensator wird vor jedem Entladevorgang so aufgeladen, dass mit Zünden des ersten Löschthyristors der Löschstrom des Löschkondensator beim ersten Umschwingen entgegen der Vorzugsrichtung des Betriebsstromes über die Schaltstrecke fließt, so dass beim Schalten von Vorwärtsströmen bereits beim ersten Umschwingvorgang ein "Nullwert" des resultierenden Schalterstromes über der Schaltstrecke auftritt.
  • Nach dem Zündimpuls für den ersten Löschthyristor wird in jedem Fall zeitlich versetzt, in Abhängigkeit vom zeitlichen Verlauf des Umschwingvorganges des Löschstromes, bevor der Löschstrom am Ende des ersten Umladevorganges den Wert "Null" erreicht, der Zündimpuls für den zweiten Löschthyristor gegeben. Dadurch wird der zweite Umladevorgang des Löschkondensators, jetzt mit umgekehrter Stromrichtung, eingeleitet, sofern zu diesem Zeitpunkt nicht bereits der zu schaltende Betriebsstrom abgeschaltet ist.
  • Durch das Steuergerät wird der Abschaltvorgang bei Erreichen eines eingestellten Grenzwertes des Betriebsstromes selbsttätig ausgelöst.
  • Weitere vorzugsweise Ausgestaltungen des Verfahrens können den Unteransprüchen 4 bis 10 entnommen werden.
  • Die Erfindung wird nachstehend an Hand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die zugehörigen Zeichnungen stellen dar:
    • Fig. 1:
    Prinzipschaltung der Schnellschalteinrichtung
    Fig. 2:
    Stromverläufe und Zeitpunkte für Öffnung des Schaltgerätes und Zündung des Löschthyristors für große Ströme
    Fig. 3:
    Stromverläufe und Zeitpunkte für Öffnung des Schaltgerätes und Zündung des Löschthyristors für kleine Ströme
    Fig. 4:
    Stromverläufe und Zeitpunkte für Öffnung des Schaltgerätes und Zündung des Löschthyristors für Rückströme
  • Die Fig. 1 zeigt die prinzipielle Schaltungsanordnung für die Schnellschalteinrichtung, wobei als Schaltgerät ein Vakuumschalter VS eingesetzt ist. Die Schnellschalteinrichtung ist über einen zweipoligen Trennschalter SBT einerseits mit der Sammelschiene SS der Bahnstromversorgung und andererseits mit der Strecke ST verbunden. Im abgeschalteten Zustand wird die Strecke mittels des zweipoligen Trennschalters SBT 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, welches die Betriebs- und Fehlerströme erfasst.
  • Parallel zum Vakuumschalter VS ist ein Löschkreis zwischen Sammelschiene SS der Bahnstromversorgung und der Strecke ST angeordnet. Dieser Löschkreis besteht aus einem Löschkondensator LK, zwei mit diesem in Reihe liegenden antiparallel angeordnete Löschthyristoren LT1, LT2 und einer in Reihe geschalteten Induktivität L.
  • Ein Prüfkreis ist ebenfalls parallel zum Vakuumschalter VS angeordnet, der vor der Wiederzuschaltung der Strecke diese auf ihren aktuellen Zustand überprüft. Der Prüfkreis besteht aus einer Reihenschaltung von einem Prüfthyristor 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.
  • Vervollständigt wird die Schnellschalteinrichtung durch einen Freilaufkreis FK, der zwei Zweige aufweist, von denen einer zwischen der Sammelschiene SS der Bahnstromversorgung und dem Rückleiter RL und der andere zwischen der Strecke ST und dem Rückleiter RL angeordnet ist. Der Freilaufkreis FK gewährleistet, dass nach der Herstellung der galvanischen Trennstrecke im Vakuumschalter VS die in den Induktivitäten der Strecke vorhandene Energie durch Freilaufströme I F schnell abgebaut wird. Dieser Freilaufkreis FK ist derart aufgebaut, dass für jeden Zweig, von der Sammelschiene SS zum Rückleiter RL bzw. von der Strecke ST zum Rückleiter RL, jeweils zwei in Reihe geschaltete Freilaufdioden FD1, FD2 bzw. FD3, FD4 angeordnet sind. Parallel zur jeweiligen mit der Sammelschiene SS bzw. bzw. mit der Strecke ST verbundenen Freilaufdiode FD1, FD4, ist jeweils eine Sicherung Si1, Si2 mit Meldung angeordnet. Die Sicherung Si1, Si2 ist so dimensioniert, dass der Spannungsabfall über der parallelen Freilaufdiode FD1, FD4 auch bei maximalem Freilaufstrom IF den Spannungsabfall der Sicherung bei doppeltem Nennstrom nicht überschreitet. Dadurch wird gewährleistet, dass normalerweise nur ca. 0,1 % bis 1 % des Freilaufstromes I F über die jeweilige Sicherung Si1 bzw. Si2 fließt. Der größte Teil des Freilaufstromes I F fließt stets über die Freilaufdiode FD1 bzw. FD4.
