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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Unterbrechen eines Stroms bei
Hochspannung mit einer Unterbrechungseinrichtung, die Steuerungsmittel und
mindestens eine hochspannungsgeeignete Sicherung aufweist. Die Erfindung
betrifft auch Steuerungsmittel, eine Sicherung und eine Schalter-/Sicherungskombination
für eine solche Unterbrechungseinrichtung.
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Um
im Fall eines Fehlers ein fehlerhaftes Betriebsmittel oder einen
fehlerhaften Netzabschnitt vom fehlerfreien Netz zu trennen, werden
in Hochspannungsanlagen (> 1
kV–380 kV) Schutzgeräte zum Steuern von Leistungsschaltern
verwendet, die bei Vorliegen eines Fehlers ein Schalten des Leistungsschalters
bewirken, wodurch der Strom durch den Leistungsschalter unterbrochen
wird. Eine preisgünstigere Alternative zum Unterbrechen
des Stroms bei Hochspannung besteht in einer Kombination aus einem
Lasttrennschalter und einer Hochspannungs-Hochleistungs-Sicherung
(HH-Sicherungen). Ob in einer Hochspannungsanlage Leistungsschalter bzw.
Leistungstrennschalter zusammen mit Schutzgeräten oder
aber Kombinationen aus Lasttrennschaltern und HH-Sicherungen eingesetzt
werden, ist in aller Regel abhängig von der Verfügbarkeitsanforderung,
der Leistung und der geforderten Wirtschaftlichkeit.
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Bei
einer bekannten Kombinationen aus HH-Sicherung und Lasttrennschalter
wird ein Schutzgerät verwendet, das im Fehlerfall überwacht,
ob der Fehlerstrom noch durch den Schalter geschaltet werden kann
oder nicht. Das Schutzgerät sorgt dann dafür,
dass die Auslösung des Schalters blockiert wird, wenn der
Fehlerstrom einen bestimmten Maximalwert, typischerweise den maximalen
Schaltstrom des Schalters, übersteigt. Wenn der Fehlerstrom
den Ansprechstrom der Sicherung erreicht, erfolgt deren Auslösung
dann selbsttätig.
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Bei
einer weiteren bekannten Lösung sind die Sicherung und
der Lasttrennschalter derart miteinander gekoppelt, dass der Lasttrennschalter
allpolig ausgeschaltet wird (Freiauslösung), sobald mindestens
eine der Sicherungen ausgelöst hat. Die Kopplung erfolgt
mechanisch über einen Schlagstift an der Sicherung.
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Beide
letztgenannten Verfahren haben jedoch das Problem, dass in einem Übergangsbereich, in
dem der Schaltstrom des Schalters bereits überschritten,
der Sicherungs-Auslösestrom jedoch noch nicht erreicht
ist, eine Stromtrennung nicht oder nicht rechtzeitig durchgeführt
wird. Fließt dieser Übergangsstrom lange genug,
können sowohl die Sicherungen als auch die nachgelagerten
Betriebsmittel Schaden nehmen. Versucht man, den Übergangsstrom über
den Schalter abzuschalten, nimmt der Schalter Schaden.
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Aus
der
DE 197 02 780
C1 und der
EP
1 047 091 B1 sind HH-Sicherungen mit Mitteln zum mechanischen
Durchtrennen des Schmelzleiters der Sicherung bekannt, die einen
Schutz vor einem andauernden Übergangsstrom bietet. Die
darin beschriebenen Sicherungen weisen einen elektrischen und einen thermischen
Wächter auf, wobei der elektrische Wächter auf
Kurzschlussströme reagiert und der thermische Wächter,
eine selektive Lötstelle, bei andauernder Überlast
und der daraus resultierenden erhöhten Wärmeentwicklung
schmilzt. Hat einer der Wächter angesprochen, wird der
Schmelzleiter zur Auslösung der Sicherung mechanisch durchtrennt. Werden
solche sogenannte Ganzbereichssicherungen in einer Kombination aus
Lasttrennschalter und HH-Sicherung eingesetzt, kann der negative
Effekt eines Übergangsstromes zumindest abgemildert werden.
