DE69031818T2

DE69031818T2 - Hochgeschwindigkeitsgleichstrom-Vakuumschalter und damit ausgerüstetes elektrisches Fahrzeug

Info

Publication number: DE69031818T2
Application number: DE69031818T
Authority: DE
Inventors: Hiroyuki Akiyama; Mitsuyoshi Hasegawa; Tadashi Kamada; Takashi Tsuboi; Taro Uchii
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1989-08-04
Filing date: 1990-08-03
Publication date: 1998-07-23
Anticipated expiration: 2010-08-04
Also published as: EP0411663B1; EP0411663A2; KR0179365B1; CN1028063C; CN1049749A; US5214557A; AU6012490A; EP0411663A3; DE69031818D1; KR910004410A; AU629018B2

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

GEBIET DER ERFINDUNG

Diese Erfindung betrifft einen Gleichstromunterbrecher, bei dem ein Vakuumschalter verwendet wird.

BESCHREIBUNG DES STANDS DER TECHNIK

Bei Elektroautos und elektrische Lokomotiven (nachfolgend als elektrische Fahrzeuge bezeichnet) besteht stets die Möglichkeit, daß ein Fehler, wie ein durch ein Versagen eines im Hauptkreis eines Wechselrichters oder eines Zerhackers verwendeten Elements (beispielsweise eines Thyristors, eines GTO-Thyristors oder eines Transistors) hervorgerufener Kurzschluß, ein durch eine unvollkommene Isolation eines Drahtes im Hauptkreis bewirkter Mässeschluß oder ein sich aus einem Fehler im Steuersystem ergebender abnormer Stromanstieg, auftritt. Falls ein solcher Fehler unbeachtet bleibt, wird die Einrichtung brennen. Um diese Störung zu vermeiden, wurden die elektrischen Fahrzeuge mit einem Unterbrecher zum Ausschalten eines zu starken Stroms ausgerüstet.
Bei den bisher verwendeten Luftunterbrechern ist die Unterbrechungsgeschwindigkeit zwischen dem Fließen eines Störstroms und dem Ausschalten des Stroms jedoch aus Gründen des Aufbaus gering und es geschieht manchmal, daß ein Unterbrecher in der stationären Schaltstation des Versorgungsabschnitts, in dem sich das elektrisches Fahrzeug befindet, den Kreis verfrüht öffnet Wenn der Unterbrecher der stationären Schaltstation betätigt wird, kann keines der elektrischen Fahrzeuge innerhalb des von dieser Schaltstation versorgten Versorgungsabschnitts Leistung empfangen, und sie bleiben stehen. Mit anderen Worten breitet sich die in einem elektrischen Fahrzeug auftretende Störung auf andere elektrische Fahrzeuge aus. Wenn eine solche Störung auf der Leitung bei gedrängtem Zugfahrplan auftritt, ist es leicht vorstellbar, daß die Störung nicht nur die elektrischen Fahrzeuge innerhalb des Versorgungsabschnitts, sondern auch die anderer Versorgungsabschnitte beeinflußt.
Dies liegt an der geringen Unterbrechungsgeschwindigkeit des im obenerwähnten elektrischen Fahrzeugs eingerichteten Luftunterbrechers.
Es ist daher ein Bedarf an einem Gleichstrom-Vakuumunterbrecher als einem Unterbrecher mit einer viel höheren Unterbrechungsgeschwindigkeit aufgetreten.
Wie in JP-A-54-132776 beschrieben ist, ist es schwieriger einen Gleichstrom auszuschalten als einen Wechselstrom, da ein Gleichstrom keinen Nullpunkt hat. Um das Ausschalten eines Gleichstroms zu erleichtern, werden als Gegenmaßnahme durch Vorsehen einer Schalteinrichtung (nachfolgend als Schalter bezeichnet) mit einem dazu parallel geschalteten Löschkondensator und durch Bilden eines Schwingkreises (Löschkreises) in Kombination mit der Induktivität der Schaltung Stromnullpunkte künstlich erzeugt. Die zu diesem Zweck angewandten Verfahren lassen sich grob in zwei Gruppen einteilen: die Verfahren, bei denen umgekehrt aufgeladen wird und die Verfahren, bei denen nicht aufgeladen wird.
Das Verfahren, bei dem umgekehrt aufgeladen wird, besteht darin, einen Kondensator aufzuladen und die im Kondensator gespeicherte elektrische Ladung freizugeben, wenn der Schalter geöffnet wird. Bei diesem Verfahren wird eine Schwingung durch den Kondensator und die Induktivität der Schaltung erzeugt. Da dieser Schwingungskreis einen ohmschen Widerstandsanteil aufweist, fällt die Amplitude der Schwingung exponentiell ab.
Wenn die Amplitude der Schwingung in ihrer frühen Stufe durch einen Stromnullpunkt läuft, wird der Lichtbogenstrom im Schalter beseitigt, wodurch das Ausschalten abgeschlossen wird.
Beim Verfahren, bei dem nicht aufgeladen wird, wird andererseits ein Schalter mit einer negativen Lichtbogenkennlinie verwendet, ein Kondensator parallel zu diesem Schalter geschaltet und ein divergent oszillierender Strom erhalten, wenn der Schalter geöffnet wird. Wenn die Amplitude der Schwingung in der divergenten Richtung durch einen Nullpunkt verläuft, wird der Strom ausgeschaltet. Bei diesem Verfahren ist jedoch eine gewisse Zeitdauer erforderlich, bevor die Schwingung anwächst und durch den Stromnullpunkt verläuft.
Es ist daher möglich, den Unterbrecher der stationären Schalteinheit zu betätigen, bevor dies geschieht.
Aus diesem Grund ist es zweckmäßiger, wenn ein Unterbrecher des Verfahrens, bei dem umgekehrt aufgeladen wird, am elektrischen Fahrzeug eingerichtet ist.
Ein in JP-A-54-132776 offenbarter Gleichstromunterbrecher des Verfahrens, bei dem umgekehrt aufgeladen wird, wird nachfolgend beschrieben.
Ein Kondensator ist parallel zum Schalter geschaltet, und es ist durch diesen Kondensator und eine Streumduktivität ein Resonanzkreis gebildet. Bei dieser Anordnung ist die zeitliche Stromänderung, die eine zeitliche Ableitung (di/dt) beim Kreuzen des Stromnullpunkts durch den durch den Schalter fließenden Stroms ist, so groß, daß es schwierig ist, den Strom abzuschalten. Um die zeitliche Stromänderung zu verringern, ist als Lösung hier für zusätzlich zur Streumduktivität eine einige Millihenry (mH) übersteigende Induktivität in Serie mit dem Kondensator geschaltet.
Es sei die Wirkung des Änderns der Größe des Kondensators und der Induktivität auf die obenerwahnte bekannte Technik betrachtet. Falls eine Induktivität von einigen Millihenry verwendet wird, wird der Kondensator einige tausend bis einige zehntausend Mikrofarad (uF) aufweisen. Der Kondensator wird daher sehr groß werden.
Bei den elektrischen Fahrzeugen sind die Einrichtungen unter dem Boden und über dem Dach angebracht. Der Raum zum Anbringen von Einrichtungen ist sehr beschränkt, und wenn irgendein Gerät zu groß ist, kann es nicht am elektrischen Fahrzeug angebracht werden.
In DE-A-2 742 965 ist ein Gleichstrom-Vakuumunterbrecher mit den Merkmalen des ersten Teils des Anspruchs 1 offenbart. In US-A-4 056 836 ist ein ähnlicher Gleichstromunterbrecher beschrieben, bei dem jedoch kein im Gleichstromkreis enthaltener Vakuumschalter verwendet wird. Die Verwendung von Vakuumschaltern zum Unterbrechen eines Gleichstroms ist an sich aus FR-A-1 504 976 bekannt.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Gleichstrom-Vakuumunterbrecher vom umgekehrt aufladenden Typ zum Anbringen an elektrischen Fahrzeugen vorzusehen, der es ermöglicht, hohe Gleichströme sicher und ohne daß ein großer Kondensator erforderlich ist, zu unterbrechen.
Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 definierte Erfindung gelöst. Bei diesem Unterbrecher kann die Schwingtrequenz cies Übe rtragungskreises 2 kHz oder mehr betragen. Daher dient die Streuinduktivität in ausreichendem Maße als Löschdrossel, und es kann ein erheblich kleinerer Löschkondensator verwendet werden. Ein solches kleines Element kann in einem begrenzten Raum unter dem Boden des elektrischen Fahrzeugs angebracht werden.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Fig. 1 ist ein Diagramm zur Darstellung einer Ausführungsform dieser Erfindung;
Fig. 2 ist ein Diagramm zur Darstellung der Beziehung zwischen der Löschkapazität, der Löschinduktivität, der Löschftequenz und dem Löschstrom;
Fig. 3 ist ein Diagramm zur Darstellung des Löschprinzips dieser Erfindung;
Fig. 4 ist ein Diagramm zur Darstellung eines in einem Kasten untergebrachten sehr schnellen Gleichstrom-Vakuumunterbrechers gemäß dieser Erfindung;
Fig. 5 ist ein Diagramm zur Darstellung von Kurvenformen beim Betrieb;
Fig. 6 ist ein Diagramm zur Darstellung einer Anwendung des sehr schnellen Gleichstrom-Vakuumunterbrechers gemäß dieser Erfindung auf ein elektrisches Fahrzeug; die Figuren 7 bis 10 sind Diagramme zur Darstellung anderer Ausführungsformen dieser Erfindung;
Fig. 11 ist ein Diagramm zur Darstellung einer experimentellen Einrichtung;
Fig. 12 ist ein Diagramm zur Darstellung einer weiteren Ausführungsform dieser Erfindung;
Fig. 13 ist ein Diagramm zur Darstellung der Kennlinie einer sättigbaren Drosselspule;
Fig. 14 ist ein Diagramm zur Darstellung der Wirkung der Ausführungsform aus Fig.
Fig. 15 ist ein Diagramm zur Darstellung einer Modifikation der Ausführungsform aus Fig. 12;
Fig. 16 ist ein Diagramm zur Darstellung eines in einem elektrischen Fahrzeug angebrachten herkömmlichen Luftunterbrechers; und die Figuren 17 bis 19 sind Diagramme zur Darstellung des in einem elektrischen Fahrzeug angebrachten sehr schnellen Gleichstrom-Vakuumunterbrechers.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Beim Verfahren gemäß JP-A-54-132776, welche oben erwähnt wurde, bei dem umgekehrt aufgeladen wird, kann der Strom bei einer Frequenz des Oszillationsstroms von 1 kllz oder darüber nicht sicher durch einen Löschkondensator und eine Induktivität, die zum Schalter parallel geschaltet sind, ausgeschaltet werden. Dies liegt daran, daß die zeitliche Stromänderung unter der obenerwähnten Bedingung so groß wird.
Die Beziehung zwischen der Schwinglrequenz, der Induktivität und der Kapazität des Gleichstromunterbrechers wird kurz beschrieben.
Die Unterbrechungsfähigkeit eines Unterbrechers (ein Maß für die Größe eines ausschaltbaren Hauptstroms) hängt von der Stärke des vom umgekehrt aufgeladenen Löschkondensator aus in der zum Hauptstrom entgegengesetzten Richtung fließenden Löschstroms ab. Es ist mit anderen Worten zum Beseitigen des im Schalter erzeugten Lichtbogens erforderlich, daß der Spitzenwert des Löschstroms größer als der Hauptstrom ist. Der Löschstrom i kann durch die folgende Gleichung angegeben werden.
wobei
R: Ohmscher Widerstandsanteil des Löschkreises
L: Induktivitätsanteil des Lösclikreises
C: Kapazität des Löschkondensators
Besteht der Löschkreis aus einem Draht mit einer ausreichenden Querschnittsfläche, so kann der Widerstandsanteil im wesentlichen als null angesehen werden. Daher wird Gleichung (1) folgendermaßen aussehen:
Aus Gleichung (2) ergibt sich der Spitzenwert des Löschstroms als
Zum Erhöhen des Löschstroms Ip ist es nur erforderlich, die Ladespannung V oder die Kapazität C des Löschkondensators zu erhöhen oder die Induktivität L zu verringern.
Die Eigenfrequenz f&sub0; des Löschkreises ergibt sich aus der folgenden Gleichung.
Falls daher die Frequenz f&sub0; und der Maximalstrom Ip festgelegt sind, ergeben sich die Induktivität L und die Löschkapazität C aus den folgenden Gleichungen.
Ein mögliches Verfahren zum Verringern der Löschkapazität C ohne die Löschfähigkeit zu ändern besteht daher darin, die Ladespannung des Löschkondensators zu erhöhen. Ein mit diesem Verfahren verbundenes Problem besteht jedoch darin, daß die Induktivität L groß wird. Es ist hinsichtlich der Auslegung des Isolierwiderstands nicht ratsam, eine Ladespannung V des Kondensators zu verwenden, die sehr viel höher ist als die Schaltungsspannung, da hierdurch die Größe der Schaltung und der verwendeten Elemente erhöht wird.
In Fig. 2 ist die Beziehung zwischen der Kapazität, der Induktivität L und dem Spitzenwert Ip des Löschstroms entsprechend den oben angegebenen Gleichungen dargestellt.
Wenn beispielsweise eine Frequenz von 1 kHz und ein Löschstrom von 10 kA angenommen werden, beträgt die Kapazität des Kondensators 1000 uF, und die Induktivität 20 uH. Es wird im allgemeinen davon ausgegangen, daß die Größe des Kondensators mit dieser Kapazität in etwa 800 mm Breite) x 500 mm (Tiefe) x 500 mm (Höhe) beträgt. Ein Kondensator dieser Größe ist zu groß, um unter dem Boden von elektrischen Fahrzeugen angebracht zu werden.
Es ist aus Fig. 2 offensichtlich, daß zum Verringern der Löschkapazität C und der Löschinduktivität L nur die Frequenz f&sub0; des Löschkreises erhöht werden muß.
In JP-A-54-132776, die oben erwähnt wurde, und auch in "DC Circuit Breaker for Critical Plasma Test Equipment JT-60" aus "Journal of the Institute of Electrical Engineers of Japan", Juni 1978, Bd. 98, Nr.6, Seite 44 wird jedoch festgestellt, daß die Grenzfrequenz des Löschstroms etwa 1 kHz beträgt. Dies liegt daran, daß es wegen eines großen Stromabfalls in der Nähe des Stromnullpunkts schwierig ist, den Strom zu unterbrechen.
Es ist unter den gegenwärtigen Bedingungen nicht möglich, die Löschkapazität C und die Löschinduktivität L zu verringern.
Der Vakuumunterbrecher wird nun kurz beschrieben.
Wenn der Schalter, durch den ein Strom fließt, in Luft geöffnet wird, werden die sich zwischen den Elektroden befindenden Atome ionisiert. Durch das Fließen dieser Atome wird ein Lichtbogen gebildet. Da sich andererseits im Vakuum keine Atome zwischen den Elektroden befinden, ergibt sich im Prinzip, daß sich kein Lichtbogen bildet, wenn der Schalter im Vakuum geöffnet wird. Ein Vakuumschalter arbeitet nach diesem Prinzip. Andererseits besteht hierin der Grund, aus dem der Vakuumunterbrecher bei einer hohen Geschwindigkeit arbeitet. Es ist jedoch schwierig, einen Zustand eines vollkommenen Vakuums zu erzeugen. Es ist eine Tatsache, daß beim Öffnen des Schalters zum Teil deshalb, weil Metallatome aus den Elektroden beim Öffnen des Schalters schmelzen, ein Lichtbogen durch eine Lichtbogenspannung von einigen zehn Volt erzeugt wird, weshalb weiterhin ein Strom fließt. Um diesen Lichtbogen zu Löschen, ist der Löschkreis erforderlich.
