DE2039065A1

DE2039065A1 - Verfahren und Anordnungen zur strombegrenzenden Unterbrechung von Gleich- und Wechselstroemen hoher Spannung

Info

Publication number: DE2039065A1
Application number: DE19702039065
Authority: DE
Inventors: Hagen Dipl-Ing Haertel; Juergen Dr-Ing Salge
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1970-08-06
Filing date: 1970-08-06
Publication date: 1972-02-17
Also published as: CA937317A; US3737724A; SE383799B; JPS474380A; CH540559A

Description

Professor Dr.—Ing. Dieter K i η d, 33 Braunschweig Pockelstraße 4-

Km/bu K 005

4. Aug. 1970

"Verfahren und Anordnungen zur strombegrenzenden 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 der abzuschaltende Strom gezwungen wird, aus Schaltelementen (Kommutierungsschalter) in Nebenwege mit hohem Widerstand zu kommutieren, wodurch der Strom auf einen Bestwert verringert wird, der von einem nachgeschalteten Stromunterbrecher ausgeschaltet wird.

Bei einer strombegrenzenden Ausschaltung sowohl im Gleichstrom- als 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 ETetzinduktivi täten gespeicherten Energie) aufnehmen. Diese beiden Anforderungen können in bestimmten Grenzen von Schaltern mit einer intensiven Kühlung des Lichtbogens erfüllt werden.

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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. Das eigentliche Problem ist jedoch die Kommutierung des Stromes aus dem Schalter in die Parallelschaltung. Mit genügend großer Parallelkapazität ist eine Kommutierung grundsätzlich zu erzielen, jedoch ist der Aufwand an Kondensatoren sehr groß und wirtschaftlich nicht zu vertreten.

Eine weitgehende Verbesserung der Kommutierung und damit eine bedeutende Verkleinerung der nötigen Kondensatoren ist zu erreichen, wenn erfindungsgemäß der Strom in einen ohmschen Widerstand zwischenkommutiert wird und erst anschließend aus einer Reihenschaltung von diesem Widerstand mit einer Schaltstrecke in eine Parallelschaltung mit Energieabsorber kommutiert wird.

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

Fig. 1 zeigt das Prinzip einer Schaltanordnung mit Kommutierung seinrichtung,

Fig. 2 ein Ersatzschaltbild für den Kommutierungsvorgang,

Fig. 3 eine Schaltung zur Zwischenkommutierung des Stromes in einen explodierenden Draht,

Fig. 4- eine Schaltung zur Zwischenkommutierung des Stromes in zwei in Reihe geschaltete für verschiedene Ströme ausgelegte explodierende Drähte,

Fig. 5 eine Schaltung zur Zwischenkommutierung des Stromes in einen strom- und/oder zeitabhängigen Widerstand mittels einer Kommutierungs-Hilfsschaltung.

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In Fig. 1 bezeichnet Ii die Netzinduktivität, S den Kommutierungsschalter, S_R einen Reststromschalter. Parallel zum Kommuti erdungsschalter S liegen der Kommutierungshilfskreis mit dem Hilfsschalter HS, dem Kondensator C und der Streuinduktivität L sowie der Absorberkreis, der einen ohmschen Widerstand E oder einen stromabhängigen 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. Nach öffnen des Schalters S entsteht an diesem eine in der Zeit ansteigende Lichtbogenspannung u-, (t). Bei Erreichen des Wertes u, (t ). = U- ' schaltet der Hilfsschalter HS den Kreis, gebildet aus G und

L ,parallel zum Schalter. Für die Kommutierung des Stromes s

liegt ein Kreis vor, der durch das Ersatzschaltbild in Fig. 2 gegeben ist. Darin ist R_Sv.(i,t) der Lichtbogenwiderstand der Schaltstrecke S^, der mit wachsender Zeit t zunimmt und der in gewissen Grenzen auch noch mit kleiner werdendem Strom seinen Widerstand erhöht. Während des Kommutierungsvorganges ist der Strom i näherungsweise konstant I . Ein Übergang^ des Stromes aus R<™ in die Parallelschaltung kann nur erfolgen, wenn En. seinen Widerstand bei der Kommutierung schnell genug erhöhen kann und sein Wert gegen unendlich geht. Diese Forderung ist für ein gegebenes ^ Schaltelement zu erreichen, indem die Dauer des Kommutierungsvorganges der Widerstandserhöhung des Lichtbogens angepaßt wird, was z.B. durch die Wahl einer genügend großen Kapazität C zu erreichen ist. Bei den bis jetzt bekannten Schaltern führt das zu großen Kondensatorbatterien C.