  • Die Steuerbaugruppe SG 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 I B , der Dimensionierung des Löschkreises, insbesondere der Kapazität des Löschkondensators LK. und der Induktivität L, erfolgt die zeitoptimierte Ansteuerung der Löschthyristoren LT1, LT2. Durch die Steuerbaugruppe SG wird auch die Streckenprüfung durchgeführt, bei der unter Einbeziehung der aktuellen Abgangsspannung die Berechnung des Streckenwiderstandes erfolgt. Eine Zuschaltung der Strecke ST ist nur möglich, wenn der bei der Streckenprüfung ermittelte Streckenwiderstand größer als der vorgegebene Grenzwert ist.
    Die Sicherungsüberwachung der Sicherungen Si1, Si2 des Freilaufkreises FK erfolgt auch durch die Steuerbaugruppe SG, die auch weitere sicherheitsrelevante Größen, wie beispielsweise die Ladespannung des Löschkondensators LK überwacht.
  • Nachfolgend soll das erfindungsgemäße Verfahren zur Abschaltung von Betriebs- oder Fehlerströmen mit der zuvor beschriebenen Einrichtung gem. Fig. 1 näher an Hand von drei typischen / kritischen Betriebszuständen beschrieben werden. Dazu werden auch die Stromverläufe gem. der Fig. 2 bis Fig. 4 herangezogen.
  • In Fig. 2 ist ein erstes Beispiel gewählt, bei dem ein auftretender Kurzschlussstrom I K in Vorzugsrichtung abgeschaltet werden soll, d. h. ein Kurzschluss auf der Strecke ST wird durch die Bahnstromversorgung über die Sammelschiene SS gespeist. Der ansteigende Kurzschlussstrom I K wird durch das Stromerfassungsglied T im Strompfad des Vakuumschalters VS erfasst. Bei Erreichen eines einstellbaren Betriebsstromes von beispielsweise 4 kA wird zum Zeitpunkt t 1 der Ausschaltbefehl für den Vakuumschalter VS gegeben und der Antrieb beginnt die Kontakte des Vakuumschalters VS nach ca. 0,3 ms zum Zeitpunkt t 2 zu öffnen. Die Kontaktöffnung verläuft über den Kontaktweg KW gleichmäßig, der maximale Kontaktabstand beträgt 2 mm. Der Kurzschlussstrom I K fließt über den sich beim Abheben des Kontaktes innerhalb der Vakuumkammer ausbildenden Schaltlichtbogen weiter. Um den Schaltlichtbogen zwischen den Kontakten des Vakuumschalters VS zu löschen, muss der fließende Strom den Wert "Null" annehmen, da der verwendete Vakuumschalter nicht in der Lage ist, einen fließenden Kurzschlussstrom abzuschalten. Um dies zu erreichen wird zum Zeitpunkt t 3 der Steuerbefehl zum Zünden des Löschthyristors LT1 gegeben. Dadurch wird die im Löschkondensator LK gespeicherte Energie freigegeben, es fließt ein Löschstrom I L vom Löschkondensator LK über die Schaltstrecke des Vakuumschalters VS entgegen der Stromrichtung des Kurzschlussstromes I K . Da sich in diesem Löschkreis Induktivitäten befinden, weist der Löschstrom I L die Form eines schwingenden Wechselstromes auf. Auf Grund des gewählten Maßstabes ist in der Fig. 2 nicht der gesamte Verlauf des Löschstromes I L dargestellt, sondern lediglich der Ausschnitt, der für die Löschung des Lichtbogens relevant ist. Die beiden Ströme, der