Gleichspannungsschalter zum Schalten einer Kurzunterbrechung Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Schalten von Gleichströmen in einem Pol eines Gleichspannungsnetzes mit zwei Anschlussklemmen zum seriellen Einbinden der Vorrichtung in den Pol, einem sich zwischen den Anschlussklemmen erstreckenden Betriebsstrompfad, in dem ein mechanischer Schalter angeordnet ist, einem den mechanischen Schalter überbrückenden Kondensatorpfad, in dem ein Kondensator angeordnet ist, und einem in Reihe zum Kondensator angeordneten Pulsleis- tungshalbleiterschalter zur Entladung des Kondensators, so dass in einer aus Betriebsstrompfad und Kondensatorpfad ge- bildeten Masche ein dem Betriebsstrom in dem mechanischen Schalter entgegen gerichteter Impulskreisstrom fließt.

Eine solche Vorrichtung ist bereits bekannt und beispielhaft in Figur 1 als Stand der Technik gezeigt. Die dort schema- tisch verdeutlichte Vorrichtung 1 weist zwei Anschlussklemmen 2 und 3 auf, mit denen die Vorrichtung 1 seriell in einen figürlich nicht dargestellten Pol eines Gleichspannungsnetzes eingefügt werden kann. Zwischen den besagten Anschlussklemmen 2 und 3 erstreckt sich ein Betriebsstrompfad 4, in dem ein mechanischer Schalter 5 angeordnet ist. Ferner ist ein den mechanischen Schalter 5 überbrückender Kondensatorpfad 6 vorgesehen, in dem ein Kondensator Ci angeordnet ist. In Reihe zum Kondensator Ci ist ein Pulsleistungshalbleiterschalter ΊΊ in dem Kondensatorpfad 6 erkennbar. Darüber hinaus verfügt der Kondensatorpfad 6 über eine Induktivität Li, ebenfalls in Reihe zum Kondensator Ci . Parallel zum Betriebsstrompfad beziehungsweise parallel zum mechanischen Schalter 5 ist ein Überspannungsabieiter 7 geschaltet. Bei der in Figur 1 gezeigten Vorrichtung 1 handelt es sich um eine so genannte unidirektionale Variante, welche Ströme I in der in der Figur eingezeichneten Richtungen abschalten kann. Hierzu wird von dem durch den Pulsleistungshalbleiterschalter ΊΊ, den Kondensator Ci und die Induktivität Li gebildeten Pulsgenerator ein Stromimpuls durch Zünden des Thyristors ΊΊ erzeugt. Durch das Zünden wird der Thyristor i leitend, so dass sich der Kondensator Ci entlädt. Hierbei wird in einer aus dem Kondensatorpfad 6 sowie dem Betriebsstrompfad 4 gebildeten Masche ein Kreisstrom erzeugt, der dem Betriebsstrom I im mechanischen Schalter 5 entgegengesetzt ist. Im Zeitpunkt der Zündung des Thyristors i und der Entladung des Kondensators Ci ist der mechanische Schalter 5 bereits geöffnet, so dass durch den in Figur 1 eingezeichneten Impulskreisstrom der von den Kontak- ten des mechanischen Schalters gezogene Lichtbogen gelöscht werden kann. Der Impulskreisstrom fließt über den Thyristor i und lädt den Kondensator Ci mit entgegengesetzter Polarität auf, bis die Ansprechspannung des Abieiters 7 oder Varistors erreicht ist. Ab diesem Zeitpunkt fließt der Strom nur noch über den Abieiter 7, welcher eine Abschaltgegenspannung aufbaut, die den Betriebsgleichstrom I schließlich abschaltet. Nach diesem Schaltvorgang ist der Kondensator Ci mit einer bezüglich der in Figur 1 gezeigten inversen Polarität aufgeladen, wodurch es nicht möglich ist, bereits nach kurzer Zeit einen erneuten Schaltvorgang durchzuführen.