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Demgegenüber
besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein Verfahren
sowie Steuerungsmittel, eine Sicherung und eine Unterbrechungseinrichtung
zur Durchführung des Verfahrens zur Verfügung
zu stellen, die eine verbesserte Absicherung bieten.
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Diese
Aufgabe wird mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruch
1, Steuerungsmitteln mit den Merkmalen des Anspruchs 9, einer hochspannungsgeeigneten
Sicherung mit den Merkmalen des Anspruchs 15 und einer Unterbrechungseinrichtung
mit den Merkmalen des Anspruchs 18 gelöst.
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Unter
Hochspannung wird hier und im Folgenden eine Spannung von mehr als
1 kV verstanden.
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Unter
einer ansteuerbaren Sicherung wird hier und im Folgenden eine solche
verstanden, die durch eine Ansteuerung von außen ausgelöst
werden kann, wenn der durch die Sicherung fließende Strom
kleiner als der Auslösestrom der Sicherung ist.
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Unter
einer mechanisch auslösbaren Sicherung wird hier und im
Folgenden eine Sicherung verstanden, deren Leiter mechanisch aufgetrennt,
insbesondere an mehreren Stellen gleichzeitig durch Krafteinwirkung
von außen zerrissen wird. Dabei ist der Leiter zwar vorzugsweise,
wie bei herkömmlichen Sicherungen ein Schmelzleiter, muss
es aber nicht sein.
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Ein
wesentlicher Kern der Erfindung besteht darin, eine Sicherung mit
Steuerungsmitteln so zu kombinieren, dass sie durch die Steuerungsmittel kontrolliert
ausgelöst wird, wenn ein Fehlerstrom eine kritische Größe
erreicht hat. Im Gegensatz zu den aus dem Stand der Technik bekannten
Schutzgeräten, mit denen zwar auch die Stromstärke überwacht wird,
die aber alleine darauf abzielen, einen Lasttrennschalter davor
zu schützen, dass er bei einer Spannung oberhalb des maximalen
Schaltstroms geschaltet wird, werden die Steuerungsmittel im vorliegenden
Verfahren dazu verwendet, eine Stromunterbrechung insbesondere auch
dann auszulösen, wenn ein Schalter nicht mehr geschaltet
werden kann, oder aber auch und gerade dann, wenn erst gar kein
Schalter vorhanden ist.
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Dabei
können die Steuerungsmittel den Strom und damit den Fehlerstrom überwachen,
wodurch es das Vorliegen einer kritischen Größe
eines Fehlerstroms und damit den Zeitpunkt zum Unterbrechen des
Stroms insbesondere im Bereich von Übergangsströmen
viel genauer bestimmt werden kann, als es bislang möglich
war.
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Vorzugsweise
sind die insbesondere elektrischen bzw. elektronischen Steuerungsmittel
so ausgebildet, dass die zum Auslösen der Sicherung kritischen
Größen des Fehlerstroms frei festlegbar sind. Damit
kann eine Sicherung für eine Vielzahl von unterschiedlichen
Anwendungsfällen eingesetzt werden, ohne dass die Sicherung
selbst an den jeweiligen Anwendungsfall angepasst werden müsste – es bedarf
lediglich einer Einstellung eines Reglers oder einer Programmierung
der Steuerungsmittel.