Kurzschlussstrom I K und der Löschstrom I L überlagern sich im Strompfad des Vakuumschalters VS und damit über der Schaltstrecke zum resultierenden Schalterstrom I S . Zum Zeitpunkt t 4 weisen die beiden Ströme, der Kurzschlussstrom I K und der Löschstrom I L jeweils einen solchen Wert auf, so dass der resultierende Schalterstrom I S den Wert "Null" erreicht. Zu diesem Zeitpunkt t 4 erlischt somit auch der Schaltlichtbogen zwischen den Kontakten des Vakuumschalters VS. Mit dem Erlöschen des Schaltlichtbogens steht über der Schaltstrecke die momentan vorhandene Spannung des Löschkondensators LK an. Übersteigt diese Spannung die zu diesem Zeitpunkt t 4 bestehende Durchschlagsfestigkeit der Schaltstrecke nicht, zündet der Lichtbogen nicht wieder und der Kurzschlussstrom I K ist abgeschaltet. Ist dagegen zu diesem Zeitpunkt t 4 , wie im gewählten Beispiel (der Kontaktabstand beträgt ca. 0,2 mm) die Durchschlagsfestigkeit der Schaltstrecke des Vakuumschalters VS noch nicht gegeben, kommt es zu einer Wiederzündung des Lichtbogens und der Kurzschlussstrom I K fließt weiter über die Schaltstrecke. Der Löschstrom I L vom Löschkondensator LK fließt ebenfalls weiter über die Schaltstrecke des Vakuumschalters VS entgegen der Stromrichtung des Kurzschlussstromes I K . Da der Löschstrom I L einer Sinushalbwelle entspricht, weist der resultierende Schalterstrom I S zum Zeitpunkt t 5 zum zweiten Mal den Wert "Null" auf. Zu diesem Zeitpunkt erlischt der Lichtbogen über der Schaltstrecke des Vakuumschalters VS (der Kontaktabstand beträgt nun ca. 1 mm), da jetzt die die erforderliche Durchschlagsfestigkeit besteht, kann kein Lichtbogen wieder gezündet werden. Somit ist der Kurzschlussstrom I K endgültig abgeschaltet. Die noch im Streckennetz vorhandene Energie wird durch einen fließenden Freilaufstrom I F über den entsprechenden Zweig des Freilaufkreises FK, die Freilaufdioden FD3, FD4 in Richtung auf den Rückleiter RL abgebaut.
  • Da die Dimensionierung des Löschkreises bekannt ist, kann auch für jeden zu schaltenden Kurzschlussstrom I K der Löschstrom I L und somit auch der resultierende Schalterstrom I S in Abhängigkeit vom Zündzeitpunkt t 3 des Löschkondensators LK ermittelt werden. Der definierte Zeitpunkt t 3 zum Zünden des Löschthyristors LT1 ist so gewählt, dass das Maximum des schwingenden Löschstromes I L in jedem Falle größer ist als der zu diesem Zeitpunkt fließende Kurzschlussstrom I K . Dadurch wird gewährleistet, dass der resultierende Schalterstrom I S zweimal den Wert "Null" aufweist. Spätestens zum Zeitpunkt t 5 , wenn der resultierende Schalterstrom I S zum zweiten Mal den Wert "Null" aufweist, hat die Schaltstrecke die erforderliche Durchschlagsfestigkeit. Da die beiden "Nullwerte" des Schalterstromes I S bei t 4 und t 5 einen zeitlichen Abstand von maximal 0,6 ms aufweisen, ist die Anlagenbelastung durch ein Abschalten des Kurzschlussstromes I K erst beim zweiten "Nullwert" durchaus zu vertreten.