Um zu dem zuvor Erörterten zurückzukehren, sei bemerkt, daß die Kapazität und die Induktivität verringert werden können, wenn die Löschfrequenz erhöht wird. Es wird davon ausgegangen, daß dies nicht zu verwirklichen ist, da es einen Grenzwert für die maximale Löschfrequenz gibt.
Die Erfinder haben ein Experiment durchgeführt, das im folgenden beschrieben wird.
In Fig. 11A ist eine Meßschaltung dargestellt. Ein Strom von einer Gleichspannungsquelle 7 wird zu einem Störstrom, wenn er durch veränderliche Lasten 9a, 9b fließt.
Anfänglich ist ein Leitungsunterbrecher 16 in den Ausschaltzustand versetzt, und ein Vakuumschalter 2 ist in den angeschlossenen Zustand versetzt. Hauptströme IL, IC sowie eine Spannung VVCB sind die wichtigsten zu messenden Größen. Die experimentelle Vorgehensweise ist die folgende: Der Leitungsunterbrecher 16, der ausgeschaltet worden ist, wird eingeschaltet, um einen Störstrom zu erzeugen. Wenn der Meßwert eines Überstromdetektors 8a einen Vorgabewert übersteigt, gibt der Steuerabschnitt einen Auslösebefehl ab, durch den eine Rückkopplungsspule 2b erregt wird, und der Vakuumschalter 2 wird geöffnet, um den Strom auszuschalten. Daraufhin wird der Leitungsunterbrecher 16 ausgeschaltet, und es wird ein Rücksetzbefehl ausgegeben, um das Schließen des Vakuumschalters 2 zu bewirken. Weiterhin wird ein nachfolgendes Experiment durchgeführt.
Da dieses Experiment in dem Bereich ausgeführt wurde, in dem das Ausschalten eines Stroms als unmöglich angesehen wurde, wurde in den mehreren anfanglichen Sitzungen (die Nummern 1 bis 4 in der folgenden Tabelle) zu im Steuerabschnitt festgelegten Zeitpunkten ein Auslesebefehl ausgegeben, ohne daß der Überstromdetektor 8a verwendet wurde. Daher sind die später zu beschreibenden Vorgabewerte nicht dargestellt.
Die Begriffe werden Bezug nehmend auf Fig. 1 iB erklärt.
Die durchgezogenen Linie in Fig. 1 iB bezeichnet den Strom IL, und die abwechselnd mit langen und kurzen Strichen versehene Linie bezeichnet die Stronikurve in einem Fall, in dem der Störstrom nicht ausgeschaltet und nicht dazu gebracht wurde, fortlaufend zu fließen. Die Vorgabewerte sind die Betriebsstromwerte, die die durch den Überstromdetektor 8a gemessenen Werte sind und bei denen der Schaltungsunterbrecher betätigt wird. Der eigentliche Unterbrechungsstrom ist der Arbeitspunkt des Unterbrechers. Der Unterbrechungsstrom bezeichnet die Unterbrechungsfähigkeit des Unterbrechers.
Die folgende Tabelle zeigt das Ergebnis des Experiments, in dem der Strom erfolgreich ausgeschaltet wurde. TABELLE
Durch diese Tabelle wurde bewiesen, daß der Strom bei einer Versorgungsspannung von 1600 V, einem Vorgabewert von 2080 A und einer Löschftequenz von 11,1 kHz ausgeschaltet werden kann. Die Löschfrequenz ist etwa zehnmal so groß wie der als brauchbar angesehene Wert. Indem die Löschfrequenz auf einen hohen Wert gebracht wird, kann auf die Löschdrosselspule verzichtet werden, und die Streuinduktivität der Drähte ist der einzige zu verwendende Induktivitätsanteil. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die Löschkapazität auf nur 50 uF verringert werden kann.
Die Streumduktivität von etwa 1 uH bleibt selbst dann bestehen, wenn die Verdrahtung auf die kürzest mögliche Länge verringert wird. Daher beträgt die höchste mögliche Löschfrequenz etwa 30 bis 40 kHz. Es sei bemerkt, daß der Wert der Löschkapazität in diesem Fall etwa 30 uH beträgt.
Eine Ausführungsform dieser Erfindung wird Bezug nehmend auf Fig. 1 beschrieben.
Der Hauptstrom von der Gleichstromquelle 7 läuft durch den Vakuumschalter 2a und die statische Überstrom-Auslösevorrichtüng 8, 8a und erreicht die Last 9. Zwischen die Pole des Vakuumschalters 2a ist ein Serienelement mit dem Löschkondensator 4 und einer Löschschalteinheit 6 als Schalteinrichtung des Schalters parallel zum Vakuumschalter 2a geschaltet. Ein in einer anderen Schleife enthaltener, sich von der Schaltung mit dem Löschkondensator 4 usw. unterscheidender nicht-linearer Zinkoxidwiderstand 3 ist parallel zum Vakuumschalter 2 geschaltet. Die Streumduktivität dieses geschlossenen Kreises ist kleiner als die eines den Löschkondensator 4 usw. enthaltenden geschlossenen Kreises. Die Drahtlänge des durch den nicht-linearen Zinkoxidwiderstand 3 und den Vakuumschalter 2a gebildeten geschlossenen Kreises ist mit anderen Worten geringer.
Wenngleich dies in der Figur nicht dargestellt ist, ist eine Schaltung zum Aufladen den Löschkondensator 4 überbrückend geschaltet.
Wenn die Auslösevorrichtung 8 für einen statischen Uberstrom einen abnormen Strom erfaßt, wird die Hauptabstoßungsspule 2b erregt, um der kurze Ring 2c von dieser wegzustoßen, so daß der Vakuumschalter 2a geöffnet wird.
Das Arbeitsprinzip dieser Erfindung wird mit Bezug auf Fig. 3 beschrieben.
In Fig. 3A ist dargestellt, wie der Hauptstrom durch den geschlossenen Vakuumschalter 2a fließt. Der Löschkondensator 4 wird in der in der Figur dargestellten Richtung aufgeladen. Wenn ein Öffiiungsbefehl entsprechend dem Fehlerzustand ausßegeben wird, wird der Vakuumschalter 2a geöffnet, wie in Fig. 3B dargestellt ist. Nachdem der Schalter geöflhet worden ist, fließt der Hauptstrom weiterhin in Form eines Lichtbogens im Vakuum. Daraufhin wird ein Einschaltbefehl zum Löschschalter 6 übertragen, der dadurch geschlossen wird, wie in Fig. 3C dargestellt ist. In diesem Moment ist ein geschlossener Kreis gebildet, der über den Löschkondensator 4, die Streumduktivität 5, die Löschschalteinheit 6 und den Vakuumschalter 2a verläuft und wieder zum Löschkondensator 4 zurückführt, und die im Löschkondensator C gespeicherte elektrische Ladung beginnt als oszillierender Strom entgegengerichtet zum Hauptstrom zu fließen. Wenn sich der Strom im Vakuumschalter 2a zur richtigen Zeit null (einige Ampere) nähert, wird der Lichtbogen gelöscht. In dem Moment, in dem der Lichtbogen ausgeht, verschwindet jedoch der nach dem Lichtbogen fließende Strom, der zuvor aufgetreten ist (die Reste des Stroms, der als Lichtbogen durch den Vakuumschalter 2a geflossen ist) und tritt als eine an den Vakuumschalter 2a angelegte Spitzenspannung (dv/dt) auf, wodurch wiederum ein Lichtbogen gezündet wird. In dieser Ausführungsform ist die Drahtlänge des parallel zum Vakuumschalter 2a geschalteten nicht-linearen Zinkoxidwiderstands 3 kürzer ausgelegt als die Drahtlänge des Löschkreises, und die Induktivität auf der Seite des nicht-linearen Zinkoxidwiderstands 3 ist daher gering.