Figur 2 zeigt eine ebenfalls bekannte bidirektionale Variante der Vorrichtung, bei der ein zweiter Kondensatorpfad 8 mit einem zweiten Thyristor T ₂ , einem zweiten Kondensator C ₂ so- wie einer zweiten Induktivität L ₂ vorgesehen sind. Fließt der zu schaltende Strom von Anschlussklemme 3 zur Anschlussklemme 2, dient der im zweiten Kondensatorpfad 8 angeordnete Pulsgenerator mit seinen Komponenten T ₂ , C ₂ und L ₂ zum Erzeugen eines Gegenstroms im mechanischen Schalter 5. Auch bei der bi- direktionalen Vorrichtung 1 gemäß Figur 2 ist ein erneuter Schaltvorgang bereits nach kurzer Zeit nicht möglich.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, mit der bereits nach kurzer Zeit ein erneuter Schaltvorgang durchgeführt werden kann.

Die Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, dass ein den Kondensator überbrückender Umpolungszweig vorgesehen ist, in dem ein ansteuerbarer Umpolungsleistungshalbleiterschalter angeordnet ist, wobei der Umpolungsleistungshalbleiterschalter so orientiert ist, dass eine Umpolung des Kondensators ermöglicht ist.

Die Erfindung basiert auf der Idee, dass die Energie für einen zweiten Abschaltvorgang bereits in der Schaltung enthalten ist. Durch das Hinzufügen eines zweckmäßig orientierten Umpolungsleistungshalbleiterschalters , mit dem der Kondensa- tor des Kondensatorzweiges überbrückt werden kann, kann der Kondensator auf die gewünschte Polarität umschwingen. Die Voraussetzung hierfür ist jedoch, dass der Pulsleistungshalb- leiterschalter im Zeitpunkt der Zündung des Umpolungsleis- tungshalbleiterschalters sich in seiner Sperrstellung befin- det, in der ein Stromfluss über den Pulsleistungshalbleiter- schalter unterbrochen ist. Da bei jedem Abschaltvorgang der Kondensator Ci vom Leitungsstrom I bis auf die Begrenzungsspannung des Abieiters 7 aufgeladen wird, sind im Rahmen der Erfindung theoretisch unendlich viele solcher Schalthandlun- gen hintereinander möglich.

Vorteilhafterweise ist in dem Kondensatorpfad eine erste Induktivität Li angeordnet. Durch die Anordnung der ersten Induktivität Li im Kondensatorpfad wird der Stromanstieg

(di/dt) beim Zünden des Kondensators Ci begrenzt. Eine Schädigung des dem Schalter parallel geschalteten Abieiters ist somit weitestgehend vermieden.

Gemäß einer diesbezüglich zweckmäßigen Weiterentwicklung ist in dem Umpolungszweig eine zweite Induktivität L _Zi in Reihe zum Umpolungsleistungshalbleiterschalter angeordnet. Da der Kondensator Ci nach dem ersten Abschaltvorgang auf die Begrenzungsspannung des Abieiters aufgeladen ist, besteht die Möglichkeit, dass die erste Induktivität Li, die in dem Kon- densatorzweig angeordnet ist, nicht ausreichend ist, um den Stromanstieg auf ein ausreichendes Maß zu beschränken, so dass Beschädigungen an Komponenten der erfindungsgemäßen Vor- richtung 1 vermieden sind. Aus diesem Grunde ist in dem Umpo- lungszweig eine zweite Induktivität L _Z2 vorgesehen.

Will man erreichen, dass der Kondensator Ci nach dem Umlade- Vorgang auf seine Nennspannung aufgeladen ist und nicht auf die Begrenzungsspannung des Abieiters 7, muss der Vorrichtung Energie entzogen werden. Zu diesem Zweck kann es sinnvoll sein, einen zusätzlichen ohmschen Widerstand R _Zi in dem Umpo- lungszweig in Reihe zum Umpolungsleistungshalbleiterschalter und gegebenenfalls in Reihe zur zweiten Induktivität L _Zi anzuordnen .

