Eenige verschijnselen bij het onder belasting regelen van transformatoren

Bibliotheek TU Delft P 1012 4264

EENIGE VERSCHIJNSELEN BIJ HET ONDER BELASTING REGELEN VAN TRANSFORMATOREN

EENIGE VERSCHIJNSELEN BIJ HET

ONDER BELASTING REGELEN

VAN TRANSFORMATOREN

VAN DEN GRAAD VAN DOCTOR IN DE TECHNISCHE WETENSCHAP AAN DE TECHNISCHE HOOGESCHOOL TE DELFT, OP GEZAG VAN DEN RECTOR MAGNIFICUS DR. IR. J. A . SCHOUTEN, HOOGLEERAAR IN DE AFDEELING

DER ALGEMEENE WETENSCHAPPEN, VOOR EEN C O M M I S S I E UIT DEN SENAAT TE VERDEDIGEN OP WOENS-DAG 21 JUNI 1939, DES NAMIDWOENS-DAGS

TE VIER UUR, DOOR

KOEN RAAD EVERT STORK

GEBOREN TE RANGOON

r^^GHE in

$exr?f '""'^ "^^^^

DIT PROEFSCHRIFT IS GOEDGEKEURD DOOR DEN PROMOTOR PROF. DR. IR. H. G. NOLEN.

Voor de materieele hulp bij het tot stand komen van dit proef-schrift breng ik hierbij mijn dank aan de Directie der WiLLEM

SMIT 6 Co's TRANSFORMATORENFABRIEK N . V . te Nijmegen voor de mogelijkheid die mij was gegeven om de hiervoor noodige proeven te nemen en voor het beschikbaar stellen en verschaffen van de zeer groote hoeveelheid literatuur betreffende de behandelde onder-werpen.

English summary at the end o[ each chapter

Biz.

Inleiding 11 H O O F D S T U K I.

Een overzicht van de bestaande principes voor

regel-schakelaars 15 H O O F D S T U K II.

De overbruggingstoestand en de daaraan voorafgaande

en daarop volgende overgangs- en schakelverschijnselen 19 H O O F D S T U K III.

Een vergelijking van de contactbelastingen en de aan de schakelaars te stellen eischen voor de verschillende

schakelprincipes 60 H O O F D S T U K IV.

De verschijnselen bij plus- en minusschakeling . . . . 71 H O O F D S T U K V .

Overspanningsverschijnselen 90

Literatuuroverzicht 99

I N L E I D I N G

Gezien de groote voordeden van de spanningsregeling in hoog-spanningsdistributienetten door middel van onder belasting regel-bare transformatoren, worden tegenwoordig bijna alle nieuwe transformatoren van grooter en ook reeds van middelmatig ver-mogen van daarvoor geschikte schakelaars voorzien. Daar nu deze schakelaars dikwijls een onafscheidelijk deel van den formator vormen, is het van het grootste belang voor den trans-formatorconstructeur om zich zoo volledig mogelijk op de hoogte te stellen van de verschijnselen, welke in deze schakelaars en tengevolge van de werking daarvan in de daarmede verbonden transformatorwikkelingen en overbruggingsimpedanties kunnen optreden.

Betreffende de toepassing, werking en constructie van de diverse soorten dezer schakelapparaten bestaat in de verschillende landen, waar deze worden vervaardigd, een uitgebreide literatuur. Daar echter slechts weinig uitvoerige literatuuropgaven bestaan en deze gewoonlijk nog beperkt zijn tot bronnen uit hetzelfde land van oorsprong of in dezelfde taal als het artikel, is het een tijdroovende arbeid om een eenigszins volledige verzameling over den geheelen ontwikkelingstijd uit de diverse op dit gebied belangrijke landen bijeen te brengen.

Met de aan het einde van deze verhandeling gegeven literatuur-lijst hoop ik dan ook aan diegenen, die dit nog jonge en zich zoo snel ontwikkelende gebied der hoogspanningstechniek nader zou-den willen bestudeeren, een wegwijzer te geven in deze welhaast chaotische menigte van tijdschriftartikelen en hoofdstukken uit technische boekwerken.

Daar bovendien dit gebied zich reeds weder in zeer uiteen-loopende, ieder voor zich interessante, richtingen uitstrekt, heb ik hierbij verschillende splitsingen aangegeven, waarbij dus diverse bronnen, welke meerdere onderwerpen behandelen, ook verschil-lende malen onder de diverse hoofden zijn vermeld.

Het is mij bij de bestudeering van deze literatuur gebleken, dat juist betreffende de door mij ter behandeling gekozen onderwerpen slechts enkele publicaties bestaan, welke dan bovendien deze onderwerpen slechts voor een bepaalde uitvoering en oppervlakkig behandelen.

De te behandelen stof is m.i. juist van zeer groot belang in ver-band met de keuze van de voor een bepaald geval meest geschikte uitvoering en voor het bepalen van de, voor de beproeving van deze apparaten, te stellen eischen. Ik hoop hiermede eenig licht te laten vallen op dit nog weinig ontgonnen speciale gebied van den transformatorenbouw, hetwelk reeds een ruime toepassing heeft gevonden, doch waarvoor een nog veel grootere ontwikkeling is weggelegd.

De reeds genoemde uiteenloopende ontwikkeling noopt mij, deze verhandeling tot die apparaten te beperken, welke de belangrijkste en ruimste toepassing hebben gevonden. Dit zijn regelaars voor hoogspanning en een belangrijk vermogen, welke in distributie-netten en voedingslijnen worden gebruikt. Als verdere beperking worden alleen de toestellen behandeld, welke met mechanische schakelaars werken. Regelaars, berustend op het principe van het regelen van den magnetischen krachtstroom, hetzij door middel van bewegelijke kernen of spoelen, hetzij door extra gelijkstroom-magnetisatie, worden derhalve niet besproken.

Ik zal beginnen met de behandeling der verschijnselen, welke in de schakelaars, de overbruggingstoestellen en de transformator-wikkelingen gedurende den overgang van één spanningstrap naar een volgende optreden. Hierbij zullen dan naast elkander deze verschijnselen worden vergeleken voor verschillende tot heden gebruikelijke schakelaarvormen en constructies.

Het zal blijken, dat daarbij een nadere behandeling van den bouw van de overbruggingstoestellen en de daarvoor te stellen eischen onontbeerlijk is. Daar deze apparaten echter als een onaf-scheidelijk deel der behandelde schakelinrichtingen zijn te beschou-wen, is dit hier ook op zijn plaats. Tevens zal dan worden gewezen op een principieel verschil tusschen deze schakelaars en normale hoogspannings-olieschakelaars met als gevolg verschillende eischen voor beider afschakelvermogen.

13

die van het omschakelen en daardoor van het net scheiden van de regelwikkeling, evenals de optredende nevenverschijnselen; een methode tot berekening van deze verschijnselen en de mogelijkheden tot beperking van hun grootte.

Vervolgens zal ik de gevolgen van in het aangesloten net optredende overspanningen op den schakelaar en den daarmee ver-bonden transformator bespreken, evenals de mogelijkheid tot be-perking van ontoelaatbare of ongewenschte verschijnselen.

Aan deze besprekingen laat ik een korte beschrijving voorafgaan van de gebruikelijke schakelaarprincipes volgens een bepaalde groepindeeling, waarnaar bij de vergelijking van de verschillende uitvoeringsvormen zal worden verwezen.

S U M M A R Y .

In view of the great advantages of load-ratio control by means of on-load tap changing transformers and their extensive application, it is considered of importance that the transformer designer should have a deeper knowledge of the phenomena in the switches, trans-formerwindings and bridging-impedances, caused by the normal performance of the tapchanging-gear.

As this interesting field of engineering already includes such a widely spread range, only the most extensively used apparatus and principles are discussed herein.

Therefore only tapchanging gear with mechanical switches for high tension and high rating are mentioned, excluding regulators working on the principle of varying the magnetic flux, either by means of moving coils or cores or with extra direct current exci-tation.

Together with the basic principles of this form of switchgear the types, working conditions and construction of the bridging-impe-dances are discussed.

Tapchanging switches are compared with normal oil circuit breakers as regards contactload and test specifications.

Then follows the consideration of the phenomena which occur when reversing the transformer windings for buck or boost and the study is concluded with a proposition for decreasing the influence of transient voltages on the switchgear and connected transformer windings.

Finally an extensive bibliography is given which the author hopes will pilot future readers through the chaotic mass of literature on this subject from the most important countries manufacturing these types of regulators.

H O O F D S T U K I.

E E N O V E R Z I C H T V A N D E B E S T A A N D E P R I N C I P E S V O O R R E G E L S C H A K E L A A R S .

Alvorens de verschillende verschijnselen, welke bij deze schakel-inrichtingen optreden, nader te bestudeeren, wil ik hier een over-zicht geven van de tot heden gebruikelijke principes van deze apparaten en deze in een bepaalde, met de letters a t/m fj aange-duide, volgorde indeelen.

Daarbij wil ik beginnen met de in Europa veel gebruikte schake-laarsystemen, welke zijn ontwikkeld door Dr. B. Jansen, directeur van het Oberpfalzische E. W . te Regensburg, die op dit gebied een buitengewone activiteit heeft ontplooid en zeer vindingrijke en vernuftige constructies heeft ontworpen en uitgevoerd. * ) .

