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Vorrichtung zum Ausschalten von Gleich-oder Wechselstrom hoher Spannung von 10 kV und höher, insbesondere grosser Leistungen
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Ausschalten von Gleich-oder Wechselstrom, die aus einem mechanischen Schalter mit einer oder mehreren parallel zu ihm angeordneten Gas-oder Dampfentladungsröhren mit Quecksilberkathode besteht, die nach der Öffnung des Schalters selbsttätig gezündet und dann zwangsläufig gelöscht werden. Bei Wechselstrom werden im allgemeinen zwei gegensinnig parallel geschaltete Entladungsröhren angewendet, so dass sowohl in der positiven wie auch in der negativen Halbwelle geschaltet werden kann.
Obwohl derartige Vorrichtungen grundsätzlich bekannt sind, haben sie in der Praxis zum Schalten hoher Spannung von 10 kV und höher und insbesondere von grossen Gleichstromleistungen von beispielsweise Zehnern von Kilovolts und Hunderten von Ampères versagt, mit Ausnahme der Löschung von Wechselstrom beim Nulldurchgang.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass solche Vorrichtungen sehr gut funktionieren können, wenn einer Reihe von ganz bestimmten Anforderungen genügt wird.
Die Tatsache, dass bisher das Ziel, hohe Spannungen, insbesondere Gleichspannung und grössere Leistungen abzuschalten praktisch nicht erreichbar war, erklärt sich daraus, dass einerseits die Eigenschaft einer Gasentladung, dass die Durchschlagspannung, insbesondere von Quecksilberdampf, sehr hohe Werte annimmt, wenn das Produkt von Dampfdichte und Elektrodenabstand einen kleinen Wert besitzt, nicht bewusst benutzt wurde, und dass andererseits eine Beschränkung der in der Schaltröhre entwickelten Energie nicht verwirklicht werden konnte, so dass bei grösseren Stromstärken eine so ausgiebige Verdampfung von Quecksilber erfolgte, dass die Sicherheit gegen Durchschlag notwendigerweise zu gering wurde.
Erfindungsgemäss muss vor allem die Zeit t1' die zwischen der Öffnung der Schaltkontakte und der Zündung der Parallelentladung durch die Entladungsröhre verstreicht, sowie die Zeit t2, in der die Entladungsröhre stromführend ist, richtig bemessen werden.
Zum Schalten (wie oben erwähnt) grösserer Ströme bei hohen
Spannungen werden, im Sinne der Erfindung, an die Zeiten t1 und t2 die folgenden Bedingungen gestellt, welche teilweise einander entgegengesetzt sind : a) t1 muss kurz sein : 1. um Kontaktbeschädigung zu vermeiden, 2. um die Ionisation, Dampfbildung und Erwärmung, welche alle die Sicherheit gegen Durchschlag zwischen den Schaltkontakten verkleinern, zu beschränken. b) t2 muss lang sein : um genügende Entionisation und Abkühlung des Raumes zwischen den Kontakten zu erzielen. c) t, +t, muss lang sein :
um einen hinreichenden Abstand zwischen den Schaltkontakten zu erzielen, deren Geschwindigkeit aus technischen Gründen auf einige Hunderte von cM/. beschränkt ist. d) t2 muss kurz sein : um die Dampfbildung in der Röhre durch Erwärmung und Verdampfung von Quecksilber vom Kathodenfleck aus zu beschränken, durch welche Erwärmung und Verdampfung die Sicherheit gegen Durchschlag gering würde.
Hinsichtlich der Abmessungen der zu verwendenden Entladungsröhre sind die zu stellenden Anforderungen im allgemeinen auch einander entgegengesetzt : e) die Röhre muss klein sein : um eine hohe Sicherheit gegen Durchschlag zu erzielen [hohe Durchschlagspannung bei kleinen Werten des Produktes p. d auf der bekannten Paschen'schen-Durchschlagkurve, wobei p den Dampfdruck und d den Elektrodenabstand darstellen ; siehe auch Punkt d, von dem der Dampfdruck p abhängig ist]. f) Die Röhre darf nicht zu klein sein : wegen der Beschränkung der maximalen Dampfdichte (siehe auch Punkt d) durch Verdampfung des Quecksilbers ; im nicht stationären Zustand, in dem sich die Röhre während der Stromführung befindet, gibt die gleiche Menge verdampftes Quecksilber in einem grossen Volumen eine kleinere Dichte als in einer kleinen Röhre.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung nützt die günstigen Eigenschaften der Entladung bei einem kleinen Wert von p. d auf dem linken Teil der Paschen'schen Kurve dazu aus, um eine Ent-
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ladung'mit Quecksilberkathode innerhalb sehr kurzer Zeit zu löschen.