Zweckmäßigerweise ist der Kondensatorpfad über einen Ladungswiderstand R _v mit dem Erdpotenzial oder einem Pol des Gleich- spannungsnetzes verbindbar. Der ohmsche Ladungswiderstand R _v weist einen ausreichend hohen ohmschen Widerstand auf, so dass er auch während des Betriebs an dem Kondensatorzweig angeschlossen bleiben kann und die Verluste möglichst gering sind. Ein sinnvoller Wert liegt beispielsweise zwischen 400 und 600 kQ . Abweichend hiervon ist ein mechanischer Schalter zum Verbinden mit dem Kondensatorpfad vorgesehen.

Zweckmäßigerweise ist ein zweiter Kondensatorzweig mit einem zweiten Kondensator C ₂ und einem zweiten Pulsleistungshalb- leiterschalter T ₂ vorgesehen, wobei ein zweiter Umpolungs- zweig mit einem zweiten Umpolungsleistungshalbleiterschalter T _Z2 vorgesehen ist. Gemäß dieser vorteilhaften Weiterentwicklung ist eine bidirektionale Schaltung bereitgestellt. Gemäß zweckmäßiger Weiterentwicklung der Erfindung ist dem oder jedem mechanischen Schalter des Betriebsstromzweiges eine Entlastungsdiode parallel geschaltet. Die dem Schalter parallel geschaltete Entlastungsdiode kann den mechanischen Schalter bei der Verfestigung seiner Isolationsstrecke ent- lasten. Aufgrund dieser Entlastungsdiode kann sich die Isolationsstrecke im mechanischen Schalter sicher verfestigen und der mechanische Schalter anschließend problemlos die Spannung aufnehmen . Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung von Aus- führungsbeispielen der Erfindung unter Bezug auf die Figuren der Zeichnung, wobei gleiche Bezugszeichen auf gleich wirkende Bauteile verweisen und wobei

Figuren 1 und 2 eine Vorrichtung gemäß dem Stand der

Technik und

Figuren 3 bis 7 Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung verdeutlichen.

Die Figuren 1 und 2 wurden bereits als Vorrichtungen 1 gemäß dem Stand der Technik in der Beschreibungseinleitung gewürdigt .

Figur 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1, die wieder zwei Anschlussklemmen 2 und 3 auf- weist, mit denen die Vorrichtung 1 seriell in einen Pol eines Gleichspannungsschalters eingefügt werden kann. Zwischen den Anschlussklemmen 2 und 3 erstreckt sich ein Betriebsstrompfad 4, in dem ein mechanischer Schalter 5 angeordnet ist. Der Schalter 5, beispielsweise ein schnell schaltender Vakuum- Schalter, wird von einem Kondensatorpfad 6 überbrückt, in dem ein Kondensator Ci und in Reihe dazu eine Induktivität Li in Gestalt einer Spule oder Drossel angeordnet ist. In Reihe zum Kondensator Ci ist ein Thyristor i als Pulsleistungshalblei - terschalter angeordnet. In Parallelschaltung zur Reihenschal- tung aus Kondensator Ci und Induktivität Li ist ein Umpo- lungsleistungshalbleiterschalter T _Zi angeordnet, der hier als Thyristor ausgestaltet ist. Durch den Umpolungszweig 9 ist der Kondensator Ci überbrückbar. Wieder parallel zum mechanischen Schalter 5 ist ein Abieiter 7 geschaltet. Wie bereits eingangs erläutert wurde, bilden der Thyristor T _i( der Kondensator Ci und die Induktivität Li einen Pulsgenerator aus. Durch Zünden des Thyristors i wird der Kondensator Ci entladen und erzeugt einen Stromimpuls, so dass in der aus Be- triebsstrompfad 4 und Kondensatorzweig 6 gebildeten Masche ein Impulskreisstrom erzeugt wird, der dem Betriebsstrom I im Schalter 5 entgegengerichtet ist. Ein durch die Kontakte des mechanischen Schalters 5 gezogener Lichtbogen kann so ge- löscht werden. Der über den Thyristor ΊΊ fließende Impulskreisstrom führt schließlich zu einer Aufladung des Kondensators Ci mit entgegengesetzter Polarität, bis die Ansprechspannung des Abieiters 7 erreicht ist. Die Induktivität Li dient zur Begrenzung des Stromanstieges bei der Entladung des Kondensators Ci . Um möglichst schnell erneut schalten zu können, wird der Kondensator Ci im Rahmen der Erfindung umgepolt. Hierzu wird nach dem der Pulsleistungshalbleiterschal - ter Ti seine Sperrstellung erreicht hat, der Umpolungsleis- tungshalbleiter T _Zi gezündet. Hieraufhin kommt es zur Umpo- lung des Kondensators Ci, so dass dieser wieder die in Figur 3 gezeigte Polarität aufweist. Anschließend kann eine erneute Schalthandlung durchgeführt werden.