  • In einem weiteren Beispiel gem. Fig. 3 soll ein kleiner Betriebsstrom I B abgeschaltet werden. Beim Abschalten kleiner Ströme besteht die Möglichkeit, dass der Lichtbogen im sich öffnenden Kontakt selbsttätig vor der Einleitung des Löschvorganges abreißt. Dies könnte durch die im Kreis befindlichen Induktivitäten zu einer hohen Spannungsbelastung der Anlage führen, darüber hinaus würde dann mit Zünden des Löschthyristors LT1 über der Trennstrecke zusätzlich die Kondensatorspannung anstehen. Damit würde über der Trennstrecke bis zum Umladen des Löschkondensators LK über die Strecke ST eine im Betrag der Addition von Sammelschienenspannung und Kondensatorspannung entsprechende Spannung anliegen. Um dies zu verhindern wird der Zündimpuls zum Zünden des Löschthyristors LT1 im Zeitpunkt t 3 bereits vor dem Zeitpunkt t 2 , dem Beginn der Kontaktöffnung gegeben, so dass keine galvanische Trennstrecke im Vakuumschalter VS entstehen kann. Somit erfolgt eine definierte Umladung des Löschkondensators LK über die noch geschlossene Kontaktstrecke bzw. den sich ausbildenden Lichtbogen zwischen den Kontakten des Vakuumschalters VS und die Überspannung wird vermieden. Zum Abschalten eines kleinen Betriebsstromes wird zum Zeitpunkt t 1 der Ausschaltbefehl für den Vakuumschalter VS gegeben und der Antrieb beginnt die Kontakte des Vakuumschalters VS zum Zeitpunkt t 2 zu öffnen, wobei der Löschstrom I L vom Löschkondensator LK bereits fließt. Analog zum vorigen Beispiel fließt der Löschstrom I L vom Löschkondensator LK ebenfalls in entgegengesetzter Richtung zum Betriebsstrom I B durch die Schaltstrecke des Vakuumschalters VS. Da in diesem Fall der erste "Nullwert" zum Zeitpunkt t 4 erreicht wird, der vor dem Zeitpunkt t 2 liegt, d. h. die Kontaktöffnung hat noch nicht begonnen, ist die Schaltstrecke noch leitend. Daraus folgt, dass der Lichtbogen erst zum Zeitpunkt t 5 , die Durchschlagsfestigkeit der Schaltstrecke ist jetzt auch gewährleistet, beim Erreichen des zweiten "Nullwertes" des Schalterstromes I S erlischt und der Betriebsstrom I B abgeschaltet ist. Jetzt beginnt der Freilaufstrom I F zu fließen.
  • In einem dritten Beispiel gem. Fig. 4 soll ein Rückstrom I R , der von der Strecke ST zur Sammelschiene SS fließt, abgeschaltet werden. Da in diesem Fall ein Strom abgeschaltet werden soll, der entgegen der "Vorzugsrichtung" fließt, wird auch in diesem Fall der Löschthyristor LT1, wiederum zu einem anderen Zeitpunkt gezündet, wodurch ein "Nullwert" des Schalterstromes I S zu einem möglichst frühen Zeitpunkt nach Bestehen der Durchschlagsfestigkeit der Schaltstrecke erreicht wird.
    In diesem Fall wird der Zündimpuls im Zeitpunkt t 3 für den Löschthyristor LT1 sofort nach dem Zeitpunkt t 1 , dem Ausschaltbefehl für den Vakuumschalter VS gegeben. Damit erfolgt ein definiertes Umladen des Löschkondensators LK über den geschlossenen Kontakt des Vakuumschalters VS. Der Löschstrom I L des Löschkondensators LK und der Rückstrom I R haben im Vakuumschalter VS für den Zeitraum zwischen den Zeitpunkten t 3 und t 7 , der Zeitdauer des ersten Umschwingvorganges, die gleiche Stromrichtung und addieren sich. Dadurch ergibt sich beim ersten Stromanstieg des Löschstromes I L kein "Nullwert" des resultierenden Schalterstromes I S .
    Zum Zeitpunkt t 6 wird der Zündimpuls für den zweiten Löschthyristor LT2 gegeben, wodurch zum Zeitpunkt t 7 der zweite Umladevorgang des Löschkondensators LK eingeleitet wird. Nun weisen die beiden Ströme, der Löschstrom I L und der Rückstrom I R unterschiedliche Stromrichtungen auf, wodurch der Schalterstrom I S zum Zeitpunkt t 4 den Wert "Null" erreicht. Zu diesem Zeitpunkt weist die Schaltstrecke des Vakuumschalters VS die erforderliche Durchschlagsfestigkeit auf, so dass der zwischen den Kontakten des Vakuumschalters VS stehende Lichtbogen gelöscht wird und der Rückstrom ist abgeschaltet. Der Freilaufstrom I F beginnt zu fließen.
  • Die drei zuvor beschriebenen Beispiele entsprechen typischen / kritischen Betriebsströmen, die durch die Gleichstrom-Schnellschalteinrichtung abgeschaltet werden sollen. Entsprechend der Dimensionierung insbesondere des Löschkreises und des verwendeten Vakuumschalters VS können die Zeitpunkte t 1 bis t 7 in der Steuerbaugruppe SG vordefiniert werden.