Es stellt sich heraus, dass ein Kompromiss zwischen den erwähnten Anforderungen a) bis f) einschliesslich für das Abschalten von Spannungen und Strömen in einem sehr weiten Gebiet möglich ist, sogar bei Gleichstrom, für den es in der Technik bisher keine Lösung gab.
Im Sinne der Erfindung muss als erste Bedingung eingehalten werden, dass die Röhre von dem Augenblick der Öffnung des Schalters an innerhalb einer bestimmten, beschränkten
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Lichtbogenbildung verhütet wird. Hiezu sei erwähnt, dass bei den in der Praxis bisher ange- wendeten mechanischen Schaltern für hohe
Spannung und grosse Leistungen die Kontakte nach einer Abschaltung meist derart eingebrannt sind, dass ein Ersatz durch neue Kontakte erforderlich ist.
Als zweite Bedingung sei eingehalten, dass die Löschung der Röhre innerhalb einer Zeit- dauer t2 erfolgt, die derart gewählt wird, dass innerhalb der Zeit < i+ die Kontakte des Schalters einen genügend grossen Abstand voneinander erhalten haben und dass der Raum zwischen den Kontakten hinreichend entionisiert ist, um eine erneute Funken-oder Lichtbogenbildung an den Kontakten infolge der nach der Ausschaltung - des Verbrauchers rückkehrenden Spannung zu verhindern.
Erfindungsgemäss wird bei einer Vorrichtung, welche den obengenannten Bedingungen entspricht, eine erneute Zündung der Röhre infolge der rückkehrenden Spannung verhindert, einerseits durch Anwendung einer Röhre derart geringer Abmessungen und anderseits durch die Wahl einer derart beschränkten Zeit t2 und somit einer beschränkten Druckerhöhung durch Erwärmung der Röhre infolge des Stromdurchganges während der Zeit t2, dass das Produkt von Gasdruck p und Elektrodenabstand d am Ende der Periode t2 unterhalb eines bestimmten kritischen Wertes liegt.
Unter einem bestimmten kritischen Wert" ist hier ein Wert des Produktes pd zu verstehen, der in dem Bereich liegt, in dem die Durchschlagspannung bei abnehmendem Wert von pd (Paschen'sche Kurve) zunimmt und dessen Grösse von dem Wert der rückkehrenden Spannung abhängig ist.
Da t2 sehr klein gewählt wird, kommt die Bedingung f) in Fortfall und die Entladungsröhre kann auch sehr klein sein.
Mit Rücksicht auf die Bedingungen a), b) und c) wird bemerkt, dass im Vergleich zu normalen Schaltern, bei denen die schädlichen Wirkungen durch Luftströme oder Ölkühlung beseitigt werden, die Belastung der Kontakte während der Zeit tl gemäss der Erfindung von viel kürzerer Dauer als üblich ist, so dass der Schalter wesentlich leichter ausgebildet werden kann, was die Anwendung grosser mechanischer Geschwindigkeiten der Kontakte erleichtert, wodurch die Bedingung c) hinsichtlich der absoluten Grösse der Zeitdauer tl+t2 wegfällt. Durch geringe Kühlung des Kontaktraumes mit bekannten Mitteln braucht sodann auch die Bedingung b) nicht mehr zwingend zu sein, während der Bedingung a) bereits entsprochen wird.
Es folgt aus dem Vorstehenden, dass die erfindungsgemässe Vorrichtung die Anforderungen die an den Schalter zu stellen sind, weitgehend erleichtert, so dass mit geringeren Mitteln eine grössere Wirkung erzielbar ist und das Schalten von Gleichstrom hoher Spannung und grosser Leistung grundsätzlich ermöglicht wird. Es kann im all-
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Es ist noch zu erwähnen, dass die sich aus Versuchen ergebene praktische Möglichkeit der Abschaltung einer hohen Stromstärke bei einer niedrigen Spannung gemäss der Erfindung ausserdem die Möglichkeit eröffnet, Kurzschlussleistungen in elektrischen Hochspannungsnetzen abzuschalten. Beim Ausschaltvorgang liegt die hohe Spannung nämlich nicht am Schalter, sondern an der Belastung, so dass in erster Linie nur mit der grossen Stromstärke zu rechnen ist.