Deze door Jansen aangegeven principes zijn te splitsen in:

a het z.g. ,,oude" Jansen-principe, waarbij een snelschakelaar met 4 mechanisch gekoppelde contacten door middel van twee afzonderlijke weerstanden de overbrugging en om-schakeling tot stand brengt.

b het z.g. ,.nieuwe" Jansen-principe, waarbij twee aan elkander verbonden weerstanden door middel van twee zich op een bijzondere wijze bewegende hulpcontacten en één hoofd-contact de onderbrekingslooze omschakeling naar een vol-genden spanningstrap verzorgen.

Daarna komt onder c de zeer veel gebruikte schakeling met één overbruggingsweerstand of smoorspoel, welke meestal als lang-zaamschakelaar is uitgevoerd.

Vervolgens onder d het oude principe van den cellenschakelaar der accumulatorenbatterij, dat als bekende en uitgevoerde con-structie voor de eerste regelaars werd toegepast en thans in een gewijzigde uitvoering opnieuw op den voorgrond treedt.

*) Zie: D.R.P. 474613; 485959; 486436; 489953; 496564; 526809: 538304; 538566; 542081; 556086; 559846; 580086; 583932; 587060; 593004; 648600.

Dan volgt onder e een in Amerika en Engeland zeer veel ge-bruikte methode met een spanningsdeeler-smoorspoel als over-brugging (preventive-autotransformer), welke in bepaalde opzich-ten belangrijke voordeelen bezit.

Tenslotte geef ik volledigheidshalve onder f nog een in Engeland toegepaste uitvoering aan, welke door middel van inductieregelaars een buitengewoon geperfectioneerde regeling waarborgt, die echter aan eischen voldoet, welke normaal niet behoeven te worden gesteld, zoodat zij daardoor onnoodig kostbaar is. Later is ge-tracht, door het vervangen van deze inductieregelaars door

over-. W W

7W \d

17

bruggingswecrstanden met vele aftakkingen, onder behoud eener vrijwel continue regeling, de kosten belangrijk te verlagen, fj.

In principe en voor één phase geteekend, zijn deze verschillende uitvoeringen in Fig. 1 onder elkaar aangegeven.

Bezien uit het oogpunt van de overbruggingsverschijnselen zijn de gevallen c en d grootendeels gelijkwaardig; de achtereenvolgens optredende toestanden zijn onderling nagenoeg gelijk, een ver-schil tusschen de twee groepen is gelegen in de constructieve uit-voering der schakelaars, welke inderdaad sterk uiteenloopt.

De vormen a en e vertoonen eveneens een groote overeenkomst, indien men de verschillende schakelstanden stuk voor stuk ver-gelijkt. Echter stellen de schakelvormen, waarbij zij worden toege-past, zulke uiteenloopende eischen, zooals bij nadere beschouwing zal blijken, dat daardoor de kenmerkende eigenschappen en ver-schijnselen ook nadrukkelijk gescheiden dienen te worden be-handeld.

De gevallen f en f^ zijn, zooals reeds vermeld, ook aan elkander verwant en komen slechts sporadisch voor. Alleen in zeer speciale gevallen, waar door bijzondere omstandigheden een continue regeling noodzakelijk is, zal deze constructie nog op haar plaats zijn.

Wij zullen thans achtereenvolgens de in de indeeling aange-geven gevallen met de zich daarbij voordoende verschijnselen behandelen en de karakteristieke eigenschappen der systemen en de meest geschikte toepassingsgebieden voor elk trachten vast te leggen.

Bij de bespreking van de diverse gevallen is steeds aangenomen dat de te regelen spanning groot is ten opzichte van de trapspanning en dat dus geen merkbare phaseverschuiving van de geregelde spanning optreedt door mogelijke phaseverschoven spanningsver-liezen in de regelwikkelingen of overbruggingstoestellen.

A REVIEW O F T H E E X I S T I N G P R I N C I P L E S O F

O N - L O A D T A P C H A N G I N G GEAR.

S U M M A R Y :

A subdivision of these principles is made in six groups, indicated with the letters (a) to (f).

The subdivisions (a) and (b) cover the principles of the tap-changers, with „stored-energy" operation and bridging-resistances, developed by Dr. B. Jansen, the wellknown German specialist.

Under (c) a generally applied principle is described using three transfer-switches and a single bridging-impedance per phase.

One of the oldest principles, formerly known by its application to battery charging switches, working with a bridging-resistance and "stored-energy" driving gear, is given under (d).

Under (e) a typical American and English construction is described, working with a "preventive" autotrans former.

Finally the English practice of using an induction-regulator as bridging-impedance is dealt with under (f), while under (fi) is described the cheaper alternative, working with tapped "transition resistors", which approach the continuous regulation effect of the more expensive original system.

H O O F D S T U K II.

D E O V E R B R U G G I N G S T O E S T A N D E N D E D A A R A A N V O O R A F G A A N D E E N D A A R O P V O L G E N D E O V E R

-G A N -G S - E N S C H A K E L V E R S C H I J N S E L E N .

In samenwerking met impedanties, hetzij met zuiver Ohmsche dan wel met inductieve waarde, moet de lastschakelaar er gedu-rende de schakelperiode voor zorgen, dat:

Ie de belastingsstroom in den uitwendigen stroomkring niet wordt onderbroken;

2e geen overmatige belasting van het overbrugde wikkelings-gedeelte optreedt;

3e gedurende het regelen geen voor het net hinderlijke span-ningsveranderingen, bij welken belastingsstroom ook, op-treden;

4e indien een separate trappenkiezer aanwezig is, deze stroom-loos kan worden verzet;

5e de overgangstoestand met zekerheid beëindigd en de ver-effeningsstroom binnen den korst mogelijken tijd en zonder al te ernstige afbrandverschijnselen afgeschakeld wordt, ook onder de meest ongunstige bedrijfsomstandigheden. De eerste voorwaarde moet worden vervuld door het mechanisch juist samenwerken der verschillende onderdeelen, hetgeen, afhan-kelijk van het principe en den uitvoeringsvorm, met meer of minder moeite en voorzorg gepaard zal gaan. De mechanische constructie ligt evenwel buiten het kader van deze verhandeling en zal hier dus verder onbesproken blijven.

Door punt 2 wordt aan de waarde van de overbruggingsimpe-dantie een bepaald minimum gesteld, terwijl, zooals zal blijken, voorwaarde 3 juist een maximale begrenzing van den weerstand geeft. Het zoeken naar de gunstigste waarde is dus een der be-langrijke punten van dit hoofdstuk.

Punt 4 stelt wederom een eisch aan het mechanische gedeelte der schakelaars; n.l. dat de werkperiode van den lastschakelaar

en die van den trappenschakelaar met voldoende speling van elkan-der zijn gescheiden, zoodat elk zijn handeling geheel heeft be-ëindigd, alvorens de volgende daarmede kan beginnen, terwijl de lastschakelaar dat circuit van den trappenkiezer stroomloos maakt, waarin deze de volgende maal zal verschakelen.

De laatste voorwaarde lokt een nader onderzoek uit naar de verschijnselen aan de schakelaarcontacten. Daardoor zullen van-zelf allerlei bijzondere hulpmiddelen, schakelingen en uitvoerings-vormen ter sprake komen, welke ten doel hebben, den duur van den lichtboog zooveel mogelijk te bekorten.

Tevens zullen vergelijkingen worden getrokken tusschen de verschijnselen bij de diverse schakelaarprincipes onderling en zal voorts worden gewezen op het verschil ten opzichte van de ver-ichijnselen bij normale olieschakelaars.

Ik zal nu overgaan tot het achtereenvolgens behandelen van de verschijnselen bij de verschillende genoemde schakelprincipes:

R kif

1 2 3 4

Fig. 2.

De opstelling is symmetrisch; de impedanties Z zijn dus gelijk. Nemen wij aan, dat deze een zuiver Ohmsche belasting vormen en dat wij gedurende den overbruggingstoestand den vollaststroom I in den gesloten kring toelaten, dan wordt dus 2IR == e en moet derhalve R ^ — zijn.

21

Nemen wij nu aan, dat de transformator den vollaststroom I heeft te leveren met arbeidsfactor cosqi = 1, wat worden dan de stroomen in de verschillende deelen der wikkelingen en in de schakelaars gedurende de verschillende phasen van de schakel-manipulatie?

Wij zullen voor een gemakkelijker overzicht deze beweging ont-leden in de verschillende tusschenstanden en deze als volgt aan-duiden:

21

w: het hoofdcontact is verlaten, de verbruiksstroom vloeit over den linker weerstand;

x: dit is de overbruggingsstand, de linksche en rechtsche weer-stand zijn verbonden, over de twee in serie vloeit te vereffe-ningsstroom en over de twee parallel de belastingsstroom; y: de overbrugging is verbroken, de verbruiksstroom vloeit over

den rechter weerstand;

z: de rechtsche hoofd- en weerstandscontacten zijn kostgesloten. De standen v en z zijn de normale bedrijfsstanden op resp. trap 1 en 2, de standen w, x en y zijn de tusschenstanden en daarbij zullen in den overbruggingsstand x de in Fig. 3 aangegeven stroo-men vloeien, terwijl, gaande van trap 1 tot trap 2, de daarnaast aangegeven spanningen op de verschillende schakelmomenten zul-len optreden. Ev •Ew 2 •Ex • : E Y •^z

R i)

— T - "

Bij den stand x is de stroom in den linkschen weerstand en schakelaar en in het overbrugde deel der wikkeling dus IJ^I. W a a r het bij een bepaalde transformatorconstructie in de bedoeling ligt om alle deelen voor denzelfden stroom, n.l. den vollaststroom te bemeten, is deze toestand dus te vermijden.