  • Damit auch in außergewöhnlichen Situationen ein fließender Gleichstrom sicher und zuverlässig abgeschaltet wird, kann vorgesehen werden, dass die Löschthyristoren LT1, LT2 wiederholt gezündet werden, so dass die Entladung des Löschkondensators LK analog der zuvor beschriebenen Verfahrensschritte wiederholt wird. Da spätestens bei Erreichen eines dritten "Nullwertes" des Schalterstromes I S die Durchschlagsfetigkeit gewährleistet ist, kommt es dann nicht zum Wiederzünden eines Lichtbogens über der Schaltstrecke und der zu schaltende Betriebsstrom ist auch spätestens zu diesem Zeitpunkt abgeschaltet.
  • Abschließend soll die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Freilaufkreises näher erläutert werden. Der Freilaufkreis FK gewährleistet, dass nach der Herstellung der galvanischen Trennstrecke die in den Induktivitäten der Strecke ST vorhandene Energie, durch die fließenden Freilaufströme I F in der einen oder der anderen Richtung, abgebaut wird. Dieser Freilaufkreis FK ist derart aufgebaut, dass er für jede Stromrichtung einen Zweig, von der Sammelschiene SS zum Rückleiter RL bzw. von der Strecke ST zum Rückleiter RL aufweist. In jedem Zweig sind zwei Freilaufdioden FD1, FD2 bzw. FD3, FD4 in Reihe geschaltet. Jeweils einer Freilaufdiode FD1, FD4, ist eine Sicherung Si1, Si2 mit Meldung parallel geschaltet, wobei der größte Teil des Freilaufstromes I F stets über die Freilaufdiode FD1 bzw. FD4 fließt. Durch auftretende sehr hohe Spannungsbelastungen, wie beispielsweise Blitzüberspannungen, werden nur die jeweils nicht beschalteten Freilaufdioden FD2, FD3 beansprucht. Dadurch können sie ihre Sperrfähigkeit verlieren. Da die beiden anderen Freilaufdioden FD1, FD4 durch die jeweilige Sicherung Si1, Si2 quasi kurzgeschlossen sind, werden sie durch die Überspannung nicht beansprucht und bleiben funktionsfähig. Der Ausfall der Freilaufdiode FD2 bzw. FD3 hat einen Kurzschlussstrom über die Sicherung Si1 bzw. Si2 zur Folge, wodurch diese anspricht und diesen Kurzschlussstrom abschaltet. Nach dem Ansprechen der Sicherung Si1 bzw. Si2 ist der Freilaufkreis FK wegen der funktionsfähig gebliebenen Freilaufdioden FD1, FD4 wieder spannungsfest. Die jeweilige Sicherung Si1, Si2 meldet diesen Zustand an die Steuerbaugruppe SG. Somit bleibt der Freilaufkreis FK stets funktionstüchtig.

Claims (10)

  1. Gleichstrom-Schnellschalteinrichtung zur Löschung eines Gleichstromes in einem Gleichrichter-Unterwerk für eine Gleichstrom-Bahnstromversorgung wobei zwischen der Strecke (ST) und der Sammelschiene (SS) des Gleichrichter-Unterwerks ein Schaltgerät (VS), das mit einem Stromerfassungsglied (T) in Reihe geschaltet ist, angeordnet ist, zu dem parallel ein Löschkreis, bestehend aus einem Löschkondenstor (LK), einer Induktivität (L) und einer Schalteinheit geschaltet ist, und weiterhin parallel zum Schaltgerät (VS) ein Freilaufkreis (FK) angeordnet ist,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Schalteinheit aus zwei antiparallel angeordneten Löschthyristoren (LT1, LT2) besteht und zu dem Schaltgerät (VS) ebenfalls parallel ein Prüfzweig angeordnet ist, der aus einer Reihenschaltung von einem Prüfthyristor (Vp), einem Strommessglied (Tp) und einem Prüfwiderstand (PW) besteht und weiterhin der Freilaufkreis (FK) aus zwei Zweigen besteht, von denen einer zwischen der Sammelschiene (SS) und dem Rückleiter (RL) und der andere zwischen der Strecke (ST) und dem Rückleiter (RL) angeordnet ist, die jeweils zwei in Reihe geschaltete Freilaufdioden (FD1, FD2 bzw. FD3, FD4) aufweisen und parallel zur jeweiligen mit der Sammelschiene (SS) bzw. mit der Strecke (ST) verbundenen Freilaufdiode (FD1, FD4), jeweils eine Sicherung mit Meldung (Si1, Si2) angeordnet ist.