Figur 4 unterscheidet sich von dem in Figur 3 gezeigten Aus- führungsbeispiel dadurch, dass in dem Umpolungszweig 9 eine zweite Induktivität L _Zi sowie ein ohmscher Widerstand R _Zi angeordnet sind. Diese dienen zur Begrenzung der Stromanstiegsgeschwindigkeit sowie dazu, den Kondensator Ci lediglich auf die Nennspannung, also die Netzspannung, aufzuladen, wobei die überflüssige Energie an dem ohmschen Widerstand R _Zi abgebaut wird.

Figur 5 unterscheidet sich von dem in Figur 4 gezeigten Ausführungsbeispiel dadurch, dass ein ohmscher Ladungswiderstand R _v vorgesehen ist. Der Ladungswiderstand R _v ist auf der einen Seite mit dem Erdpotenzial und auf seiner vom Erdpotenzial abgewandten Seite mit dem Potenzialpunkt zwischen dem Thyristor i und dem Kondensator Ci verbunden. Die Aufladung des Kondensators Ci vom Erdpotenzial aus ist mit einem sehr gro- ßen Aufwand verknüpft. Aus diesem Grunde wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, den Kondensator Ci durch das Gleichspannungs- netz aufzuladen. Dies wird mit Hilfe des Ladewiderstandes R _v ermöglicht. Der Wert des Ladewiderstandes R _v ist sehr groß zu wählen, um die Verluste und dessen Einfluss auf das Gleichspannungsnetz möglichst gering zu halten. Sinnvolle Werte für den Ladewiderstand R _v liegen zwischen R _v = 400 kQ und R _v = 600 kQ. Für die Vorladung des Kondensators Ci auf diese Weise sind figürlich nicht dargestellte mechanische Trennschalter zweckmäßig, über die die Anschlussklemmen 2 beziehungsweise 3 jeweils mit dem Pol des Gleichspannungsnetzes verbunden sind. Beim Laden des Kondensators Ci ist der mechanische Schalter 5 geschlossen .

Erst nach dem der Kondensator Ci vollständig aufgeladen ist, kann die Vorrichtung 1 über die nicht gezeigten Trenner mit dem Pol der Gleichspannungsleitung verbunden werden, wobei sofort die Abschaltfähigkeit bereitgestellt ist.

Eine solche Vorladung über einen Ladewiderstand R _v kann selbstverständlich auch bei einer bidirektionalen Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung umgesetzt werden, wobei zwei Kondensatorzweige mit jeweils einem Kondensator und ei- nem Pulsleistungshalbleiterschalter vorgesehen sind und wobei die Pulsleistungshalbleiterschalter gegensinnig zueinander orientiert und die Kondensatoren Ci beziehungsweise C ₂ entgegengesetzt zueinander polarisiert sind. Auf die bidirektionale Variante des Schalters wird später noch genauer eingegan- gen werden.