Die Abschaltung ist auf Grund des Vorstehenden jetzt möglich. Erst die nach dem Öffnen des Schalters und dem Löschen der Parallelröhre zurückkehrende, hohe Spannung ist in diesem Zusammenhang von Wichtigkeit, was also auf das Treffen von Massnahmen gegen die erneute Bildung eines Lichtbogens zwischen den Kontakten und gegebenenfalls in der Röhre hinausläuft. Solche Massnahmen sind jedoch bekannt und können hier sinngemäss angewendet werden.
Gemäss einem weiteren Merkmal der Erfindung besteht der mechanische Schalter in an sich bekannter Weise aus zwei oder mehreren in Reihe liegenden und gleichzeitig zu öffnenden, beispielsweise miteinander gekuppelten mechanischen Schaltern, wodurch insbesondere bei der Schaltung von hohen Stromstärken bei hoher Spannung die Sicherheit, dass bei rückkehrender Schaltspannung Lichtbogenbildung zwischen den Schaltkontakten verhindert wird, bereits bei geringeren Abständen zwischen den Kontakten erhalten wird. Im Zusammenhang mit der an bestimmte Maximumgrenzen gebundenen Ausschaltgeschwindigkeit mechanischer Schalter ist dies bei Anwendung der Erfindung, wobei sehr kurze Zeiten auf die richtige Weise zu einem vorausbestimmten Programm kombiniert sein müssen, von besonderer Wichtigkeit.
Durch den Umstand, dass die Gesamtspannung zweier in Reihe liegender Lichtbogen höher sein kann als die Spannung eines einzigen Lichtbogens der gleichen Länge wie die der beiden zusammen, wird der Vorteil erhalten, dass die durch die gesamte Lichtbogenspannung bedingte Anodenspannung der Parallelröhre höher ist, wodurch letztere im richtigen Augenblick leichter gezündet werden kann. Die Sicherheit einer
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richtigen Zündung steigt bereits bei der An- wendung von zwei Schaltern praktisch bis zu 100%.
Gemäss einer geeigneten Ausführungsform der
Erfindung wird die Zündung der Röhre mit
Hilfe von durch die Lage des bereits geöff- neten Schalters gesteuerten Mitteln bewerk- stelligt. Durch diese Massnahme wird die Schal- tung vereinfacht, was der Betriebssicherheit zugute kommt.
Zur Löschung der Röhre wird erfindungs- gemäss insbesondere eine Schaltung verwendet, bei der parallel zur Röhre eine Reihenschaltung eines Löschkondensators, eines Hilfskondensators und eines Schalters, vorzugsweise einer Hilfs- entladungsröhre, angeordnet ist, wobei das Ver- hältnis zwischen den Kapazitäten derart gewählt ist, dass die rückkehrende Schaltspannung im wesentlichen vom Hilfskondensator aufgenommen wird. In der nachstehenden Figurbeschreibung wird darauf noch näher eingegangen.
Die Erfindung wird an Hand der beiliegenden
Zeichnung näher erläutert, in der in den schematisch dargestellten Figuren eine Vorrichtung gemäss der Erfindung beispielsweise dargestellt ist.
In Fig. 1 ist eine Gleichspannungsquelle 1 über einen mechanischen Schalter 2 an die Belastung 3 angeschlossen.
Parallel zum Schalter 2 liegt eine Gas-oder Dampfentladungsröhre 4 mit einer Quecksilberkathode 5 und einem Steuerorgan 6 in der Form einer eingetauchten Zündelektrode hohen Widerstandes oder einer kapazitiven Zündelektrode.
Schliesslich sind parallel zur Röhre 4 noch ein Schalter 7 und ein z. B. bereits vorher mit der angegebenen Polarität aufgeladener Kondensator 8 auf bekannte Weise angeschlossen.
Angenommen, dass die Belastung 3 über den erstgeschlossenen Schalter 2 gespeist wird, ist der Vorgang bei Abschalturg folgender : Wird der Schalter 2 geöffnet, so wird zwischen den Kontakten ein Lichtbogen gezogen. Dann wird die Röhre 4 mit Hilfe der Zündelektrode 6 gezündet, so dass der Lichtbogen am Schalter 2 von der Röhre übernommen wird. Dann wird die Röhre durch Schliessung des Schalters 7 gelöscht, u. zw. erfolgt dies dadurch, dass die Anode der Röhre vom geladenen Kondensator 8 genügend in der Spannung herabgesetzt wird, und wenn erforderlich, sogar eine kurze Zeit ein genügend negatives Potential erhält, um die Röhre zu löschen.