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Ein
wesentlicher Wert, anhand der die Steuerungsmittel bestimmen, ob
eine kritische Größe zum Auslösen der
Sicherung erreicht ist, ist zweifelsohne die Stromstärke,
beispielsweise wenn es um das Erfassen von Kurzschlussströmen
geht. Es kann aber insbesondere für das Bestimmen der kritischen Größe
eines Fehlerstroms, der kein Kurzschlussstrom ist, sinnvoll sein,
den Verlauf der Stromstärke über der Zeit zu berücksichtigen,
um festzustellen, ob der Fehlerstrom eine kritische Größe
erreicht hat oder nicht.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens ist auch die gezielte Ansteuerung wahlweise eines Schalters
oder einer Sicherung einer Schalter- /Sicherungskombination vorgesehen,
um einen festgestellten Fehlerstrom zu unterbrechen. Ob der Schalter
ausgeschaltet oder die Sicherung ausgelöst wird, hängt
in diesem Fall davon ab, ob der Fehlerstrom einen bestimmten Schwellwert übersteigt
oder nicht. Der Schwellwert ist dabei kleiner gleich dem maximalen
Schaltstrom des Schalters. Liegt die Fehlerstromstärke
oberhalb des Schwellwertes, wird die Sicherung ausgelöst,
anderenfalls wird der Schalter geschaltet.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens wird überwacht, ob bei einem Fehlerzustand mit
einer Fehlerstromstärke unterhalb des Schwellenwerts der Schalter
tatsächlich ausgeschaltet wird. Wird dabei festgestellt,
dass der Schalter nicht ausgeschaltet wurde, der Schalter bzw. die
Ausschaltung also versagt hat, wird die Sicherung gesteuert ausgelöst.
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Dementsprechend
wirken zur Durchführung des Verfahrens geeignete, erfindungsgemäße
Steuerungsmittel in Verbindung mit einer Schalter-/Sicherungskombination
sowohl auf den mindestens einen Schalter als auch auf die mindestens
eine Sicherung und sorgen im Fall eines Fehlerzustands dafür,
dass, wenn der Fehlerstrom schaltbar ist (wenn der Schwellwert nicht überschritten
ist), der bzw. die Schalter ausgeschaltet werden, und dass, wenn
der Fehlerstrom nicht mehr schaltbar ist (wenn der Schwellwert überschritten
ist), die Sicherung ausgelöst wird. Hierfür sind
die erfindungsgemäßen Steuerungsmittel so ausgeführt,
dass sie zum einen die bekannte Funktionalität eines Überstromschutzes durch
Ausschalten eines Schalters, wie bei den vorbekannten Schutzgeräten,
erfüllen, und zum anderen einen Auslöseimpuls
für eine oder mehrere ansteuerbare Sicherungen liefern
können. Hierfür weist sie nicht nur Mittel zum
Bestimmen des durch die Schalter-/Sicherungskombination fließenden
Stroms sowie Mittel zum Überwachen von Fehlerzuständen
bzw. zum Feststellen einer kritischen Größe des
Fehlerstroms auf, sondern auch Mittel, mit denen sie auf den bzw.
die Schalter und auf den bzw. die Sicherung(en) einwirken kann,
um eine sofortige Unterbrechung des Stroms zu bewirken.
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Somit
ist es im Fehlerfall möglich, undefinierte Übergangsströme,
die zwischen dem maximalen Schaltstrom eines Schalters und unter
dem Auslösestrom der Sicherung liegen, sicher auszuschließen, so
dass eine optimale Absicherung im Fehlerfall vorliegt.
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Die
Steuerungsmittel können so eingestellt sein, dass der Strom
sofort unterbrochen wird, sobald ein Fehlerstrom festgestellt wird,
dass die kritische Größe des Fehlerstroms also
bereits erreicht ist, sobald der Strom als Fehlerstrom charakterisiert
werden kann. Dies kann insbesondere bei Unterbrechungseinrichtungen
mit einer Schalter-/Sicherungskombination sinnvoll sein, da bei
einem vergleichsweise niedrigen Fehlerstrom dann der Schalter ausgeschaltet
wird und eine Auslösung und ein dadurch notwendiger Austausch
der Sicherung vermieden wird. Alternativ können die Steuerungsmittel
aber auch so ausgelegt sein, dass der Schalter erst bei Erreichen
einer kritischen Größe des Fehlerstroms, die wahlweise
abhängig von der Stromstärke oder von dem Verlauf
der Stromstärke über die Zeit ist, geschaltet
wird, sofern der Fehlerstrom den Schwellenwert nicht überschritten
hat.