Kiezen wij nu de weerstanden R zóó. dat R = —, dan zal de I

vcreffeningsstroom, welke tengevolge van de trapspanning e in de twee in serie geschakelde weerstanden zal vloeien, gelijk zijn aan _2R

_{= -V-'M.}

achter-cenvolgens optredende spanningen worden dan als in Fig. 4 is aangegeven, waaruit blijkt, dat nu geen grootere stroomen dan de normale vollaststroom I in de diverse transformatordeelen voor-komen.

t j)

T

rn

Voor schakelinrichtingen, welke volgens het principe a werken, zou de waarde der overbruggingsweerstanden dus zóó moeten wor-den gekozen, dat de vereffeningsstroom niet grooter wordt dan de halve vollaststroom.

Een nadeel hiervan is evenwel, dat in de standen w en y het spanningsverlies gelijk is aan één spanningstrap e en dus vóór het bereiken van stand 2 in den tusschenstand y de spanning tot die van stand 3 is gedaald.

Wij moeten thans de belasting der schakelaars bij verschillende overbruggingsweerstanden en verschillende transformatorbelas-tingen nader bezien, teneinde daaruit voor verschillende gevallen den meest gunstigen uitvoeringsvorm te kunnen bepalen.

Beschouwen wij aan de hand van Fig. 4 de contactbelastingen voor de verschillende contacten:

Gaande van af takking 1 naar af takking 2, wordt aan H j , gaande van stand v naar w, de vollaststroom I verbroken met een tusschen de contacten wederkeerende spanning e; vervolgens krijgt. gaande van stand x naar y, W ] te verbreken I met een weder-keerende spanning 2e.

Terug gaande van aftakking 2 naar aftakking 1, wordt, gaande van stand z naar stand y, aan H2 de stroom I verbroken met een aan de contacten optredende spanning e, dus geheel gelijkwaardig

23

aan de belasting van H^ bij de vorige manipulatie. Daarna wordt evenwel W 2 in het geheel niet belast, daar de stroom over dat contact O is en geen spanningsverschil tusschen de twee zich van elkander verwijderende contacten optreedt omdat de spanning aan W i is afgevallen tot de trap 2 en dus gelijk is en blijft aan de span-ning aan W 2 .

Wanneer wij nu de schakelmanipulaties tusschen trap 2 en 3 gaan beschouwen, blijkt daarbij, dat de toestand aan de contacten H2 en W 2 geheel overeenkomt met dien van Hj en W ^ in de vorige schakeling en omgekeerd. Bij normaal gebruik over meer-dere trappen zullen de contacten dus onderling gelijk afbranden, waarbij dan de contacten H i en Ho steeds worden belast met een schakelvermogen I X e, terwijl de contacten W j en W 2 afwisselend met I X 2e en O worden belast. Daar bij Ohmsche overbruggings-weerstanden, de aan de contacten wederkeerende spanning steeds in phase is met den te onderbreken stroom, zal bij een redelijke scha-kelsnelheid de stroomonderbreking steeds bij den eersten nuldoor-gang plaats vinden en zal het afbranden der contacten gering zijn.

Beschouwen wij nu dezelfde inrichting bij een belasting met na-ijlenden stroom en wel achtereenvolgens met cos g? = O en een meer normalen bedrij f stoestand met cos 99 = 0,7, dan vinden wij de volgende twee spanningsdiagrammen:

Ev 1 ^ -ïz Iw «Ey cosip-0

"-f

3:

In het eerste geval verandert de spanning van één trap tot den volgenden zeer gelijkmatig zonder hinderlijke spanningsinzinkingen gedurende de schakelperiode.

• De contactbelasting der contacten H i en H2 is geheel gelijk aan die bij cos 93 ^ 1, daar de aan de contacten wederkeerende

span-ning wordt veroorzaakt door het verlies in de weerstanden R ten-gevolge van den af te schakelen belastingsstroom. Dit spannings-verlies is steeds in phase met den belastingsstroom, welke arbeids-factor deze ook t.o.v. de transformatorspanning heeft. Hier zal dus ook de reeds bij het vorige geval als zoo gunstig genoemde onder-breking bij den eersten nuldoorgang plaats vinden.

De contactbelasting van W | en W o bij verbreking van den over-bruggingstoestand is veranderd t.o.v. de vroeger beschouwde, daar nu de vereffeningsstroom en de belastingsstroom 90° phasen verschoven zijn. De resulteerende stroom aan de contacten is dus 45° verschoven en 0,71, terwijl de tusschen de contacten W , en W 2 wederkeerende spanning zoowel voor op- als voor neerregelen gelijk is aan e . V2.

Gunstig t.o.v. het inbranden der contacten werkt hier dus zoowel de lagere stroomsterkte, als de lagere contactspanning.

In het tweede geval, dat het meest een normalen bedrij f stoestand benadert, is nog een aanmerkelijke spanningsfluctuatie gedurende een schakelperiode aanwezig, n.l. in stand y een spanningsverlies tot 0,7 e beneden de gekozen trapspanning van stand z.

De belasting van Hj en H^ is weer gelijk aan die in de beide vroeger behandelde gevallen, terwijl die van W | en W o daar tus-schen in zal liggen.

Zouden wij nu in plaats van Ohmsche weerstanden zuiver induc-tieve overbruggingen toepassen, waarbij elk der inductanties

zoo-e

danig is gekozen, dat co L^ =- co L., en a) (L, + L.)) ^ jy-jdus ook hier wederom de vereffeningsstroom gelijk aan den halven vollast-stroom, dan veranderen de spanningsdiagrammen. Evenwel slechts zóó, dat het diagram volgens Fig. 4 thans geldt voor cos 75 = O, terwijl dat voor cos(p ~ O volgens Fig. 5 geldt voor cos cp = 1. Hieruit volgt, dat uit een oogpunt van spanningsverlies gedurende een schakelperiode deze oplossing gunstiger is dan de vorige, daar nu de practisch voorkomende belastingsgevallen met een cos 97 liggende tusschen 0,7 en 1, in tegenstelling met het vorige geval, het kleinste spanningsverlies veroorzaken, terwijl dit verlies stijgt met het slechter worden van den arbeidsfactor.

Nog gunstiger kan men den toestand maken, door de twee smoorspoelwikkelingen op één kern te vereenigen en ze onderling

25

magnetisch zeer innig te koppelen. Men kiest de reactanties weder onderling gelijk en is nu co Lj = L-, = 4 w L, terwijl w L =

/2I wordt genomen, zijnde de reactantie voor de serieschakeling.

Hierdoor wordt thans verkregen, dat in den tusschenstand de spanning \ a n het aftakpunt steeds midden tusschen de twee over-brugde aftakkingen ligt, onafhankelijk van de grootte en den arbeidsfactor van den belastingsstroom. De dubbele smoorspoel werkt dan als spanningsdeeler (,,preventive autotransformer").

De eenig mogelijke verschuiving van dit middelpunt is gelegen in verschillende Ohmsche verliezen der door verschillende stroomen doorvloeide smoorspoelhelften en in de kleine lek tusschen deze

twee takken. Bij een goed gebouwden smoorspoel zullen deze

afwijkingen bij vollast minder dan 5% van de trapspanning bedragen, wat dus practisch niet merkbaar is.

Behalve in het fixeeren van deze overbruggingsspanning ligt een tweede voordeel van deze schakeling hierin, dat het spannings-verlies in de tusschenstanden w en y tot de helft van de trapspan-ning wordt teruggebracht. Hierbij wordt dan n.l. slechts één

spoel-helft door den belastingsstroom doorloopen en de reactantie tot

op 4 o» L teruggebracht.

De spanningsfiguren voor de belastingstoestanden met den vollaststroom I en resp. arbeidsfactoren cos 99 = 1 en cos 9? = 0,7

zien er dan uit als aangegeven in Fig. 6:

Ev Ew « t e 21-->4EY Ev 1Ï, ^U 3 LüLl.UJL2.|ujL COStp-l

T

Deze figuren geven het gunstige spanningsverloop gedurende een schakeling duidelijk weer.

Door Siemens, welke firma dit principe in een draaienden lang-zaamschakelaar gebruikt, wordt bovendien nog een extra mogelijk-heid aangegeven ter verkleining van de smoorspoelen.*). Hierbij wordt voor elk der beide smoorspoelhelften nog een aantal trans-formatorwindingen met een spanning zoodanig geschakeld,

4

dat in den overbruggingsstand slechts — overblijft voor den over-bruggings-spanningsdeeler. Hierdoor worden de spanningsdia-grammen nog vloeiender en blijft in de overgangsperiode de span-ning binnen het bereik der twee elkander opvolgende standen. Begrijpelijkerwijze heeft deze uitvoering tengevolge van de belangrijke complicatie geen toepassing gevonden, zij moest echter volledigheidshalve hier worden vermeld.