Gemäß der Erfindung wird hier eine Schaltung vorgeschlagen, in der in Reihe zu dem Lichtbogenwiderstand Rgo ^eiⁿ ohmscher Widerstand in den Kreis geschaltet wird, der zusammen mit dem Lichtbogenwiderstand eine Kommutierung des Stromes aus dem Schalter in diesen Nebenweg ermöglicht, der nur mit kleiner oder gar keiner Kondensatorbatterie bestückt zu sein braucht.

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BADORlGiNAL

- 4- - K 003

Fig. 3 zeigt eine Schaltung, in der der Kommutierungsschalter aus zwei in Reihe angeordneten Schaltstrecken S^ und Q "besteht, zu denen eine Schaltung wie nach Fig. 1 parallel geschaltet ist. Parallel zum Schalter S_x, liegt ein Hilfsschalter HS. und ein ohmscher Widerstand IL , in diesem Falle ein Draht, der nach öffnen von S₁ und Schließen von HS_x, den Strom übernimmt und im ms-Bereich durch den Strom erhitzt und zur Explosion gebracht wird, wobei am explodierenden Draht eine sehr hohe Spannung entsteht. Nach Schließen des Hilfsschalters HS kann durch den bei der Explosion des Drahtes entstehenden hohen Widerstand IL in Verbindung mit dem in Reihe geschalteten Lichtbogenwiderstand Rgp des Schalters S~ eine sichere Kommutierung des Stromes aus der Schaltstrecke Sp in den Parallelweg erreicht werden. Für bestimmte Fälle kann sogar auf die Kommutierungshilfsschaltung, gebildet aus HS und C, verzichtet werden.

Da der Draht für die Kommutierung des Stromes aus der Schaltstrecke S_x, dem abzuschaltenden Stromwert angepaßt werden muß, ist beim Abschalten verschieden großer Ströme eine Schaltung nach Fig. 4 anzuwenden. Das Schaltelement S_x, ist aufgeteilt in die Reihenschaltung zweier Schaltstrecken S_x, und S_x,-, , zu denen die Drähte R_x, und R_x., parallel geschaltet sind. Dabei ist der Draht R_x, für eine sichere Kommutierung des minimal auftretenden Stromes und R_x,-, für eine solche des maximal auftretenden Stromes ausgelegt. Beim Schalten des minimalen Stromes explodiert nur der Draht R_x, , beim Schalten des maximalen explodieren beide Drähte. Dabei wird wegen der Dimensionierung des Drahtes R_x, für kleine Ströme die

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Schaltstrecke S_x, zurückzuzünden, was jedoch auf die endgültige Kommutierung aus der Schaltstrecke S₀ in den Nebenweg keinen Einfluß hat. Die Möglichkeit einer weiteren Optimierung der Kommutierung des Stromes aus dem Schaltelement S_x. in den Draht ist gegeben durch weitere Unterteilung in Schaltstrecken S_x^ , S_x^, S^ usw. mit jeweils parallelgeschalteten Drähten, die für bestimmte Stromwerte ausgelegt sind. Da die Drähte nach jeder Schaltung zu erneuern sind, entspricht die Anordnung einer Art Sicherung.

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Fig. 5 zeigt eine ähnliche Schaltung wie Mg. 3? nur ist zum Schaltelement S_x, eine Kommutierungs-Hilfsschaltung, bestehend aus dem Hilfsschalter HS^ und dem Kondensator C^ mit großer Kapazität, aber geringer Nennspannung, und der ohmsche Widerstand E. bzw. R_x]Ci) parallelgeschaltet. Nach Öffnen von S. entsteht eine Lichtbogenspannung u.^Ct). Bei Erreichen des Wertes U^ (t_&) = U_a schließt der Hilf sschalter HS_x, und schaltet den Kondensator C_x. parallel, dessen Kapazität so groß gewählt ist, daß eine sichere Kommutierung des Stromes auf den Parallelweg erfolgt. Der Widerstand R_x, ist so ausgelegt, daß die Spannung an ihm nach der vollständigen Kommutierung auf R_x, verhältnismäßig klein ist, damit C_x, nur eine geringe Nennspannung und ä damit auch nur eine kleine Leistung zu haben braucht. Der Hilfsschalter HS. muß die Eigenschaft besitzen, nach der vollständigen Kommutierung des Stromes auf R_x, den Strom im CL-Kreis zu unterbinden. HS,, kann z.B. ein Wischerschalter, eine Funkenstrecke mit in Reihe geschalteter Diode, eine getriggerte Funkenstrecke oder ein Thyristor sein. Nach der Kommutierung des Stromes in den Widerstand R. liegt eine Reihenschaltung von R_x. mit dem Lichtbogenwiderstand R«p vor, was für eine Kommutierung des Stromes in den Parallelkreis aus C, R sehr viel günstiger ist, als wenn die Kommutierung in den gleichen Kreis nur durch den Lichtbogenwiderstand Rq^ erfolgen soll. Besonders begünstigt ist die Kommutierung, wenn sich R_x, mit _Λ abnehmendem Strom bzw. mit zunehmender Zeit vergrößert. ™