Es ist daher im Gegensatz zu einem Fall, in dem die Induktivität im Verhältnis zum sich ändernden Strom groß ist, für den Strom leichter, zu der Seite zu fließen, auf der sich der nichtlineare Zinkoxidwiderstand 3 befindet.
Der nichtlineare Zinkoxidwiderstand 3 hat einen kapazitiven Anteil, und sein Betrag ist etwa das 2000fache der Kapazität des Vakuumschalters 2a bei geöffnetem Schalter.
Unter Berücksichtigung hiervon wird die Verhinderung eines am Vakuumschalter 2a auftretenden Wiederzündens beschrieben. In dem Moment, in dem der Lichtbogen gelöscht wird, fließt der nach dem Lichtbogen auftretende Strom zu der kapazitiven Komponente, zu der er am leichtesten fließen kann. In diesem Fall fließt der nach dem Lichtbogen auftretende Strom in den nicht-linearen Zinkoxidwiderstand 3, so daß verhindert wird, daß eine Spitzenspannung an den Vakuumschalter 2a angelegt wird, und es kann ein Wiederzünden eines Lichtbogens verhindert werden.
In der obigen Ausführungsform wurde der nichtlineare Zinkoxidwiderstand als ein typisches Element behandelt. Statt dieses Widerstands kann jedoch irgendein anderes Element verwendet werden, solange es Energie verbraucht und eine konstante Spannungskennlinie und einen gewissen kapazitiven Anteil hat.
Der Spitzenwert Ip des Löschstroms sollte vorzugsweise mehr als das 1,2-Fache des eigentlichen Unteibrechungsstroms betragen. Der Betrag des eigentlichen Unterbrechungsstroms ist durch die Ausgangsleistung der Last in der Art eines elektrischen Fahrzeugs und die Versorgungsgleichspannung bestimmt. Bei einer Ausgangsleistung des elektrischen Fahrzeugs von etwa 500 bis 6000 kW und einer Versorgungsgleichspannung von etwa 600 bis 3000 V sollte der Wert Ip des Löschstroms vorzugsweise mindestens 5000 A betragen.
Auf diese Weise wird der Lichtbogen vollständig gelöscht, und der Hauptstrom lädt den Löschkondensator 4 so, wie in Fig. 3D dargestellt ist.
Es wird eine konstante Spannung des nicht4inearen Zinkoxidwiderstands 3 ausgewahlt, die höher ist als die Versorgungsspannung E. Wenn die Spannung des Löschkondensators 4 ansteigt und die Löschschalteinheit 6 geöffnet wird, wie in Fig. 3E dargestellt ist, wird die in der Induktivität des Hauptstroms gespeicherte Energie verbraucht. In diesem Fall wirkt der nichtlineare Zinkoxidwiderstand 3 als ein Widerstand.
Die verschiedenen Kurvenformen beim Auslösen des Unterbrechers werden Bezug nehmend auf Fig. 5 beschrieben.
In Fig. 5 bezeichnet die Abszisse den Zeitablauf.
Es sei angenommen, daß der Hauptstrom infolge einer Störung ansteigt und den Vorgabewert des Überstroms an einem Punkt (a) übersteigt. Der Überstrom wird erfaßt, ein Öffiiungsbefehl wird an den Hauptpol ausgegeben, und der Vakuumschalter wird am Punkt (b) geöffnet. Der Hauptstrom fließt durch eine Lichtbogenbildung weiterhin über den Spalt im Vakuum. An einem Punkt (c) wird die Löschschalteinheit 6 geschlossen, so daß ein Löschstrom zu fließen beginnt. Der durch den Vakuumschalter 2a fließende Strom wird am Punkt (d) zur rechten Zeit null, indem er sich mit dem Löschstrom aufhebt. Der nach dem Lichtbogen auftretende Hauptstrom fließt zum nicht-linearen Zinkoxidwiderstand 3, wodurch ein Ansteigen der Spitzenspannung an den Polen des Vakuumschalters 2a verhindert wird. Hiernach steigt der zum Löschkondensator 4 fließende Strom an, und die Entladungsstartspannung des nichtlinearen Zinkoxidwiderstands 3 wird an einem Punkt (e) zur rechten Zeit erreicht. Der Strom fließt zum nicht-linearen Zinkoxidwiderstand 3, der die in der Induktivität des Hauptkreises gespeicherte Energie verbraucht, so daß der Hauptstrom geschwächt wird und an einem Punkt (f) ein vollständiges Ausschalten des Stroms erreicht wird.
Die Anordnung der oben beschriebenen Schaltung wird Bezug nehmend auf Fig. 4 beschrieben. Fig. 4 ist ein Diagramm zur Darstellung des Layouts des Inneren des unter dem Boden eines elektrischen Fahrzeugs angebrachten Kastens 10. Der Kasten 10 des sehr schnellen Gleichstrom-Vakuumunterbrechers enthält einen Vakuumschalter 2a, eine Erregerspule 2b, einen Löschkondensator 4, eine Löschschalteinheit 6, einen nicht-linearen Zinkoxidwiderstand 3 und andere Elemente. Die Drahtlänge der den Löschkondensator 4 enthaltenden geschlossenen Schleife sollte soweit wie möglich gekürzt sein. Wie aus Fig. 4 klar ersichtlich ist, ist dies schwierig, da der Löschkondensator 4 so groß ist. Daher wurde der Draht des nicht-linearen Zinkoxidwiderstands 3 gekürzt. Es sei bemerkt, daß der Kasten 550 mm Breite) x 600 mm (Tiefe) x 500 mm (Höhe) mißt. Der Grund für die geringe Höhe von 500 mm besteht darin, daß auf die Verwendbarkeit in elektrischen Fahrzeugen für Untergrundbahnen geachtet wurde.
Die experimentellen Ergebnisse und die Ausführungsformen werden zusammengefaßt werden. In den beiden obenerwähnten bekannten Beispielen wurde angenommen, daß der Strom nicht bei einer Löschstromftequenz von 1 kllz oder darüber ausgeschaltet wer den kann. Dies lag daran, daß die zeitliche Änderung des Unterbrechungsstroms (di/dt) so groß war, daß zwangsläufig ein Lichtbogen gezimdet wurde. Durch das Experiment der Erfinder hat sich klar herausgestellt, daß der Strom bei Frequenzen von 1 kHz oder darüber ausgeschaltet werden kann.
In Übereinstimmung mit dem experimentellen Ergebnis ist in der obenerwähnten Ausführungsform keine Drosselspule in den Löschkreis eingefügt. Um genauer zu sein, ist die Induktivität des Löschkreises nur die Streumduktivität des Drahtes (die Löschdrosselspule 5 ist die Streumduktivität). Die Löschkapazität 4 und die Löschstromfrequenz werden bei Annahme einer Induktivität von 5 uH berechnet. Die Löschkapazität läßt sich folgendermaßen ausdrücken:
Die Kapazität wird unter der Annahme berechnet, daß die Ladespannung 1500 V beträgt und das der maximale Löschstrom Ip 6000 A beträgt.
Hierbei beträgt die Löschfrequenz f:
wobei f 8 (kHz).
Diese Ausführungsform bietet zusätzlich zur Beseitigung der Löschdrosselspule 5 durch Verkleinern des Löschkondensators 4 den Vorteil, daß der nächste Nullpunkt selbst dann sehr schnell kommt, wenn das Ausschalten des Stroms beim ersten Nullpunkt aus irgendeinem Grunde fehlgeschlagen ist, da die Frequenz hoch ist.
Nun wird Bezug nehmend auf Fig. 6 ein Fall beschrieben, in dem ein sehr schneller Gleichstrom-Vakuumunterbrecher in einem elektrischen Fahrzeug verwendet wird.