Afgezien van de genoemde uitvoering van Siemens, komt de combinatie langzaamschakelaar met smoorspoelen voor principe a waarschijnlijk om practische redenen niet voor. Ik zal op de ver-schijnselen bij dezen vorm van overbrugging hier dan ook niet verder ingaan. Bij een der navolgende principes echter, waar de bovengenoemde eigenschappen juist bijzonder tot hun recht komen, zal ik de voor deze smoorspoelen of spanningsdeelers te stellen eischen uitvoeriger behandelen.

Zeer veel toepassing heeft het principe a met weerstandsover-brugging gevonden in de schakelaars, gebouwd volgens het reeds op blz, 15 genoemde ,,oude" Jansen-type (D. R. P. 474613), dat

in principe in Fig. 7 is weergegeven:

Fig. 7.

Door de speciale constructie met krachtvergaarder kunnen de weerstanden zeer klein worden gedimensioneerd, terwijl door de

zeer snelle schakeling (de geheele manipulatie heeft plaats in ca.

27

i/ao seconde) de optredende spanningsdaling practisch onmerkbaar is. Deze weerstanden, welke in de practische uitvoering gewoonlijk als twee op porceleinlichamen gewikkelde spoeltjes worden uit-gevoerd, kunnen gemakkelijk in de lastschakelaarruimte worden ondergebracht. Het wegvallen van extra doorvoeringen hiervoor en de ruimte-, materiaal- en kostenbesparing t.o.v. de groote en kostbare smoorspoelen, welke voor de combinatie met lang-zaamschakelaars van dit principe noodig zouden zijn, recht-vaardigen de zeer uitgebreide practische toepassing van dezen schakelaarvorm.

Door Dr. Reiche *) is een overzichtelijke grafische methode aangegeven voor het bepalen van de op blz. 19 genoemde meest gunstige waarde voor den overbruggingsweerstand. In een uit-gewerkt voorbeeld wordt daarbij als de gunstigste weerstand die waarde gekozen, waarbij in den overbruggingsstand x, bij vollast en cos <p = 0,7, de spanning daalt tot den volgenden trap.

Parallel aan deze constructie en ter verbetering van enkele door Koch & Sterzel geopperde bezwaren is door deze firma een scha-kelaar ontwikkeld, welke twee stel contactsystemen bezit, elk van een constructie, als in Fig. 7 weergegeven, welke onderling gekop-peld zijn en wel zoodanig, dat de verschillende contacten op de hieronder in Fig. 8 aangegeven wijze openen en sluiten.

Fig. 8.

Bij den overgang van stand w naar stand x verlaat het schakel-stuk Sh het contact H j even voordat Sv de contacten W ^ en W 2 overbrugt en verbreekt dus den belastingsstroom. Deze vloeit dan

een kort oogenblik over den overbruggingsweerstand R via W | en veroorzaakt dus een spanningsverlies, totdat Sv het contact W o raakt. Op dat oogenblik komt de overbrugging tot stand met de twee weerstanden in serie, de afgaande spanning ligt tusschen die van trap 1 en 2. Overgaande naar stand y verbreekt nu Sv het contact met W^ alvorens Sh aan Ho raakt. Hierbij wordt dus niet meer dan de vollast verbroken als de weerstanden wederom gelijk aan -. worden gekozen, zooals dit ook voor den Jansen-schakelaar het geval was. Even voor het sluiten van Sh en Ho valt wederom de spanning af en wordt de wederkeerende spanning tusschen Sv en W i gelijk aan de dubbele trapspanning.

Goed beschouwd is dit schakelproces volkomen identiek aan dat van den Jansen-schakelaar, alleen blijven de contacten voor den bedrijfstoestand, RiV, R,h, RoV en Roh, gevrijvv^aard voor inbran-ding, daar zij geen stroomen te verbreken krijgen. Met deze con-structie wordt de schakeltijd nog verkort t.o.v. den oorspronkelijken Jansen-schakelaar, daar nu het geheele proces zich afspeelt tus-schen stand w en y, waarbij in deze standen de schakelhefboomen reeds in beweging zijn, terwijl de Jansen schakelaar van stilstand begint met hetzelfde proces. Hierdoor hebben ook de spannings-diagrammen een ander verloop gekregen en wel als aangegeven in Fig. 9: ^i/E« cos (Pal EvE«

H

f^'

Deze spanningsfiguren komen overeen met die van het volgende

principe b voor den ,,nieuwen ' Jansen-schakelaar; in wezen en bouw behooren deze schakelaars echter geheel tot groep a.

Door de twee parallele contacten Rv en Rh in den bedrijfstoe-stand kunnen deze ook elk voor zich lichter worden gebouwd dan b.j den Jansen-schakelaar. De mechanische schokken van den

29

schakelaar zullen dus worden verminderd, daar het geen zin heeft de schakelmanipulatie korter dan 1/20 seconde te laten duren teneinde zeker te zijn, dat minstens één nuldoorgang van den stroom bij elke onderbreking voorkomt. De snelheid der bewegende deelen kan dus t.o.v. die van den Jansen-schakelaar worden ver-laagd. » e -1 2

'TU

w

De opstelling is wederom symmetrisch en ook deze schakelaar wordt normaal als snelschakelaar uitgevoerd, of beter gezegd: ook dit schakelprincipe volgt weder uit een speciale snelschakelaar-constructie en wel in dit geval uit het principe van den ,,nieuwen" Jansen-schakelaar (D. R. P. 648600), welke berust op een zeer vernuftige cycloïde-beweging van de schakelcontacten.

Evenals in het vorige geval zal ik de beweging weder ontleden in vijf tusschenstanden en het komt mij wenschelijk voor, het zeer bijzondere schakelmechanisme daaronder in Fig. 11 schematisch weer te geven. Een complete schakelmanipulatie omvat de vol-gende phasen:

v: het hoofdcontact H is gesloten, de hulpcontacten W j en W 2 aan de einden van de in serie geschakelde over-bruggingsimpedanties zijn geopend;

de hulpcontacten zijn met het in bedrijf zijnde en het vol-gende te kiezen contact verbonden, het hoofdcontact is nog gesloten en sluit den weerstand van W o kort, de andere weerstand overbrugt den regeltrap;

het hoofdcontact heeft de vorige aftakking verlaten, W i en W o zijn gesloten, de twee weerstanden in serie vormen de overbrugging, terwijl hun verbindingspunt de afgaande spanning geeft;

het hoofdcontact heeft de volgende aftakking bereikt en sluit nu den weerstand van W j kort, die van W 2 vormt thans de overbrugging;

w:

2: de hulpcontacten zijn geopend, het hoofdcontact is gesloten en de volgende bedrij f sstand is bereikt.

v w X Y z

Fig. I I .

Een verschil met het vorige principe is, dat nu de trappen-schakelaar en de lasttrappen-schakelaar tot één geheel zijn gecombineerd. Daar voor deze schakelaars als snelschakelaars met krachtver-gaarder om de reeds op blz. 27 genoemde redenen slechts Ohmsche weerstanden voor de overbrugging in aanmerking komen, zullen wij bij de behandeling der overgangstoestanden alleen dezen vorm van overbrugging beschouwen,

De in Fig. 10 en 11 aangegeven schakeling kan ook worden voorgesteld als hieronder in Fig. 12 is afgebeeld. De volgorde der verschillende phasen is geheel dezelfde en het beeld is iets over-zichtelijker.

R 'H2

Fig. 12.

Uit de standen w en y volgt reeds, dat elk der twee weerstanden R moet dienen voor de overbrugging van de geheele trapspanning. Juist het principieele verschil met het systeem a is, dat eerst de overbrugging met den volgenden trap tot stand komt en pas daarna het hoofdcontact van den laatst gebruikten trap wordt

I*1-«.V1^!1IUU1 !,!

31

verlaten en de kortsluiting van den daarbij behoorenden weerstand wordt opgeheven. In de standen w en y is dus reeds de daarbij be-hoorende eindspanning aanwezig aan het aftakpunt. De middenstand is een spanningsdeelerstand, waarbij evenwel de aftakspanning tengevolge van de weerstandsoverbrugging bij verschillende be-lastingstoestanden van de gemiddelde spanning kan afwijken. Hier zullen de spanningsfiguren dus steeds een driehoekigen vorm heb-ben in tegenstelling tot geval a, waar zij steeds twee uitspringende punten en één inspringende punt hebben.

Kiezen wij nu eerst weder de weerstanden R = — en beschou-wen dan de stroomverdeelingen voor vollast met cos 95 ^ 1, in de drie overgangssstanden w, x en y, dan vinden wij de toestanden als hieronder weergegeven in Fig. 13:

W X Y

Fig. 13.

Hieruit blijkt, dat in stand w in het overbrugde wikkelingsdeel en over het hoofdcontact Hj de stroom 21 vloeit. Bij den overgang van w op X krijgt H^ dus een contactbelasting met een stroom 21 en een wederkeerende spanning e, daar in stand x de spanning daalt tot den volgenden trap. De te onderbreken stroom en ning zijn in phase, daar de aan het contact wederkeerende span-ning wederom ontstaat door het verlies in den Ohmschen weer-stand. Ook hier zal de stroomonderbreking dus waarschijnlijk steeds plaats vinden bij den eersten nuldoorgang.