  2. Gleichstrom-Schnellschalteinrichtung nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,dass
    die Dimensionierung der Freilaufdiode (FD1, FD4) und der dazu parallel angeordneten Sicherung (Si1, Si2) dabei so gewählt ist, dass jeweils nur ein geringer Teil des Freilaufstromes (IF) über die jeweilige Sicherung (Si1, Si2) fließt, während der größte Teil des Freilaufstromes (IF) über die zu dieser Sicherung (Si1, Si2) parallel angeordnete Freilaufdiode (FD1, FD4) fließt.
  3. Verfahren zur Abschaltung von Gleichströmen in einem Gleichrichter-Unterwerk für Bahnstromversorgungen mit einer Gleichstrom-Schnellschalteinrichtung gemäß Anspruch 1, wobei der Abschaltvorgang durch einen Schaltbefehl zum Öffnen des metallischen Kontakts des Schaltgerätes (VS) bei Erreichen eines einstellbaren Stromwertes zum Zeitpunkt (t1) eingeleitet wird und danach zu einem definierten Zeitpunkt (t3) durch die Schalteinheit die Entladung des Löschkondensators (LK) eingeleitet wird, wodurch sich der Löschkondensator (LK) über die Schaltstrecke des Schaltgerätes (VS) entlädt, wobei durch die Überlagerung des Betriebsstromes (IB), von der Sammelschiene (SS) und des Löschstromes (IL) vom Löschkondensator (LK) zum resultierenden Schalterstrom (IS) über der Schaltstrecke, bei einer entsprechenden Dimensionierung des Löschkreises, mindestens einmal der Schalterstrom (IS) den Wert "Null" annimmt
    dadurch gekennzeichnet,dass
    der Zeitpunkt (t3), zu dem der erste Löschthyristor (LT1) gezündet wird, in Abhängigkeit von Betrag und Richtung des zu schaltenden Betriebsstromes (IB) festgelegt wird, und in Abhängigkeit vom zeitlichen Verlauf des Löschstromes (IL) des Löschkondensators (LK) zeitlich verzögert, zum Zeitpunkt (t6), der zweite Löschthyristor (LT2) gezündet wird, und der definierte Zeitpunkt (t3) zum Zünden des Löschthyristors (LT1) so gewählt wird, dass ein "Nullwert" des Schalterstromes (IS) zu einem Zeitpunkt (t4, t5) erreicht wird, bei welchem die Durchschlagsfestigkeit der Schaltstrecke im Schaltgerät (VS) gewährleistet ist.
  4. Verfahren nach Anspruch 3,
    dadurch gekennzeichnet,dass
    zur Abschaltung eines in der Vorzugsrichtung fließenden großen Betriebsstromes (IB), insbesondere eines Kurzschlussstromes (lK), bei Erreichen eines einstellbaren Grenzwertes zum Zeitpunkt (t1) der Ausschaltbefehl für das Schaltgerät (VS) gegeben wird und nach Beginn der Kontaktöffnung zum Zeitpunkt (t2) der Steuerbefehl zum Zünden des Löschthyristors (LT1) zum Zeitpunkt (t3) gegeben wird, wodurch der Löschstrom (IL) über die Schaltstrecke des Schaltgerätes (VS) entgegen der Stromrichtung des Kurzschlussstromes (lK) fließt und der Schalterstrom (IS) zu den Zeitpunkten (t4, t5) jeweils den Wert "Null" erreicht, und bei Bestehen der Durchschlagsfestigkeit der Schaltstrecke zu einem der beiden Zeitpunkte (t4, t5) der Betriebsstrom (IB) bzw. der Kurzschlussstrom (IK) zu diesem Zeitpunkt abgeschaltet ist.