Normalerweise befindet sich der sehr schnelle Gleichstrom-Vakuumunterbrecher 1 in einem geschlossenen Zustand. Darauflim wird ein Scherenstromabnehmer 15 angehoben, um Kontakt zu einer elektrischen Oberleitung herzustellen, und die Leitungsunterbrecher 16, 18 werden geschlossen. Ein Filterkondensator 21 mit einer großen Kapazität wird über einen Ladewiderstand 19 aufgeladen. Nach dem Aufladen des Kondensators wird ein Leitungsunterbrecher 17 geschlossen, wodurch der Vakuumunterbrecher betätigbar gemacht wird. Wenn der Techniker eine nicht dargestellte Hauptsteuereinheit betätigt, versetzt eine Hauptmotor-Steuereinrichtung einen nicht dargestellten Motor entsprechend der veränder ten Variablen in Bewegung.
Wenn der Techniker während des Leistungsbetriebs eine Auskopplung vornimmt, verringert die Hauptmotorsteuereinrichtung den Hauptstrom (insbesondere wenn ein Wechselrichter verwendet wird) und öffnet dann die Leitungsunterbrecher 16, 17, um den Strom auszuschalten. Dies wird als Aufbrechen zur Stromverringerung bezeichnet.
Nun werden Arbeitsgänge beim Auftreten einer Störung beschrieben.
Eine Störung wird in zwei Fällen erfaßt. Der erste Fall tritt dann auf, wenn der Überstromdetektor 8a erkennt, daß der Hauptstrom den Vorgabewert übersteigt. Der zweite Fall tritt auf, wenn ein Fehler in einem Bauelement oder etwas Änlichem in der Hauptmotorsteuereinrichtung erfaßt wird und ein externer Auslösebefehl ausgegeben wird.
Wenn irgendwelche dieser Signale in die Steuereinrichtung im sehr schnellen Gleichstrom-Vakuumunterbrecher 1 (nachfolgend als Steuereinrichtung bezeichnet) eingegeben werden, sendet die Steuereinrichtung einen Auslösebefehl zur Rückkopplungsspule 2b. Der Vakuumschalter 2a wird durch die Rückstellkraft geöffnet, und der Vakuumschalter 2a wird durch den Verriegelmechanismus in diesem geöffheten Zustand gehalten. Daraufhin sendet die Steuereinrichtung in etwa zu der Zeit, zu der der Vakuumschalter in die Position geöffnet wird, in der der Löschstrom wirksam arbeitet (durch eine Zeitsequenz betätigt) einen Löschbefehl zur Abstoßungsspule 6a, um die Löschschalteinheit 6 zu betätigen. Infolgedessen entlädt der zuvor aufgeladene Löschkondensator 4 den Löschstrom, so daß ein Ausschalten vorgenommen wird, wie oben beschrieben wurde. Wenn das Ausschalten abgeschlossen ist, beträgt der Hauptstrom null, was dazu führt, daß die Steuereinrichtung einen LB-Aus-Befehl sendet, durch den die Leitungsunterbrecher 16, 17 geöffnet werden.
Wenn sich der Vakuumunterbrecher von der Störung erholt, drückt der Techniker den Rücksetzknopf an seinem Pult, wodurch der Rücksetzvorgang eingeleitet wird.
Wenn ein Rücksetzbefehl in die Steuereinrichtung eingegeben wird, sendet diese einen Rücksetzbefehl zu einer Rücksetzspule, so daß der Verriegelmechanismus gelöst wird und der Vakuumschalter 2a dann geschlossen wird. Daraufhin wird ein Ladestrom geliefert, um den Löschkondensator 4 auf einen vorgegebenen Wert aufzuladen, und der sehr schnelle Gleichstromunterbrecher 1 wird in den Bereitschaftszustand versetzt.
Es ist gemäß dieser Ausführungsform möglich, das elektrische Fahrzeug mit einem sehr schnellen Hochleistungs-Gleichstrom-Vakuumunterbrecher mit verringerter Größe zu versehen, der insbesondere am elektrischen Fahrzeug angebracht werden kann, und es ist hierdurch möglich, einen Störstrom früher auszuschalten als dies der Unterbrecher an der bodengestützten Schaltstation leisten kann. Hierdurch werden Folgewirkungen ausgeschlossen, die die Störung ansonsten auf zahlreiche andere elektrische Fahrzeuge haben würde.
Eine andere Ausführungsform dieser Erfindung wird Bezug nehmend auf Fig. 7 beschrieben.
Wie in Fig. 7 dargestellt ist, bestehen die Unterschiede gegenüber der Schaltungsanordnung aus Fig. 1 darin, daß der nichtlineare Zinkoxidwiderstand 3 Seite an Seite parallel zur Löschschaltung (mit dem Löschkondensator 4 und der Löschschalteinheit 6) geschaltet ist und daß ein Kondensator 30 zum Absorbieren von Überspannungen parallel zu einem Vakuumschalter 2a geschaltet ist und sich in der Nähe von diesem befindet (so daß die Drahtlänge des zuletzt erwähnten Zweiges kürzer ist als die geschlossene Schleife des Löschkreises).
Wenn der Löschstrom bei dieser Schaltung in den Vakuumschalter 2a fließt und der Lichtbogen gelöscht wird, fließt der größere Teil des nach dem Lichtbogen auftretenden Stroms zum Kondensator 30 zum Absorbieren von Uberspannungen, wodurch die Spannungsanstiegsrate unterdrückt wird, so daß ein erneutes Zünden des Lichtbogens verhindert wird.
Es ist erforderlich, für den Kondensator 30 eine größere Kapazität als die des geöffneten Vakuumschalters auszuwählen. Es ist wichtig, daß nie eine zu große Kapazität ausgewählt wird, da ein Kondensator mit einer zu großen Kapazität eine zu hohe Größe aufweist, um am elektrischen Fahrzeug angebracht zu werden.
Die Wirkung dieser Ausführungsform besteht darin, daß die Kapazität des Kondensators 30 zum Absorbieren von Überspannungen entsprechend dem Verwendungszweck ausgewählt werden kann. Falls der nichtlineare Zinkoxidwiderstand 3 beispielsweise groß ist, kann die Streuinduktivität nicht klein genug sein. Es ist in diesem Fall nur erforderlich, einen kleinen Überspannungen absorbierenden Kondensator 30 auszuwählen.
Eine weitere Ausführungsform wird Bezug nehmend auf Fig. 8 beschrieben.
Der einzige Unterschied gegenüber der Schaltungsanordnung aus Fig. 7 besteht darin, daß ein Widerstand 31 parallel zum nicht4inearen Zinkoxidwiderstand 3 geschaltet ist.
Wenn der Vakuumschalter 2a geöffiiet ist und der nichtlineare Zinkoxidwiderstand 3 in Betrieb genommen ist, nimmt der Widerstand 31 am Energieverbrauch teil, wenn die in der Streuinduktivität 5 der Gleichstromquelle 7 gespeicherte Energie hoch ist. Hierdurch wird die Belastung des nichtlinearen Zinkoxidwiderstands 3 verringert. In diesem Fall verschwindet der Hauptstrom jedoch nicht vollständig, sondern fließt weiterhin und in dieser Reihenfolge von der Gleichstromquelle 7 zum Widerstand 31 und zur Last 9, so daß es erforderlich sein wird, eine Schalteinheit zum Ausschalten eines niedrigen Stroms vorzusehen.
Eine weitere Ausführungsform wird Bezug nehmend auf Fig. 9 beschrieben. Der Unterschied gegenüber der Schaltungsanordnung aus Fig. 8 besteht darin, daß auf den nicht-linearen Zinkoxidwiderstand 3 verzichtet wurde. Nur der Widerstand 31 verbraucht die im Streuwiderstand gespeicherte Energie. Der Widerstand 31 hat keine konstante Spannungskennlinie, wie dies beim nicht-linearen Zinkoxidwiderstand 3 der Fall ist, so daß der Strom weiterfließt Es ist in diesem Fall weiterhin erforderlich, einen weiteren Unterbrecher vorzusehen.