Wie bereits oben weiter diskutiert wurde, kann der mechanische Schalter 5 nach dem Löschen des Lichtbogens durch die Erzeugung eines Stromimpulses mit einer hohen transienten Wiederkehrspannung beaufschlagt werden. Diese transiente Wiederkehrspannung und vor allen Dingen die Anstiegsrate dieser Spannung können sehr große Werte annehmen. Diese transiente Wiederkehrspannung steht einer Wiederverfestigung der Isolationsstrecke im mechanischen Schalter entgegen und kann gege- benenfalls für eine Wiederzündung des Lichtbogens zwischen den Kontakten des mechanischen Schalters 5 sorgen. Um den mechanischen Schalter 5 während der Verfestigung seiner Isolationsstrecke zu entlasten, ist es zweckmäßig, dem mechani- sehen Schalter eine Diode, also eine Entlastungsdiode, parallel zu schalten. Eine solche Variante der Erfindung ist in Figur 6 gezeigt. Ganz allgemein ist jede Entlastungsdiode so orientiert, dass die transiente Wiederkehrspannung abgebaut werden kann, der Aufbau einer Gegenspannung jedoch ermöglicht ist. Aufgrund der in Figur 6 gezeigten Entlastungsdiode Di kann die Isolationsstrecke des mechanischen Schalters 5 sicher verfestigt werden und anschließend problemlos die erforderlichen Spannungen aufnehmen. Als mechanische Schalter 5 kommen beispielsweise eine Vakuumschaltröhre oder eine Reihenschaltung von Vakuumschaltröhren in Betracht. Selbstverständlich sind auch gasisolierte Schalter im Rahmen der Erfindung einsetzbar. Figur 7 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1, wobei eine bidirektionale Variante gezeigt ist. Bei der bidirektionalen Variante umfasst die erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 einen zweiten mechanischen Schalter 10 in Reihe zum ersten mechanischen Schalter 5. Bei- den mechanischen Schaltern 5, 10 ist wieder zur Vermeidung von transienten Wiederkehrspannungen eine Entlastungsdiode Di beziehungsweise D ₂ parallel geschaltet. Der Reihenschaltung beider Schalter 5, 10 ist ein einziger Abieiter 7 parallel geschaltet. Zum Abschalten eines Stromes, der von der An- schlussklemme 3 zur Anschlussklemme 2 fließt, ist ein zweiter Kondensatorzweig 11 vorgesehen, in dem ein zweiter Kondensator C ₂ sowie in Reihe dazu eine zweite Induktivität L2 angeordnet sind. Darüber hinaus ist ein zweiter Umpolungszweig L ₂ erkennbar, in dem ein zweiter Umpolungsleistungshalbleiter- Schalter T _Z2 angeordnet ist. Wie bereits eingangs erläutert wurde, kann auch in dem zweiten Umpolungszweig 12 in Reihe zum Umpolungsleistungshalbleiterschalter T _Z2 eine Induktivität L _Z2 sowie ein ohmscher Widerstand R _Z2 angeordnet sein, die jedoch figürlich nicht dargestellt sind. Mit Hilfe dieser Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 können Ströme in beiden Richtungen sowohl geführt als auch abgeschaltet werden. Zum Laden des zweiten Kondensators C ₂ wäre gegebenenfalls ein zweiter Vorladungswiderstand vorzusehen, der auf einer Seite mit dem Erdpotenzial oder mit dem anderen Pol des Gleichspannungsnetzes und auf seiner anderen Seite mit dem Potenzialpunkt zwischen dem Umpolungsleistungshalb- leiterschalter T _Z2 und dem Pulsleistungshalbleiterschalter T ₂ verbunden ist.