Aan den op bladz. 19 gestelden eisch voor de grootte van den toelaatbaren stroom in eenig deel van wikkeling of regelaar is dus ook hier niet voldaan. Het zal ook uit de volgende te behandelen gevallen blijken, dat bij onsymmetrische toestanden, zooals die

con-structies uiteraard aanwezig zijn. aan dezen eisch nooit geheel voldaan zal kunnen worden. Bij volle belasting van den transfor-mator zal in sommige deelen een sommeering van den vollaststroom en den overbruggingsstroom optreden. Een vergrooting van de overbruggingsweerstanden zal dus wel een verlaging van den overbruggingsstroom ten gevolge hebben, echter zal door de zeer gewenschte beperking der afmetingen van deze weerstanden geen buitengewone verbetering te bereiken zijn en zal ook dan nog door bepaalde deelen de som der twee genoemde stroomen vloeien. In dit opzicht is de ,,eerste ' Jansen-schakeling dus in het voordeel t.o.v. het tweede principe.

Teekenen wij nu weder de spanningsfiguren voor de verschil-lende bedrijfstoestanden, dan vinden wij, uitgaande van de hier-boven behandelde weerstanden R - = - de volgende spannings-diagrammen, als in Fig. 14 aangegeven:

E,E«

W'

Het blijkt, dat de spanning met slechts één afwijking, welke tusschen de twee bedrijfsspanningen ligt, van den eenen naar den volgenden stand verandert, hetgeen dus buitengewoon gunstig is. Het nadeel is echter reeds genoemd; een deel van de wikkeling en van het schakelmechanisme kan 200 ^/( van den nominalen stroom te verwerken krijgen.

Vergrooten wij nu de weerstanden tot de waarde R ^ I

V.i

dan krijgen wij in stand x dus een vereffeningsstroom - - doch door

den grooteren weerstand wordt het spanningsverlies grooter. In de standen w en y wordt de vereffeningsstroom dan — en worden

33

de schakelaars en de wikkelingsdeelen gunstiger belast dan in het vorige geval, n.l. maximaal met 1,5 I.

De spanningsdiagrammen worden dan als volgt:

fvEw

T

f#

^^s-.

Nu treedt dus in den middenstand x een spanningsverlies op, hetwelk maximaal bij vollast en cos 9; = 1 de afgaande spanning een halven trap beneden den gekozen stand brengt, voordat deze stand wordt bereikt.

Beschouwen wij het geval voor cos rp = 0,7, wat dus een zeer waarschijnlijken bedrijfstoestand aangeeft, dan worden de con-tacten H] in stand w belast met de geometrische som van den belastingsstroom I met cos 90 = 0,7 en den overbruggingsstroom

— met cos 99 = 1. De totale belasting is dus 1,415 I met cos cp = 0,885.

De wederkeerende spanning aan het contact Hj na afschakelen van bovengenoemden stroom is 1,415 e en in phase met dezen stroom. Het totale afschakelvermogen is dus 1,415IX 1.415e = 2el, dus even groot als in het geval met de weerstanden R : = — • doch de stroombelasting van het overbrugde wikkelingsdeel en van de schakelaars en daardoor de inbranding hunner contacten, is belangrijk minder. Verder vergrooten van de •weerstanden geeft verdere daling van de spanning in stand x, welke nu op ca. —

4 beneden den te kiezen trap komt. Daarom worden in de practische uitvoering dezer schakelaars de weerstanden op de nog behoorlijTc

2e

onder te brengen waarde R = —p gebracht, dus dubbel zoo groot als bij het a-principe. De schakelaars moeten voor de kortstondige

overbelasting tot circa l^ maal den normaalstroom en een afscha-kelvermogen van 2 e I gedimensioneerd zijn.

Beschouwen wij de belasting der contacten bij het doorloopen van het geheele regelbereik, dan blijkt uit Fig. 11 en Fig. 12, dat het hoofdcontact H, hetwelk in de uitvoering volgens Fig. 12 in twee contacten H i en H2 is gesplitst, den grootsten stroom krijgt te schakelen. Het hulpcontact W ] krijgt afwisselend een stroom — en O te schakelen met een wederkeerende spanning e, het hulp-contact W 2 schakelt een stroom, varieerende van O tot 0,35 I met een wederkeerende spanning e, afhankelijk van den arbeidsfactor der belasting. Er zal dus een ongelijk afbranden der hulpcontacten optreden.

Theoretisch beschouwd staat de schakelaar volgens principe b dus bij dien volgens principe a ten achter. De door Jansen ontwik-kelde bouwwijze echter geeft voor stroomen tot 300 A en bedrijfs-spanningen van 10 tot 50 kV door de samentrekking van trappen-en lastschakelaar etrappen-en zoo eleganttrappen-en trappen-en compacttrappen-en bouw, met ge-makkelijke montage- en aansluitmogelijkheden, dat men daardoor in vele gevallen aan deze schakelaars de voorkeur zal geven.

• Bij de practische uitvoering echter is Jansen eenigszins van het in het patent aangegeven systeem afgeweken doordat hij het hoofd-contact H van Fig. 11 niet volgens een cycloïde-beweging laat verspringen, doch een cirkelvormige baan om de hoofdas laat be-schrijven. De twee tegenover elkander liggende excenters zouden n.l. het overigens buitengewoon vernuftig geconstrueerde mecha-nisme belangrijk ingewikkelder en duurder maken. De cycloïde-beweging is door hem in de eerste plaats gekozen om bij een betrekkelijk kleinen diameter van den geheelen schakelaar toch nog een behoorlijken afstand van de hulpcontactrollen W j en W ^ t.o.v. de transformatorcontacten 1 en 8 te verkrijgen. Deze be-weging heeft echter nog een tweede belangrijk voordeel, n.l. dat de mechanische kracht, waardoor de rollen van de contacten wor-den verwijderd, door de gunstige excenterbeweging zeer groot is zonder een buitensporige kracht van de aandrijfas te vergen. Hier-door wordt bij mogelijk vastlasschen van twee contacten een zekere verbreking van den schakelaar gewaarborgd. Dit voordeel is nu

35

echter voor het hoofdcontact, dat, zooals wij vonden, juist den grootsten stroom te schakelen krijgt, verloren gegaan. Dit moet on-tegenzeggelijk als een bezwaar worden beschouwd.

Door de keuze van een geschikt materiaal voor deze contacten is echter de kans op vastbranden zeer te beperken, terwijl door de combinatie van krachtvergaarder en de rollende beweging der contacten ook het losbreken nog zeer goed mogelijk is.

Ook deze schakelaars moeten dus werken met een zorgvuldig geconstrueerden krachtvergaarder, waarvoor Jansen eveneens een zeer mooie oplossing heeft ontwikkeld. Details van deze construc-ties zijn echter, hoezeer ook de moeite van een nadere beschouwing waard, hier niet op hun plaats.

Fig. 16.

Het systeem van schakelaars en overbruggingsweerstand is niet meer symmetrisch. Z is één impedantie, welke met één einde aan een der hoofdschakelaars Ho en met het andere aan den hulp-schakelaar W is verbonden.

Een complete schakelmanipulatie kunnen wij wederom ontleden in vijf standen, als volgt:

v: het hoofdcontact Hj is gesloten, de andere schakelaars zijn open. H l voert den bedrij f sstroom;

w: H l en W zijn gesloten, H^ voert den bedrij f sstroom plus den overbruggingsstroom, W voert alleen den overbrug-gingsstroom;

x: H l is geopend, W is alleen gesloten en voert den verbruiks-stroom, welke in de overbruggingsimpedantie een span-ningsverlies veroorzaakt;

y: W en Ho zijn gesloten, de impedantie is dus kortgesloten en H2 voert den bedrij f sstroom;

z: W is geopend en H2 is alleen gesloten, de volgende be-drij f sstand is bereikt.

Deze vijf standen zijn in onderstaande Fig. 17 met de daarbij optredende stroomen weergegeven.

Fig. 17.

Hieruit blijkt, dat, indien H j aan een aftakking met hoogere spanning dan die van Ho is aangesloten, over Hj de som van belastings- en overbruggingsstroom vloeit. W a a r nu bij den vol-genden stand van den trappenschakelaar, bij den overgang van trap 2 naar trap 3 juist Ho aan de hoogere spanning ligt, geven wij in Fig. 18 nog de stroomverdeeling in den overbruggingsstand voor dat geval. Hierbij blijkt, dat H , nu wordt belast met het ver-schil tusschen den belastings- en den overbruggingsstroom.

Fig. 18.

Wanneer wij nu stand x voor deze twee gevallen bezien, dus den stand, waarin de belastingsstroom den overbruggingsimpe-dantie doorvloeit, dan blijkt, dat de spanning, gaande van trap 1 naar trap 2, veel sterker varieert, dan gaande van trap 2 naar trap 3. In het eerste geval toch zal in stand x de spanning, afhankelijk van de grootte van Z , beneden de gekozen spanning 2 dalen. In het tweede geval zal hetzelfde spanningsverlies in de impedantie op-treden, nu echter beneden den juist verlaten hoogeren spannings-trap. Er zullen dus twee spanningsfiguren kunnen worden getee-kend. Nemen wij den overbruggingsweerstand zuiver Ohmsch en

37

gelijk aan — , dan vinden wij in Fig. 19 de volgende

spannings-diagrammen voor vollast met verschillende arbeidsfactoren:

BiEiiii EvEw 2 » 3iEx 3< cos cp-1

w^

De schakelaars volgens dit principe hebben dus hetzelfde be-zwaar als voor de schakelaars volgens principe b op blz. 31 ge-noemd, t.w. er kan in den overbruggingstoestand een overbelasting van een deel der wikkeling en schakelaars optreden. Het is dus zaak, na te gaan met welke middelen en in welke nog redelijke mate deze overbelasting kan worden beperkt.