Gemaß dieser Ausführungsform ist die Schaltungsanordnung sehr einfach, und der Preis ist geringer. Diese Ausführungsform ist daher dazu geeignet, einen relativ kleinen Strom auszuschalten.
Eine weitere Ausführungsform wird Bezug nehmend auf Fig. 10 beschrieben.
Der Unterschied gegenüber der Schaltungsanordnung aus Fig. 7 besteht darin, daß der nichtlineare Zinkoxidwiderstand parallel zum Kondensator 30 zum Absorbieren von Überspannungen geschaltet ist.
Diese Ausführungsform ist in einem Fall wirksarn, in dem der nichtlineare Zinkoxidwiderstand 3 nicht ausreicht, um den erforderlichen Kapazitätsbetrag zu erfüllen, wodurch eine Möglichkeit auftritt, daß wieder ein Lichtbogen gezündet wird.
Eine weitere Ausführungsform wird Bezug nehmend auf die Figuren 5, 12, 13, 14 und 15 beschrieben.
In Fig. 5(c) ist der zeitliche Ablauf dargestellt, bei dem der Löschschalter geschlossen wird, in (d) ist der zeitliche Ablauf dargestellt, bei dem die Spannung des Vakuumschalters null annimmt, in (e) ist der zeitliche Ablauf dargestellt, bei dem sich der nichtlineare Zinkoxidwiderstand zu entladen beginnt, und in (t) ist der zeitliche Ablauf dargestellt, bei dem der Hauptstrom vollständig abgeschwächt wird. V&sub1; bezeichnet die an den Vakuumschalter angelegte Spannung, kurz nachdem der Vakuumschalter seine Durchschlagsfestigkeit (die zu dieser Zeit im wesentlichen der Spannung am Löschkondensator gleicht) wiedererlangt hat. V&sub2; bezeichnet die Entladungsstartspannung des nicht-linearen Zinkoxidwiderstands, und V&sub3; bezeichnet die Versorgungsspannung.
Im Vakuumschalter verflüchtigt sich der Lichtbogen sehr schnell, und die Durchschlagsfestigkeit wird in dem Moment wiederhergestellt, in dem sich der Strom auf null abschwächt, so daß der Strom ausgeschaltet wird. Wenn die Änderungsrate (di/dt) des Schalterstrom zu groß ist wenn der Strom null wird, geschieht es jedoch gelegentlich, daß wiederum ein Lichtbogen gezündet wird und der Strom wiederum in umgekehrter Richtung fließt (Ausschaltfehler). Es wird angenommen, daß der Grund dafür der folgende ist: Im Prinzip sollte die Durchschlagsfestigkeit des Schalters in dem Moment wiederhergestellt werden, in dem sich der Strom im Vakuumschalter auf null abgeschwächt hat, und der Schalterstrom sollte von diesem Moment an bei null gehalten werden. Es ist jedoch so, daß der Strom des Hauptkreises, dem der oszillierende Strom überlagert ist, fließt, während die zwischen den Polen des Schalters auftretende Spannung null ist. Es sei bemerkt, daß es zum Verringern der Größe der Einrichtung, so daß diese am elektrischen Fahrzeug angebracht werden kann, erforderlich ist, die Werte des Löschkondensators und der Löschdrosselspule wie oben erwähnt zu verringern, andere Konstanten zu verkleinern und die Frequenz des oszillierenden Stroms bei festen Spitzenwerten zu erhöhen. Hierdurch wird die Stromänderungsrate dann groß, wenn der durch den Vakuumschalter fließende Strom auf null abgeschwächt worden ist, wodurch eine Möglichkeit gegeben ist, daß wieder ein Lichtbogen gezündet wird.
Ein Beispiel aus dem Stand der Technik zur Lösung dieses Problems ist in JP-A-59-163722 offenbart, worin vorgeschlagen ist, daß ein Widerstand in Serie mit dem Löschkondensator geschaltet wird. Bei dieser Technik wird jedoch ein Teil der Löschenergie durch den Widerstand verbraucht, verringert sich der Spitzenwert des Löschstroms und wird der maximale Unterbrechungsstrom klein.
Eine Lösung gemäß der vorliegenden Ausführungsform besteht darin, eine sättigbare Drosselspule 32 in Serie mit dem Vakuumschalter 21 im geschlossenen Löschkreis zu schalten, wie in Fig. 12 dargestellt ist.
Die sättigbare Drosselspule 32 weist die in Fig. 13 dargestellte Kennlinie auf, bei der die Induktivität idealerweise sehr groß ist, wenn der durch den Schalter fließende Strom klein ist, und bei der sich die Induktivität schnell verringert, wenn der Strom über einen bestimmten Wert ansteigt.
In Fig. 14 sind die Kurvenformen dargestellt, wenn der Strom in dieser Ausführungsform ausgeschaltet wird. Allgemein ausgedrückt gleichen die Kurvenformen fast den vorigen, es ist jedoch aus Fig. 14 klar ersichtlich, daß sich die Stromänderungsrate zum Zeitpunkt d oder kurz vor dem Stromnullpunkt des Vakuumschalters erheblich verringert.
Diese Erscheinung tritt auf, weil verhindert wird, daß sich der Strom ändert, wenn sich die Induktivität sehr stark erhöht, wenn sich der Strom beim Annähern an einen Nullpunkt verringert.
Gemäß dieser Ausführungsform ist es durch Erhöhen der Frequenz des oszillierenden Stroms und durch Sicherstellen von hohen Spitzenwerten des Stroms ohne Andern der Werte der Konstanten des Resonanzkreises möglich, die Stromänderungsrate in der Nähe von Stromnullpunkten zu verringern und eine Wiederherstellung der Durchschlagsfestigkeit des Vakuumschalters zu gewährleisten.
Eine weitere Ausführungsform wird Bezug nehmend auf Fig. 15 beschrieben.
In der vorhergehenden Ausführungsform wurde die sättigbare Drosselspule 32 eingefügt, um die Stromänderungsrate in der Nähe eines Stromnullpunkts des Vakuumschalters 2a zu verringern. Außer der Stromänderungsrate ist ein weiterer die Wiederherstellung der Durchschlagsfestigkeit des Vakuumschalters behindernder Faktor die beim Prozeß der Wiederherstellung der Durchschlagsfestigkeit auftretende Spannungsänderungsrate. Eine hohe Spannungsänderungsrate führt beim Prozeß der Wiederherstellung der Durchschlagsfestigkeit zu einem Spannungsdurchschlag, wodurch wiederum ein Lichtbogen gezündet wird und der Strom wiederum fließt.
Um diese Erscheinung zu verhindern, kann eine scharfe Änderung der Spannung durch Schalten eines Kondensators 33 zwischen die Pole des Vakuumschalters 2a und parallel zu diesem unterdrückt werden.
Es ist gemäß dieser Ausführungsform möglich, die Möglichkeit eines Wiederzündens des Schaltkreises durch Verwenden eines Vakuumschalters zu verringern.
Nun wird beschrieben, wie der oben beschriebene Vakuumunterbrecher am elektrischen Fahrzeug angebracht wird.
Wie in der offengelegten japanischen Gebrauchsmusteranmeldung 61-65640 beschrieben ist, ist der herkömmliche Leitungsunterbrecher so aufgebaut, daß er unter Isolieren des ganzen Leitungsunterbrecherkastens durch Doppelisolatoren am elektrischen Fahrzeug angebracht wird.
Es wird unter Verwendung von Fig. 16 eine kurze Beschreibung gegeben.