Die Röhre wird erfindungsgemäss innerhalb einer so kurzen Zeitdauer t1 gezündet, dass ein für die Kontakte schädlicher Funken-oder Lichtbogen nicht auftritt. In der Figur ist die in diesem Zusammenhang grösstzulässige Lichtbogenlänge zwischen den Kontakten mit a bezeichnet. Die Maximumzeit t1 wird mithin durch den Quotienten zwischen dem Abstand a und der Öffnungsgeschwindigkeit der Kontakte bestimmt, die gegebenenfalls auf Grund der gestellten Anforderungen einen gewissen Mindestwert besitzen soll, aber anderseits aus baulichem
Gesichtspunkt an ein gewisses Maximum ge- bunden ist.
Die Zündung der Röhre 4 innerhalb der bestimmten Zeit t1 kann z. B. in Abhängigkeit von der Lage des beweglichen Schaltarmes 2 mittels eines zusätzlichen Kontaktes oder bei einer elektromagnetischen Ausschaltung mit Hilfe eines geeignet gewählten Zeitkreises auf bekannte Weise erfolgen. Dies wird an Hand der Fig. 2 noch näher erläutert. Ferner wird gemäss der Erfindung eine Röhre 4 von derart geringen Abmessungen angewendet und diese Röhre nach der Zündung nach einer derart kurzen Zeit t2 wiederum gelöscht, dass Neuzündung der Röhre durch die zurückkehrende Schaltspannung 1 verhindert wird.
Das Verhalten der Schaltröhre lässt sich an Hand der Fig. 3 erklären, die qualitativ den Verlauf der Paschen'schen Durchschlagkurve für ein verdünntes Gas darstellt, wobei die Durchschlagspannung Vd als Funktion des Produktes pd von Gasdruck und Elektrodenabstand aufgetragen ist. Während des Schaltvorganges befindet sich die Röhre in einem Zustand, der durch den links vom Minimum liegenden Kurventeil gekennzeichnet ist. Am Ende der Zeit t1 befindet sich die Röhre in einem Zustand, der durch den Punkt A angegeben ist. Während des Brennens des Lichtbogens während der Zeit t2 nimmt der Druck zu, so dass am Ende dieser Zeit am Punkt B der We1t (pd) 2 erreicht wird. Dieser Punkt entspricht der Spannung VB.
Neuzündung tritt nicht auf, solange dafür Sorge getragen wird, dass Vu grösser als die rückkehrende Spannung V ist.
Bei einer gegebenen Spannung V lässt sich diese Bedingung, wie sich aus der Figur ergibt, stets genügen, wenn das Produkt pd auf dem Zweig AB unterhalb eines bestimmten kritischen Wertes (pd) 2 bleibt. Im Vorstehenden sind die Massnahmen angegeben, mit deren Hilfe dies gemäss der Erfindung bewerkstelligt werden kann.
Die Löschung der Röhre erfolgt durch Schliessung des Schalters 7, was gleichfalls in Abhängigkeit vom Schalter 2, gegebenenfalls in Abhängigkeit vom Zündimpuls über die Elektrode 6 erfolgen kann.
Schliesslich sind die Zeiten t1 und t2 derart zu wählen, dass im Zusammenhang mit der Öffnungsgeschwindigkeit des Schalters 2 und den gegebenenfalls angewendeten, zusätzlichen Entionisierungsmitteln innerhalb der gesamten Zeitdauer ti+ der in Fig. 1 mit b bezeichnete Abstand zwischen den Kontakten gross genug ist, um nach der Löschung der Röhre eine erneute Lichtbogenbildung zwischen den Kontakten zu verhindern.
Im dargestellten Fall bildet der Abstand b-a, wenn ausschliesslich die Öffnunggeschwindigkeit des Schalters berücksichtigt wird, daher ein Mass für die Zeit dz
Obwohl in Fig. 1 die Abschaltung von Gleichstrom behandelt wurde, was in der Praxis bisher noch immer als am schwersten zu verwirklichen galt, kann auch Wechselspannung an einem
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beliebigen Punkt innerhalb der Periode, z. B. innerhalb eines Zehntels einer Halbperiode, gemäss der Erfindung zwangsläufig abgeschaltet werden.