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In
einer Weiterbildung weisen die erfindungsgemäßen
Steuerungsmittel als Mittel zum Auslösen des Schalters
eine Überstromstufe auf, in der die Auslösekriterien
für das gesteuerte Ausschalten des Schalters einstellbar
sind. Ebenso bevorzugt weisen die Steuerungsmittel eine Kurzschlussstufe
auf, in der die Auslösekriterien für das gesteuerte
Auslösen der Sicherung einstellbar sind. Mit derart einstellbaren
Auslösekreisen kann eine Aufteilung der einstellbaren Überstromcharakteristik
(UMZ oder AMZ) einschließlich eines Schwellwertes auf den
Auslösekreis des Schalters und der einstellbaren Kurzschlussstufe auf
den Auslösekreis der Sicherung erfolgen.
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Die
Steuerungsmittel selbst können insbesondere mit mechanischen,
pneumatischen oder elektrischen Mitteln zum unmittelbaren Betätigen
eines Schalters und/oder zum Auslösen einer Sicherung ausgebildet
sein.
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Dadurch,
dass die Steuerungsmittel geeignet sind, sowohl den bzw. die Sicherungen
auszulösen und gegebenenfalls auch den bzw. die Schalter zu
betätigen, ist es in einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung
der Erfindung auch möglich, das Verfahren und die Steuerungsmittel
so auszubilden, dass eine sofortige Trennung des Stroms über
ein Fremdsignal ausgelöst werden kann, beispielsweise für
eine manuelle Notauslösung. Hierfür kann an den Steuerungsmitteln
ein Signaleingang für ein solches Fremdsignal vorgesehen
sein.
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Als
Sicherung kommt insbesondere eine solche in Betracht, die Mittel
zum mechanischen Trennen des Sicherungsleiters sowie einen Anschluss
für externe Steuerungsmittel zum Auslösen der
mechanischen Trennung des Sicherungsleiters aufweist. Soll die Sicherung
mit einem elektrischen Signal auslösbar sein, müssen
Mittel zum Umsetzen des über den Anschluss erhaltenen elektrischen
Steuersignals in eine Kraft, die ausreichend ist, den Sicherungsleiter
mechanisch zu durchtrennen, vorhanden sein. Diese Mittel können
beispielsweise Federkraftspeicher oder pyrotechnischen Sprengkapseln
sein, die beispielsweise in Ganzbereichssicherungen verwendet werden,
um einen Scherstab innerhalb der Sicherung, mit dem der Schmelzleiter
in Eingriff steht, auszulenken.
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Im übrigen
sind die erfindungsgemäßen Sicherungen vorzugsweise
als Hochspannungs-Hochleistungs-Sicherung, insbesondere als Ganzbereichssicherung,
ausgebildet. Die aus dem Stand der Technik bekannte und eingangs
erwähnte Ganzbereichssicherung kann erfindungsgemäß so
abgeändert sein, dass sie keinen thermischen Wächter,
dafür aber einen Anschluss für externe Steuerungsmittel
aufweist.
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Wird
als Unterbrechungseinrichtung eine Schalter-/Sicherungskombination
verwendet, kommen als Schalter vor allem Lasttrennschalter in Betracht.
Der bzw. die Schalter müssen aber nicht zwingend hochspannungsfähig
sein. Handelt es sich zum Beispiel bei einer zu schützenden
Hochspannungsmaschine um einen Transformator, können die
Steuerungsmittel zum Ansteuern des sekundärseitigen Schutzschalters
des Transformators verwendet werden, die dann nur bei erfolgloser
sekundärseitiger Freischaltung ein Auslösen der
Sicherung vor dem Transformator bewirken. In diesem Fall kann auf
den Schalter und/oder eine Steuerung eines Schalters auf der Primärseite
des Transformators verzichtet werden.