Ter ondervanging van de genoemde bezwaren is een speciale constructie ontworpen met een dubbel stel overbruggingsimpedan-ties, waarvan elk is voorzien van een kortsluitschakelaar. * ) . Door deze schakelaars wordt nu bewerkt, dat steeds die weerstand ge-durende een bepaalde schakelmanipulatie in bedrijf is, welke aan den hoogeren spanningstrap is aangesloten.

Hierdoor wordt dus ten eerste de schakelaarbelasting minder, daar nu steeds het verschil tusschen belastings- en overbruggings-stroom wordt verbroken en ten tweede zullen de spanningsschom-melingen gedurende het schakelen belangrijk geringer zijn.

Begrijpelijkerwijze is evenwel het aanbrengen van een dubbel

stel overbruggingsimpedanties alsmede van twee extra schakelaars per phase een groot bezwaar,

Daar de schakelaars volgens principe c, welke een zeer ruime toepassing hebben gevonden, algemeen als langzaamschakelaars worden uitgevoerd, ligt het voor de hand, dat moet worden gerekend

met de mogelijkheid van stilstand van het mechanisme gedurende een schakelbeweging. Dus moet de overbruggingsimpedantie voor

een langdurige en wel gewoonlijk voor een continue belasting wor-den gedimensioneerd.

Voor impedanties met dergelijke eigenschappen komen in ver-band met de noodzakelijke afmetingen in de eerste plaats smoor-spoelen in aanmerking. Ohmsche weerstanden zouden zeer groot worden, zoodat zij slechts in uitzonderingsgevallen behoorlijk zou-den zijn onder te brengen. Ook een combinatie van Ohmsche en inductieve weerstanden zou mogelijk zijn en het zal bij de verdere behandeling ook blijken, dat deze zelfs algemeen wordt toegepast. Echter is de reden van deze combinatie een zeer bijzondere, waarop ik hier nog niet wil vooruitloopen.

Beschouwen wij dus wederom dezelfde schakeling, doch nu met een reactantie o» L = — De spanningsdiagrammen worden dan weder geheel gelijk aan die van Fig. 15, slechts met dit verschil, dat de figuren voor cos <p - - 1 en cos tp = O zijn omgewisseld. Het op blz. 24 genoemde voordeel van het geringere spanningsverlies in het practisch meest gebruikelijke bereik van den arbeidsfactor, n.l. tusschen 0,7 en 1, is dus ook hier aanwezig.

W a t de stroomen in de verschillende deelen der apparatuur betreft, treedt hierbij ook een geringe verbetering op t.o.v. de over-brugging met Ohmsche weerstanden. Beschouwen wij stand w van Fig. 17 bij een vollaststroom I met een phasenverschuiving, varieerend tusschen cos 9 = 1 en cos 95 •= 0,7. De overbruggings-stroom is I met een cos 9^ = O (afgezien van de kleine verliescom-ponent van den smoorspoelstroom).

De totale stroom in het overbrugde wikkelingsdeel en in den schakelaar H , zal dus 1,41 I tot 1,84 I kunnen bedragen in plaats van 2 1 tot 1,841, welke waarden bij zuivere weerstandsoverbrug-ging en dezelfde belastingen voorkomen.

Vergrooten wij de weerstanden tot de waarde R = en de

c '^ smoorspoelen tot de waarde w L = dan varieeren bij vollast

••

n*-en en*-en arbeidsfactor van 1 tot 0,7 de grootste stroomn*-en voor de twee uitvoeringen van 1,5 I tot 1,39 I voor zuivere weerstandsover-brugging en van 1,12 I tot 1,391 voor smoorspoeloverweerstandsover-brugging. Dit geeft dus inderdaad een aanzienlijke vermindering van de stroom-belasting.

39

Echter wordt nu het spanningsverlies in stand x gelijk aan IX — = 2e, hetgeen dus bij den overgang van contact 1 op con-tact 2 neerkomt op een daling der spanning tot 2 trappen beneden de gekozen waarde. Daar deze schakelaars zooals gezegd als langzaamschakelaars worden gebouwd, geeft een dergelijke groote spanningsdaling duidelijk merkbare veranderingen in het net, wat dus ontoelaatbaar is. Daarom wordt algemeen voor deze schake-laars de vergrooting van den stroom tot de bovengenoemde waar-den aanvaard, waarbij dus ook in dit opzicht de smoorspoel gun-stiger resultaten geeft dan de Ohmsche weerstand.

Gezien dus het feit, dat voor dit systeem van regelschakelaars de smoorspoelen voor de overbrugging zulk een belangrijke rol spelen, zullen wij thans de contactbelastingen voor deze uitvoering bij verschillende belastingen nog eens nader beschouwen aan de hand van de spannings- en stroomdiagrammen in onderstaande Fig. 20:

i >:H,W

JO

cos(p-0

Fig. 20.

Zooals wij reeds vonden, is in stand w, gaande van trap 1 naar 2 (of verder gaande van trap 3 naar 4 ) , de stroombelasting het grootst. In de diagrammen zijn de stroomen in den schakelaar H i weergegeven en geeft de lijn Ew—Ex de wederkeerende span-ning aan de contacten van H i naar grootte en richting aan. Uit de figuren blijkt dus, dat bij cos <p — l de belasting het gunstigt is; deze is dan 1,41 e x 1,41 I = 2e I; bij cos 99 = O wordt de belasting het ongunstigst en wel 2 e x 2 I = 4 e I . Voorts is de hoek tusschen deze contactspanning en stroom steeds 90°, ongeacht den arbeids-factor van de transformatorbelasting. Deze phaseverschuiving ver-oorzaakt belangrijke moeilijkheden in den vorm van sterke

af-PvEw EyEw

2c r \

JH.W ^Ex

brandverschijnselen aan de contactvlakken door den langen tijds-duur van den lichtboog. Het is dus in de eerste plaats zaak, naar middelen te zoeken ter beperking van het bestaan van dezen boog. Een versnelling van de beweging der contacten komt bij dezen langzaamschakelaar uit den aard der zaak niet in aanmerking. Een andere en zeer effectieve verbetering echter wordt bereikt door het parallel schakelen van een Ohmschen weerstand aan de smoor-spoelklemmen. Uit o.a. door Schwaiger *) genomen zeer uitvoerige proeven is gebleken, dat een weerstand van de ongeveer 100- tot 300-voudige waarde van de reactantie der smoorspoelen den duur van den lichtboog tot op ca. drie halve perioden terugbrengt. Een zelfde waarde voor den duur van den lichtboog bij een dergelijke orde van grootte voor den parallel-weerstand is ook gevonden uit proeven van de Fa. Elin te Weenen, Het nog verder verkleinen van den parallelweerstand heeft geen belangrijk effect en brengt, in verband met de dan voor mogelijkheid van continue belasting noodzakelijke dimensioneering, onnoodige moeilijkheden met zich mede. Bij een dergelijke waarde van den parallelweerstand kan er dus nog geen sprake zijn van een belangrijke verbetering van den arbeidsfactor. Er moet dus een andere oorzaak zijn voor de ge-vonden verkorting van den bluschtijd. Voor een nadere beschou-wing van dit verschijnsel zullen wij eerst in principe in Fig. 21 den stroomkring weergeven, waarin dit optreedt. Er zijn twee wegen voor een verklaring van het verschijnsel.

Fig. 21.

Ten eerste zal, theoretisch gesproken, de vereffeningsstroom afbreken op het oogenblik van zijn nuldoorgang. Op dat moment is het aantal ampèrewindingen van de smoorspoel en dus het mag-netische veld nul. Er is dus in de spoel zelf geen energie aanwezig,

41

welke aanleiding kan zijn tot de genoemde bezwaarlijke vonkver-schijnselen. In de practische uitvoering verwijderen de contacten zich van elkander en zal bij het bereiken van eenigen afstand de onderbreking niet meer bij den nuldoorgang van den stroom, doch eerder plaats vinden, n.l. bij die waarde, waarbij de

warmteontwik-keling niet meer in staat is, den boog over den bestaanden en zich

voortdurend vergrootenden afstand in stand te houden. Nu is dus nog wel degelijk energie in het magnetische veld van de smoorspoel aanwezig en zal door de plotselinge verandering van de ampère-windingen bij het afbreken van den stroom een belangrijke over-spanning aan de zich openende contacten van den schakelaar ont-staan. Immers, de grootte van de in een spoel geïnduceerde span-ning is evenredig aan de snelheid van de verandering van den magnetischen flux.Terwijl normaal reeds voor den smoorspoelstroom bij den nuldoorgang de verandering van den flux maximaal is en hiermede dus ook de maximale waarde van de tegen-electromoto-rische kracht samenvalt zal vanzelfsprekend de vonkonderbreking een veel steiler verloop van de stoomkromme geven. Dientengevolge zal een veel grootere spanning in de wikkeling worden opgewekt,

welke in staat is den gebluschten lichtboog opnieuw te ontsteken

en op die wijze het hinderlijke inbranden van de contacten te ver-oorzaken. * ) . Aan de hand van deze verklaring is thans ook dui-delijk, dat een weerstand, parallel aan de smoorspoel, waarin de energie van het magnetische veld door den volgens een exponen-tieele functie afnemenden vereffeningsstroom wordt vernietigd, een zeer gunstigen invloed kan hebben op de vonkvorming. Nu immers behoeft de smoorspoelstroom op het moment van stroom-onderbreking van den lastschakelaar niet meer noodzakelijkerwijze plotseling nul te worden, doch kan het magnetische veld zich in den, voor ieder geval zoo gunstig mogelijk te dimensioneeren, weerstand

uitleven zonder onaangename overspanningsverschijnselen op te

wekken.