In Fig. 2 ist eine Vorrichtung gemäss Fig. 1 dargestellt, bei welcher der Schalter 2 aus Fig. 1 aus zwei in Reihe liegenden und miteinander gekuppelten mechanischen Schaltern 9 und 10 besteht. Der Schalter 10 ist mit einem zusätzlichen Hillsschalter 11 versehen, durch welchen der richtige Augenblick der Zündung der Röhre 4 mittels der Batterie 12, des Relais 13 der Kontakte 14 und des geladenen Kondensators 15 festgelegt wird. Die Kontakte 14 und 16 werden so betätigt oder geschlossen, dass einen kurzen, gegebenenfalls regelbaren Augenblick (t2-t1) nach der Schliessung der erstgenannten Kontakte 14 die letztgenannten Kontakte 16 geschlossen werden.
Die Röhre 17 wird infolgedessen mit Hilfe des geladenen Kondensators 18 gezündet, wodurch der von der Vorrichtung 19 aufgeladene Kondensator 8 (siehe auch 1) sich über den Hilfskondensator 20 durch die Röhre 4 entlädt.
Durch diesen Stoss erlischt die Röhre 4. Der Hilfskondensator 20 ist im Verhältnis zum Kondensator 8 derart bemessen, dass ersterer in der Hauptsache die nach der Löschung der Röhre 4 zurückkehrende Schaltspannung aufnimmt. Bei der Schaltung hoher Spannung ist dies besonders vorteilhaft, da der verhältnismässig grosse Löschkondensator nicht für die rückkehrende, hohe Spannung isoliert zu sein braucht, da die Entladung in der Röhre 17 nach der Ladung des Kondensators 20 rechtzeitig abreisst. Bei einer periodisch wirkenden Vorrichtung ist es emp- fehlenswert, den Kondensator 20 mittels eines Ableitungswiderstandes 21 zu überbrücken, wodurch eine genügende Entladung des Kondensators innerhalb der dazu verfügbaren Zeit erzielt werden kann.
Es bedarf keiner näheren Erläuterung, dass auch andere bekannte Mittel als das dargestellte Relais angewendet werden können, um die richtigen Zeitpunkte der Zündung und Löschung der Röhre 4 zu erhalten.
Bei einer versuchsweise angewendeten Schaltung wurden Spannungen von etwa 20 kV und anderseits Ströme bis zu 200 Amp. mit Hilfe eines mechanischen Schalters und einer Gasentladungsröhre mit einem Elektrodenabstand von einigen cm und einem Volumen von etwa 100 cm3 geschaltet.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Vorrichtung zum Ausschalten von Gleichoder Wechselstrom hoher Spannung von 10 kV und höher, insbesondere grosser Leistungen, die aus einem mechanischen Schalter mit einer oder mehreren parallel zu ihm angeordneten
Gas-oder Dampfentladungsröhren mit Quecksilberkathode besteht, die nach der Öffnung des Schalters selbsttätig gezündet und dann zwangsläufig gelöscht werden, wobei die Röhre von dem Augenblick der Öffnung des Schalters an innerhalb einer bestimmten beschränkten Zeitdauer t1 derart gezündet wird, dass inzwischen ein für die Kontakte schädliches Mass von Funkenoder Lichtbogenbildung verhütet wird, während die Löschung der Röhre innerhalb einer Zeitdauer t2 erfolgt, die derart gewählt wird,
dass nach der Zeit t1 +t2 die Kontakte einen genügenden Abstand voneinander erhalten haben und der Raum zwischen den Kontakten in genügendem Masse entionisiert ist, um eine erneute Funkenoder Lichtbogenbildung an den Kontakten infolge der rückkehrenden Spannung zu verhindern, dadurch gekennzeichnet, dass eine erneute Zündung der Röhre infolge der rückkehrenden Spannung verhindert wird, einerseits durch Anwendung einer Röhre derart geringer Abmessungen und anderseits durch die Wahl einer derart beschränkten Zeit t2 und somit einer beschränkten Druckerhöhung durch Erwärmung der Röhre infolge des Stromdurchganges während der Zeit t2, dass das Produkt von Gasdruck und Elektrodenabstand am Ende der Periode t2 unterhalb des durch die zu schaltende Spannung bestimmten kritischen Wertes liegt.