  5. Verfahren nach Anspruch 3,
    dadurch gekennzeichnet,dass
    zur Abschaltung eines kleinen in der Vorzugsrichtung fließenden Betriebsstromes (IB) zum Zeitpunkt (t1) der Ausschaltbefehl für das Schaltgerät (VS) gegeben und der Zündimpuls zum Zünden des Löschthyristors (LT1) im Zeitpunkt (t3), vor dem Zeitpunkt (t2), dem Beginn der Kontaktöffnung, gegeben wird, so dass eine definierte Umladung des Löschkondensators (LK) über die noch geschlossene Kontaktstrecke bzw. den sich ausbildenden Lichtbogen zwischen den Kontakten des Schaltgerätes (VS) erfolgt, wobei der Löschstrom (IL) vom Löschkondensator (LK) entgegengesetzt der Richtung des Betriebsstromes (IB) über die Schaltstrecke des Schaltgerätes (VS) fließt und der Schalterstrom (IS) zum Zeitpunkt (t4) zum ersten mal den Wert "Null" erreicht zu dem die Schaltstrecke noch leitend ist und der Schalterstrom (IS) zum Zeitpunkt (t5) zum zweiten mal den Wert "Null" erreicht und jetzt, da die Durchschlagsfestigkeit der Schaltstrecke gewährleistet ist, der Betriebsstrom (IB) abgeschaltet ist.
  6. Verfahren nach Anspruch 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    zur Abschattung eines entgegen der Vorzugsrichtung fließenden Rückstromes (IR) der Zündimpuls im Zeitpunkt (t3) für den Löschthyristor (LT1) sofort nach dem Zeitpunkt (t1), zu dem der Ausschaltbefehl für das Schaltgerät (VS) gegeben wird, wodurch ein definiertes Umladen des Löschkondensators (LK) über den noch geschlossenen Kontakt des Schaltgerät (VS) erfolgt und sich der Löschstrom (IL) und der Rückstrom (IR), da sie die gleiche Stromrichtung haben im Betrag addieren und zum Zeitpunkt (t6) der Zündimpuls für den zweiten Löschthyristor (LT2) gegeben wird, wodurch der zweite Umladevorgang des Löschkondensators (LK) mit umgekehrter Stromrichtung eingeleitet wird und nun der Löschstrom (IL) entgegen der Stromrichtung des Rückstromes (IR) über die Schaltstrecke des Schaltgerätes (VS) fließt und somit der Schalterstrom (IS) zum Zeitpunkt (t4) den Wert "Null" aufweist, zu dem die Schaltstrecke des Schaltgerätes (VS) die erforderliche Durchschlagsfestigkeit aufweist, so dass der Rückstrom (IR) abgeschaltet ist.
  7. Verfahren nach Anspruch 3,
    dadurch gekennzeichnet,dass
    der Löschkondensator (LK) stets so vorgeladen ist, dass mit Zünden des ersten Löschthyristors (LT1) der Löschstrom (IL) des Löschkondensator (LK) beim ersten Umschwingen entgegen der Vorzugsrichtung des Betriebsstromes (IB) fließt.
  8. Verfahren nach Anspruch 3,
    dadurch gekennzeichnet,dass
    in jedem Fall zum Zeitpunkt (t6), der in Abhängigkeit vom zeitlichen Verlauf des Umschwingvorganges des Löschstromes (IL) bestimmt wird, der Zündimpuls für den zweiten Löschthyristor (LT2) gegeben wird, wodurch der zweite Umladevorgang des Löschkondensators (LK) mit umgekehrter Stromrichtung eingeleitet wird, wodurch nun der Löschstrom (IL) in der Vorzugsrichtung des Betriebsstromes (IB) über die Schaltstrecke des Schaltgerätes (VS) fließt, sofern zu diesem Zeitpunkt nicht bereits der zu schaltende Betriebsstrom (IB) abgeschaltet ist.
  9. Verfahren nach Anspruch 3,
    dadurch gekennzeichnet,dass
    bei Erreichen eingestellter Grenzwerte des Betriebsstromes (IB) durch das Steuergerät (SG) der Abschaltvorgang selbsttätig ausgelöst wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 3,
    dadurch gekennzeichnet,dass
    zum Abschalten eines Betriebsstromes (IB) unter extremen Bedingungen die Löschthyristoren (LT1, LT2) abwechselnd wiederholt gezündet werden, so dass sich der Löschkondensator (LK) mehrfach hintereinander über die Schaltstrecke des Schaltgerätes (VS) entlädt, bis bei Erreichen eines "Nultwertes" des Schalterstromes (IS) die erforderliche Durchschlagsfestigkeit der Schaltstrecke gewährleistet ist und der Betriebsstrom (IB) endgültig abgeschaltet ist.
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