Der Strom des Hauptkreises fließt über den Oberleitungsdraht 14 und den Stromabnehmer 15 zum Leitungsunterbrecherkasten. Im Leitungsunterbrecherkasten sind die Leitungsunterbrecher 16, 17 und ein sehr schneller Unterbrecher 40 in Serie angeordnet. Der den Leitungsunterbrecherkasten 41 durchsetzende Strom des Hauptkreises fließt über eine Filterdrosselspule 20 zum Steuereinrichtungskasten 42 (diese Teile sind mit Befestigungen 45 am Wagenaufbau 50 befestigt). Der Hauptmotor 43 wird durch einen Steuerstrom vom Steuereinrichtungskasten 42 angetrieben. Daraufhin fließt der Strom durch den Wagenaufbau 50 und die Räder 23 zu den Schienen 24 und kehrt zur nicht dargestellten Schaltstation zurück.
Es sei bemerkt, daß die Leitungsunterbrecher 16, 17 und der sehr schnelle Unterbrecher 40 (der sich vom obenerwähnten sehr schnellen Gleichstromunterbrecher 1 unterscheidet) alle Luftunterbrecher sind und daher ein Lichtbogen gezündet wird, wenn der Strom ausgeschaltet wird. Wenn der Lichtbogen am Leitungsunterbrecherkasten 41 aufgefangen wird, tritt kein Masseschluß auf, da dieser Kasten durch die Isolatoren 44 gegenüber dem Wagenaufbau isoliert ist. Weiterhin wird der Unterbrecher an der Schaltstation nicht ausgelöst.
Falls bei der obenerwähnten Anordnung ein in Fig. 6 dargestellter sehr schneller Gleichstrom-Vakuumunterbrecher 1 verwendet wird, um den sehr schnellen Unterbrecher 40 zu ersetzen, ergibt sich das folgende Problem.
Der sehr schnelle Gleichstrom-Vakuumunterbrecher 1 gibt keinen Lichtbogen nach außen ab. Die Leitungsunterbrecher 16, 17, die Luftunterbrecher sind, geben jedoch einen Lichtbogen ab, der zu den auf niedrigem Potential liegenden Teilen überschlägt.
In einem in Fig. 6 dargestellten sehr schnellen Gleichstrom-Vakuumunterbrecher 1 ist eine Steuereinrichtung 12 zum Senden verschiedener Befehle vorgesehen. Diese Steuereinrichtung 12 ist über einen nicht dargestellten Anschluß an eine Hauptmotorsteuereinrichtung angeschlossen (an eine Gate-Steuereinrichtung beim Wechselrichter-Elektrofahrzeug und beim Zerhacker-Elektrofahrzeug oder an eine rastend fortschaltende Steuereinrichtung sowie an den Pult des Technikers beim Nockenwellen-Elektrofahrzeug).
Für die an den obigen Anschluß angeschlossene Steuerspannungsquelle werden Gleichspannungen von 100 V, 24 V oder 15 V verwendet, die niedriger sind als die Spannung des Hauptkreises. Wenn der Strom durch Öffiien der Leitungsunterbrecher 16, 17 ausgeschaltet wird, fließt ein Teil des erzeugten Lichtbogens in den Leitungsunterbrecherkasten 41 und schlägt zu einer beweglichen Kontaktfeder, zu den Anschlüssen und zu einem festen Kontaktträger über, welche nicht dargestellt sind und welche freistehend angeordnet sind. Dies liegt daran, daß die Steuerspannung im Vergleich zur Spannung des Hauptkreises sehr niedrig ist. Wenngleich über den Teilen, die einer Lichtbogenbildung ausgesetzt wären, eine Abdeckung angebracht ist, kann die ionisierte Luft leicht eintreten. Wenn eine Potentialdifferenz zwischen der Abdeckung und dem Leitungsunterbrecherkasten 41 groß wird, wird die Isolation der Abdeckung unterbrochen, so daß der Lichtbogen über die freistehenden Teile an Masse gelegt wird.
Die an den Anschluß angeschlossene Steuerenergieleitung ist mit anderen Steuerlei tungen gebündelt und an den Steuereinrichtungskasten angeschlossen. In dieser Situation fließt ein großer induzierter Strom nicht nur in der an die Steuerenergieleitung angeschlossenen Einrichtung, sondern auch in den anderen Steuerleitungen, wenn der Lichtbogenstrom fließt, was zur Zerstörung der an diese Leitungen angeschlossenen Vorrichtungen, wie der Hauptsteuereinrichtung und der Wechselrichter-Steuervorrichtung, führt.
Es sei bemerkt, daß die Isolation der Energieleitungen so verstärkt werden kann, daß verhindert wird, daß diese Leitungen durch eine Hochspannung des Lichtbogens in Kontakt gebracht werden, wenn der Lichtbogen zum Kasten fließt. Es ist jedoch schwierig, die Isolation der freistehenden Teile zu verstärken.
Eine Ausführungsform zur Lösung dieses Problems wird Bezug nehmend auf die Figuren 17, 18 und 19 beschrieben.
Die in Fig. 17 dargestellte Schaltungskonfiguration unterscheidet sich in der Hinsicht von der aus Fig. 16, daß ein Unterbrecherkasten 51 hinzugefügt ist, der den sehr schnellen Gleichstrom-Vakuumunterbrecher 1 enthält, wenngleich die Leitungsunterbrecher 16, 17 im Leitungsunterbrecherkasten 41 enthalten sind.
Der Unterbrecherkasten 51 für den sehr schnellen Gleichstrom-Vakuumunterbrecher list mit den Befestigungen 45 direkt am Wagenaufbau 50 befestigt. Dies liegt daran, daß der sehr schnelle Gleichstrom-Vakuumunterbrecher 1 im Prinzip keinen Lichtbogen abgibt und daß es nicht erforderlich ist, ihn vom Wagenaufbau 50 zu trennen. In diesem Fall sollten die Leitungsunterbrecher 16, 17 vorzugsweise mit einer doppelten Isolation versehen sein, was beim Unterbrecher 51 nicht der Fall sein muß.
In dieser Ausführungsform tritt keine Lichtbogenbildung zum Unterbrecherkasten 51 auf, so daß es nicht erforderlich ist, die Isolation der verschiedenen Steuerleitungen zu verstärken.
Eine weitere Ausführungsform wird Bezug nehmend auf Fig. 18 beschrieben.
Wie zuvor beschrieben wurde, wird durch Motorsteuervorrichtungen, wie eine Wechselrichter-Steuereinrichtung, ein externer Auslösebefehl zum sehr schnellen Gleichstrom-Vakuumunterbrecher usw. übertragen. Wie in Fig. 18 dargestellt ist, ist der sehr schnelle Gleichstrom-Vakuumunterbrecher 1 im Wechselrichter-Steuervorrichtungskasten 22 enthalten und bildet mit dem Kasten 22 einen zusammenhängenden Aufbau. In diesem Fall ist die Drahtlänge der Auslösebefehlsleitung von der Wechselrichter-Steuervorrichtung gering, so daß das Koppeln leicht ausgeführt werden kann. Es gibt gemäß dieser Ausführungsform sehr wenig Möglichkeiten, daß die Steuereinrichtung des sehr schnellen Gleichstrom-Vakuumunterbrechers 1 durch induktive Interferenz fehlerhaft arbeitet.
Bei der obigen Anordnung ist die Filterdrosselspule 20 jedoch nicht vollständig geschützt, welches einer der auf diese Seite des sehr schnellen Gleichstrom-Vakuumunterbrechers 1, die sich dichter am Oberleitungsdraht 4 befindet, zu schützenden Gegenstände ist. Dies liegt daran, daß sich die Filterdrosselspule 20 näher an der Leistungsquelle befindet als der sehr schnelle Gleichstrom-Vakuumunterbrecher 1.
Es ist bei der Drosselspule keinerlei Masseschluß aufgetreten. Es ist jedoch erforderlich, die Drosseispule gegen einen kaum auftretenden Notfall zu schützen.
Eine Ausführungsform, die dieses Problem gelöst hat, ist in Fig. 19 dargestellt. Die Filterdrosselspule 20 ist auf der Lastseite des sehr schnellen Gleichstrom-Vakuumunterbrechers 1 angeordnet und integriert im die Wechselrichter-Steuervorrichtung enthaltenden Steuerkasten 53 angeordnet.
Durch diesen Aufbau wird nicht nur die äußere Erscheinung ordentlich gemacht, sondern es wird auch der Schutzbereich vergrößert.