Een tweede verklaring is gelegen in de volgende mogelijkheid.

De smoorspoel bezit behalve inductiviteit ook capaciteit, n.l. zoowel

tusschen de windingen onderling als t.o.v. aarde, zooals in Fig. 22 aangegeven.

Fig. 22,

In dit systeem van inductiviteit en capaciteit bestaat dus eerst een spanningsverdeeling, als aangegeven in het eerste diagram van Fig. 22. Het punt a heeft de potentiaal van de transformatoraftak-king 1, het punt b die van aftaktransformatoraftak-king 2, dus e minder. Langs de impedantie verloopt de spanning lineair. W o r d t nu de schakelaar tusschen b en 2 geopend, dan zal b uiteindelijk de spanning van 1 aannemen; er dringt dus in de impedantie een spanningsgolf binnen, welke den eindtoestand, als aangegeven in het tweede diagram van Fig. 22, tot stand zal trachten te brengen. Bij een onderbreking bij den nuldoorgang van den stroom zal deze golf juist haar maximale waarde e bezitten. Bij het binnendringen in het complex van inductiviteit en capaciteit zullen door resonantie spanningsverhoogingen in den vorm van een slingering kunnen ontstaan. Deze slingering, met een waarschijnlijke amplitude = e, kan dus door superpositie over de bestaande spanning de dubbele spanning aan de schakelaarcontacten veroorzaken en daardoor een nieuwe ontsteking van den lichtboog zeer sterk in de hand werken. * ) .

Overbrugt men nu de smoorspoel door een weerstand, dan zal daardoor de spanning aan het afgeschakelde eind van de spoel zonder aanleiding tot overspanningen toegevocrd kunnen worden. Hierdoor zal dus de wederkeerende spanning aan de schakelaar-contacten tot de normale amplitude van de trapspannning beperkt blijven en zullen geen extra ontstekingen van den lichtboog met de daaruit volgende extra afbrandverschijnselen optreden. Indien

*) Zie: ,,Elektrische Schaltvorgange", Rüdenberg, 3e druk, blz. 298; „ V a -cantielecrgang Hoogspanningsschakelaars 1937", G. de Zoeten; Revue Génér. d'Electricité 1934, L. Saudicoeur, blz. 815.

43

men nu aanneemt, dat de frequentie van het beschreven overspan-ningsverschijnsel in de buurt van de practisch voorkomende waar-den van 150 a 200 kHz ligt, dan is het duidelijk, dat een parallel-weerstand, met de 100 a 300-voudige waarde van den inductieven weerstand van de spoel bij 50 Hz, reeds een zeer grooten invloed moet hebben. De inductieve weerstand van de smoorspoel immers is evenredig aan de frequentie en zal dus voor de overspanning ongeveer tienmaal zoo groot zijn als de parallelweerstand, zoodat door dezen laatste het verschijnsel geheel zal worden weggedempt. Uit de twee bovenstaande verklaringen is het duidelijk, dat dus hier inderdaad een zoo groote weerstand reeds een aanzien-lijken invloed op het afbrandverschijnsel kan hebben.

Welke van de twee genoemde verschijnselen den meesten invloed zal hebben, zal geheel afhangen van de verhoudingen van capa-citeit en inductiviteit van de beschouwde keten en zou voor elk geval afzonderlijk bestudeerd moeten worden. Voor beide gevallen echter is de parallel-weerstand het eenvoudige redmiddel om de onaangename nevenverschijnselen tot een redelijken omvang te beperken.

Daar het verdere onderzoek omtrent de verschijnselen bij het schakelen in dergelijke ketens buiten het kader van deze verhan-deling valt en bovendien, o.a. door Rüdenberg, zeer uitvoerig in de desbetreffende literatuur is uitgewerkt, kunnen wij ons hier beperken tot het constateeren van de oorzaken der bij regelschake-laars ondervonden moeilijkheden en tot het geven van de genoemde practische oplossing daarvoor.

De op blz. 37 genoemde voorwaarde voor de berekening van den overbruggingsweerstand voor continue belasting heeft ook nog tot de volgende oplossingen geleid. * ) .

Ten eerste kan de smoorspoel worden vervangen door een trans-formator, welke secundair is belast met een Ohmschen weerstand. Men is nu door de keuze van de overzettingsverhouding in staat, de grootte van stroom en spanning in de gunstigste verhouding om te zetten.

De overbruggingsweerstand behoeft bij gescheiden wikkelingen

van den transformator niet meer op de netspanning aangesloten te zijn, doch kan een lage bedrij f sspanning hebben. Daardoor kan

deze gemakkelijk buiten de kast worden aangebracht, zonder

groote en kostbare doorvoeringen te vereischen. Verwarming van

de transformatorolie door de te vernietigen energie wordt hierdoor

vermeden, terwijl een gemakkelijke uitwisselbaarheid mogelijk is. Tenslotte is het zelfs mogelijk, den weerstand tegen overbelasting te beschermen. Door n.l. de kernsectie van den transformator zoo-danig te kiezen, dat deze reeds bij den normaal optredenden stroom is verzadigd, zal bij het optreden van kortsluitstroomen in de primaire wikkeling de spanning in de secundaire wikkeling en dus ook de stroom in den weerstand slechts weinig toenemen. Deze beschermende werking kan bovendien nog worden verhoogd door bijzondere uitvoeringen ter vergrooting van den lek.

Bij genoemde uitvoering is de overbruggingsweerstand indirect aangebracht. Het is ook mogelijk, dezen direct in den overbrug-gingskring te plaatsen en toch een grens te stellen aan den door

den weerstand vloeienden stroom en de daarin ontwikkelde warmte.

Men schakelt daartoe parallel aan den weerstand een smoor-spoel, waarvan de kernsectie zoo gekozen is, dat het ijzer verzadigd is bij het normaal optredende spanningsverlies tusschen de weerstandseinden.

In Fig. 23 is het verband aangegeven tusschen de klemspanning E, welke normaal zal optreden en den betrekkelijk kleinen stroom I, welke normaal de smoorspoel zal doorvloeien.

Neemt nu bij overbelasting of kortsluiting van den transformator, op het moment dat de belastingsstroom over de

overbruggings-45

impedanties vloeit, het spanningsverlies toe, b.v. met het bedrag e, dan zal daarbij de smoorspoel een groot gedeelte van den belas-tingsstroom, n.l. i van den overbruggingsweerstand overnemen.

Merkwaardig is het verschil van deze combinatie met die, be-schreven op blz. 40. Hier was een weerstand aangebracht, parallel aan een smoorspoel, ter begrenzing van de daaraan optredende spanning. Nu daarentegen is een smoorspoel aangebracht, parallel aan een weerstand, ter begrenzing van den stroom daarin. Het eerste principe heeft verreweg de meeste toepassing gevonden. De laatst beschreven uitvoering bestaat dan ook uit twee onder-deelen, welke beide een belangrijk vermogen te verwerken kunnen krijgen en dus beide aanzienlijke afmetingen moeten hebben, terwijl de parallelweerstanden voor de overbruggingssmoorspoelen van het eerste systeem slechts klein, goedkoop en gemakkelijk onder te brengen zijn. Volledigheidshalve en als een bijzondere oplossing voor bepaalde problemen was de vermelding van deze meer gecom-pliceerde constructies hier op haar plaats.

1 2 3 4

Fig. 24.

Ook dit systeem is niet symmetrisch en in wezen eigenlijk geheel gelijk aan principe c, wat betreft de overgangstoestanden. Bekend als cellenschakelaars voor accumulatorenbatterijen, werden deze schakelaars bij de eerste ontwikkeling van onder belasting regelbare transformatoren als een reeds uitgevoerde en beproefde constructie toegepast, zelfs vrijwel onveranderd in den daarvoor gebruikelijken vorm met geheel afzonderlijke opstelling in lucht. Langzamerhand werden zij meer aangepast aan den voor transformatoren gewensch-ten vorm, zoodat men uit de moderne apparagewensch-ten nog slechts aan het schakelprincipe den ouden cellenschakelaar herkent.

De schakelbelastingen van vóórcontact en hoofdcontacten lijken volkomen identiek met die van de contacten W i , Hj en H2 van Fig. 17 voor het principe c. Dientengevolge zal het spanningsverlies weder overeenkomen met de behandelde gevallen, afhankelijk van

den gekozen aard en de grootte van de overbruggingsimpedantie, de mate van belasting van den transformator en de phasenver-schuiving daarvan.

Eén kenmerkend verschil is echter voorhanden, n.l. hebben hier de weerstand en het voorcontact een bepaalde plaats t.o.v. het hoofdcontact, terwijl zooals in Fig. 17 en 18 was aangegeven, bij de schakelaars volgens principe c bij het doorloopen van het regel-bereik steeds een omwisseling van de volgorde van het weerstands-contact t.o.v. de hoofdweerstands-contacten plaats vindt.