Die angegebenen Schaltungen können auch in Reihenschaltungen verwendet werden, so daß der Reststrom auf beliebig kleine Werte verringert werden kann. Es kann auch vorteilhaft sein, die einzelnen Schalts treck en S_x,, Sp, S_x, , S_x, -,und gegebenenfalls weitere Kommutierungsschalter als Pole oder Teillichtbögen eines Schalters auszubilden.

5 Seiten Beschreibung
9 Patentansprüche
2 Bl. Zeichnungen

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Claims

Professor Dr.-Ing. Dieter Kind, 33 Braunschweig Pockelstraße 4

Km/bu K 003

4. August 1970

Patentansprüche

1. "Verfahren zur strombegrenzenden Unterbrechung von Gleich- und Wechselströmen hoher Spannungen, bei lern der abzuschaltende Strom gezwungen wird, aus Schaltelementen (Kommutierungsschalter) in Nebenwege mit hohem Widerstand zu kommutieren, wodurch der Strom auf einen Restwert verringert wird, der von einem nachgeschalteten Stromunterbrecher ausgeschaltet wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Strom in einen ohmschen Widerstand (R_x,) zwischenkommutiert wird und erst anschließend aus einer Reihenschaltung von diesem Widerstand mit einer Schaltstrecke (Sp) in eine Parallelschaltung mit Energieabsorber (G, R bzw. R(i) oder L₁) kommutiert wird (Pig. 3-5).

2. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kommutierungsschalter aus zwei Schaltstrecken (S.) und(Sp) besteht, wobei zur Schaltstrecke (S.) ein ohmscher Widerstand (R_x,) über einen Hilfsschalter (HS.) parallelgeschaltet ist und parallel zur Reihenschaltung aus den Schaltstrecken (S.) und (S₀) der eigentliche Nebenweg aus einem Hilfsschalter (KS), einem Kondensator (G) einer Streuinduktivität (L ) und den Widerständen (R, R(i), L.) geschaltet ist.

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3·'■■ Anordnung nach Anspruch 2j dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand (R₁) ein explodierender Draht ist.(Fig. 3)

4. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltstrecke (S₁) zusätzlich in zwei oder mehrere in Reihe angeordnete Schaltstrecken (S₁ und S.-^aufgeteilt ist, zu denen jeweils Drähte (R^_1n und IL₁-) parallelgeschaltet sind, die für die Kommutierung unterschiedlicher Stromwerte dimensioniert sind (Fig. 4).

5· Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur

Unterstützung der Zwischenkommutierung in den ohmschen ^

Widerstand (R.) eine Parallelschaltung, bestehend aus einem ^ Hilfsschalter (HS.) in Ifeihe mit einem Kondensator (G₁), vorgesehen ist, wobei der Kondensator (C₁) so ausgelegt ist, daß er eine große Kapazität, aber eine im Verhältnis zur Netzspannung geringe Nennspannung aufweist, und der Hilfsschalter (HS₁) die Eigenschaft besitzt, nach der vollständigen Kommutierung des Stromes auf den Widerstand (R₁) eine Entladung des Kondensators (G₁) über den Kreis (G-L -Sp) zu verhindern (Fig. 5)·

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand (R₁) ein konstanter oder ein stromabhängiger Widerstand ist. λ

7- Anordnung nach Anspruch 5? dadurch gekennzeichnet, daß der · Hilfsschalter (HS₁) ein Wischer-Schalter, eine getriggerte Funkenstrecke, ein Schalter oder eine Funkenstrecke mit nachgeschalteter Diode oder ein Thyristor ist.

8. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur mehrfachen Zwischenkommutierung mehrere der angegebenen Schaltungen in Reihe geschaltet sind, so daß der Reststrom auf beliebig kleine Werte verringert wird.

9. Anordnung nach Anspruch 2 und 5i dadurch gekennzeichnet, daß die Schalter (S₁', S^, S_1a, .'S.^-) und gegebenenfalls weitere KommutierungsschaLter Pole oder Teillichtbögen eines

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ijchalters sind.