Claims

1. Gleichstrom-Vakuumunterbrecher zum Einbau auf einem elektrischen Fahrzeug, umfassend

einen Vakuumschalter (2), der in dem Gleichstromkreis enthalten ist, um diesen bei Feststellen eines Stromfehlers zu unterbrechen,

eine zu dem Vakuumschalter (2) parallele Serienschaltung aus einem Kondensator (4) und eine Schalteinrichtung (6),

eine Steuereinrichtung (12) zum Aufladen des Kondensators (4) auf eine zu der Spannung an dem Vakuumschalter (2) entgegengesetzte Spannung, und

eine zu dem Vakuumschalter (2) parallele Widerstandseinrichtung (3) zum Verbrauch von Energie, die in der Induktivität der Schaltung, in der Gleichstrom fließt, gespeichert ist,

dadurch gekennzeichnet,

daß die Schwingfrequenz fC, die Oszillations-Stromamplitude ICP und die Induktivität LC des von dem Vakuumschalter (2), dem Kondensator (4) und der Schalteinrichtung (6) gebildeten geschlossenen Kreises gleichzeitig folgende Bedingungen erfüllen:

fC ≥ 2kHz,

ICP ≥ 5 kA,

Lc ≥ 1 uH,

und daß die Steuereinrichtung (12) die Schalteinrichtung (6) nach Öffiien des Vakuumschalters (2) schließt.

2. Unterbrecher nach Anspruch 1, ferner umfassend ein zu dem Vakuumschalter (2) paralleles kapazitives Element (30).

3. Unterbrecher nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Schleifenlänge des von dem Vakuumschalter (2) und der Widerstandseinrichtung (3) gebildeten geschlossenen Kreises kürzer ist als die Schleifenlänge des von dem Vakuumschalter (2), dem Kondensator (4) und der Schalteinrichtung (6) gebildeten geschlossenen Kreises.

4. Unterbrecher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Widerstandseinrichtung (3) ein nichtaineares Widerstandselement enthält.

5. Unterbrecher nach Anspruch 4, ferner umfassend ein zu dem nicht-linearen Widerstandselement (3) paralleles Widerstandselement (31).