Het is hierbij gebleken, dat de toestand als aangegeven in Fig. 18 belangrijk gunstiger was en het is dus zaak, bij schakelaars van dit systeem steeds de aansluiting zóó te kiezen, dat het weerstands-contact in de richting van de hoogere spanning vóór ligt t.o.v. het hoofdcontact.

Een schakelmanipulatie is weder te ontleden in de volgende

vijf phasen: i v: de contacten H en W staan samen op het contact van de

in bedrijf zijnde transformatoraftakking, H voert den be-drij f sstroom;

w: H heeft het contact verlaten, W voert den verbruiksstroom, welke over de overbruggingsimpedantie vloeit en een span-ningsverlies veroorzaakt;

x: H heeft het volgende contact bereikt, over R vloeit nu de overbruggingsstroom I, terwijl H het verschil hiervan met den bedrij f sstroom voert.

y: W heeft het vorige contact verlaten, H voert den bedrijfs-stroom;

z: W en H staan samen op het contact van de gekozen aftak-king, H voert den bedrij f sstroom.

Deze schakeltoestanden zijn weergegeven in onderstaande Fig.:

47

In Amerika wordt een schakelaar gemaakt, welke in bouw weder zeer sterk tot den ouden cellenschakelaar terugkeert. Deze wordt gebruikt in combinatie met een spanningsdeelersmoorspoel, waarbij de overbruggingstoestand eveneens een bedrijfstoestand vormt, zoodat dit dus eigenlijk een tusschenvorm is van de schakelaars volgens de groepen d. en e. De overgangsverschijnselen hiervan hooren evenwel bepaaldelijk in de laatste groep thuis en zullen dus ook daar worden behandeld.

Daar deze schakelaars in Europa gewoonlijk als snelschakelaars met weerstandsoverbrugging worden gebouwd, zullen wij de be-schouwing van de overgangstoestanden tot dezen vorm beperken.

De spanningsdiagrammen voor dezen vorm van overbrugging komen voor eiken trap overeen met de rechtsche figuren van afb. 19, welke daar speciaal voor den overgang van stand 2 naar stand 3 zijn aangegeven.

Zooals wij reeds op blz. 36 zagen, is de contactbelasting gunstig. Zoowel het hoofdcontact als het weerstandscontact en de wikke-ling voeren nooit meer dan den normalen stroom, daar bij juiste schakeling van den weerstand t.o.v. de stijgende spanning de over-bruggingsstroom tegengesteld aan den belastingsstroom door het hoofdcontact vloeit. Voorts moeten beide contacten éénmaal per schakelperiode den normalen stroom verbreken, indien de over-bruggingsweerstand R = -j- wordt gekozen, beide met een weder-keerende spanning e, welke in phase met den te verbreken stroom is.

Het spanningsverlies blijft bij normale belastingen binnen het bereik der twee trappen en de overgang geschiedt met hoogstens één tusschenspanning, dus zonder merkbaren hinder voor het net, terwijl het gebruik van langzaam- en snelschakelaars beide moge-lijk is.

Het feit, dat deze vorm van regelschakelaars, welke, zooals uit het behandelde blijkt, vooral tezamen met smoorspoelen, voor de overbrugging, bijzondere voordeelen biedt, niet of slechts in geringe mate in deze laatste combinatie is toegepast, is slechts daardoor te verklaren, dat de constructieve oplossing hiervoor een zeer moei-lijke is. De genoemde Amerikaansche constructie is beperkt geble-ven tot betrekkelijk kleine eenheden, waarbij de schakeltechnische

moeilijkheden nog gering zijn, zoodat zich minder constructieve bezwaren voordoen.

Voor de uitvoering in den vorm van snelschakelaars met weer-standsoverbrugging is vanzelfsprekend ter beperking van de afme-tingen der weerstanden een uitvoering met krachtvergaarder noodig.

Fig. 26.

Schakelaars volgens dit principe zijn vooral in Amerika buiten-gewoon veel uitgevoerd en zijn ook in Europa toegepast bij trans-formatoren van groot vermogen. Door de spanningsdeeler-schake-ling kunnen bij n transformatoraansluitingen 2n—1 spanningen worden verkregen. Hierdoor wordt dus ten eerste op de uitvoering der aftakkingen bespaard. Ten tweede echter wordt hierdoor het juist bij groote transformatoren bestaande probleem van het ge-ringe aantal windingen per aftakking belangrijk vergemakkelijkt, daar nu het dubbele aantal windingen kan worden genomen met de mogelijkheid deze over de geheele kernhoogte te verdeelen ter handhaving der magnetische symmetrie en ter verzekering van de kortsluitvastheid van den transformator. Ten derde kunnen in vele gevallen de schakelaars eenvoudiger worden gebouwd en wel bestaan uit een reeks lastschakelaars, welke tevens de verschillende aftakkingen kiezen, zoodat een afzonderlijke trappenschakelaar komt te vervallen.

Voor dezen vorm van overbrugging komen alleen smoorspoelen in aanmerking. Deze zijn reeds terloops genoemd op blz. 26 en 27. Hierbij kwam ten eerste de noodige magnetische koppeling ter sprake. Ten tweede bleek, dat de grootte der reactantie zoo moest worden gekozen, dat w L = j . opdat in de schakelaar- en wik-kelingsdeelen geen grootere stroomen dan de normaalstroom zul-len optreden. Een voordeel is verder, dat in de overgangsstanden

49

x:

het spanningverlies wordt beperkt, doordat de reactanties der smoorspoelhelften afzonderlijk gelijk zijn aan cu Li = co L2 = i <oL.

Een complete schakeling kunnen wij wederom in vijf toestanden sphtsen en wel:

v: H l en S zijn gesloten, de twee helften van den spannings-deeler voeren in tegengestelde richting elk de helft van den bedrij f sstroom;

w: H l is gesloten, S is geopend, de verbruiksstroom vloeit door de helft van de spanningsdeelerwikkeling;

H l en H2 zijn gesloten, de autotransformator werkt als overbruggingssmoorspoel en als spanningsdeeler, over H i vloeit de som, over Ho het verschil van den ovcrbruggings-en dovcrbruggings-en belastingsstroom, deze stand kan ook eovcrbruggings-en bedrijfs-stand zijn;

H l is geopend, H2 is gesloten, de bedrij f sstroom vloeit door de tweede helft van de smoorspoelwikkeling;

H2 en S zijn gesloten, de twee helften van den spannings-deeler voeren in tegengestelde richting elk de helft van den verbruiksstroom.

In Fig. 27 zijn deze standen en de daarbij optredende stroomen aangegeven,

z:

Uitgaande van een spanningsdeeler met coL — j=- vinden wij bij de verschillende belastingstoestanden de reeds in Fig. 6 aan-gegeven spanningsdiagrammen, waaruit het gunstige verloop van de spanning door het belangrijk verminderde verlies in de halve smoorspoelwikkehng duidelijk blijkt, terwijl het inductieve span-ningsverlies bovendien bij de normaal voorkomende belastingen,

met een arbeidsfactor gelegen tusschen de waarden cos cp = 0,7 en cos q) ^ \, slechts een zeer geringen invloed op de transformator-spanning uitoefent.

Uit Fig. 27 blijken tevens de contactbelastingen bij deze uit-voering gunstig te zijn. Bij het voortschrijden langs de aftakkingen krijgen beurtelings H i en H2 de som van den halven vollaststroom en den overbruggingsstroom te verbreken. Bij cos 99 = 1 is dit 0,7 I, bij cos 99 = 0,7 dus 0,92 I, terwijl de wederkeerende spanning gelijk is aan de som van de trapspanning en de spanningsdeelerspanning. De kortsluitschakelaar S krijgt bij eiken overgang naar een vol-genden trap den halven vollaststroom te onderbreken. De weder-keerende spanning aan de contacten wordt gevormd door het spanningsverlies in de door den stroom I doorvloeide spannings-deelershelft met reactantie w L^ = i a»L, dus met de grootte I. i wL = ~ plus de daardoor in de tweede helft van den spannings-deeler geïnduceerde gelijke spanning, in totaal dus e.

Deze spanning staat loodrecht op den onderbroken stroom, zoo-dat vanzelfsprekend ook hier de op blz, 40 besproken parallelweer-stand op zijn plaats zal zijn.

Bij bovenstaande redeneering is reeds vooruitgeloopen op speciale voorwaarden, waaraan het magnetisch circuit van een dergelijken spanningsdeeler of autotransformator moet voldoen om geen bijzon-dere moeilijkheden in het bedrijf te veroorzaken.

De kern van een dergelijken transformator moet voorzien worden van luchtspleten, daar anders geheel onmogelijke afmetingen ge-bruikt zouden moeten worden teneinde de reactantie klein genoeg te houden. Het geheel wordt zoo gedimensioneerd, dat de magne-tiseeringsstroom gelijk is aan den halven vollaststroom. Daardoor wordt vermeden, dat overspanningen en vervormingen van de span-ningskromme optreden.

Zooals uit het spanningsdiagram van Fig. 6 voor cos cp = 0,7 blijkt, worden in de tusschenstanden w en y door het spannings-verlies in de smoorspoelhelften de spanningssprongen, gaande van stand v via w naar x en van x via y naar z, ongelijk.

In ,,Transformer Engineering" *) geeft Blume een uitvoerige