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Die
Steuerungsmittel können je nach Ausführungsform
direkt oder auch indirekt über eine zwischengeschaltete
Betätigungseinrichtung mit der bzw. den Sicherung(en) zusammenwirken.
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Bei
einem indirekten Zusammenwirken kann eine zwischengeschaltete Betätigungseinrichtung
mit einem mechanisch anzusteuernden Auslöseelement an der
Sicherung verbunden sein. Mögliche Ausführungsformen
für ein solches Auslöseelement können beispielsweise
ein Druckknopf oder ein Zugseil sein. Die Betätigungseinrichtung
kann beispielsweise mit einem Signalwandler, insbesondere einem
Elektromagneten, ausgestattet sein, der ein Signal der Steuerungsmittel
zum Auslösen der Sicherung in eine Bewegung eines Betätigungsmittels
umsetzt, das auf ein Auslöselement der Sicherung wirkt,
um die Sicherung auszulösen. Wird die Betätigungseinrichtung aus
einem isolierenden Material ausgeführt, kann sie neben
ihrer Bindegliedfunktion für Steuerungsmittel und Sicherung
gleichzeitig die Funktion einer Abschirmung der Steuerungsmittel
gegenüber der Sicherung übernehmen.
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Werden
externe pneumatische oder mechanische Betätigungsmittel,
wahlweise als Bestandteil der Betätigungseinrichtung oder
der Steuerungsmittel selbst, zum Auslösen der Sicherung
verwendet, sollten die von diesen Betätigungsmitteln aufgebrachten
Kräfte ausreichend sein, um den Schmelzleiter der Sicherung
durchtrennen zu können, oder aber einen Kraftspeicher innerhalb
der Sicherung freizugeben, der die notwendigen Kräfte zum
Durchtrennen des Schmelzleiters zur Verfügung stellt. Als pneumatisches
Betätigungsmittel kommt beispielsweise eine Gaskartusche
in Betracht, die direkt mit dem Auslöselement der Sicherung
in Verbindung steht.
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Wird
an den Anschluss der Sicherung ein elektrisches Signal angelegt,
muss die zum Durchtrennen des Schmelzleiters benötigte
Kraft in der Sicherung selbst erzeugt oder zumindest aus einem Kraftspeicher
freigegeben werden. Als Kraftspeicher innerhalb der Sicherung kommen
beispielsweise vorgespannte Federn, Gasgeneratoren oder pyrotechnische
Kraftelemente wie beispielsweise Sprengkapseln in Betracht, um die
Kraft zum Durchtrennen des Schmelzleiters, beispielsweise über
einen mit dem Schmelzleiter einfach oder mehrfach verbundenen Scherstab
wie bei einer aus der
DE
197 02 780 C1 , der
EP
1 047 091 A2 oder auch der
DE 196 07 756 C1 bekannten HH-Sicherung,
aufzubringen.
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Anhand
von Figuren, in denen bevorzugte Ausführungsbeispiele schematisch
teilweise oder ganz gezeigt sind, wird die Erfindung nachfolgend näher
beschrieben. Es zeigen:
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1 eine
erfindungsgemäße Unterbrechungseinrichtung in
schematischer Darstellung;
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2 eine
andere erfindungsgemäße Unterbrechungseinrichtung
in schematischer Darstellung; und
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3 eine
erfindungsgemäße HH-Sicherung in schematischer
Darstellung.
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Die
in 1 dargestellte Unterbrechungseinrichtung mit einer
Schalter-/Sicherungskombination weist Steuerungsmittel 11 mit
zwei Auslösekreisen auf, einen Auslösekreis 1A für
eine Schalterbetätigung und einen Auslösekreis 1B für
eine Sicherungsauslösung. Der Schalterbetätigungskreis 1A steht über
einen ersten Teil der Steuerungsmittel 11 mit einer Schalterauslösung 12 in
Verbindung. Der Auslösekreis 1B ist mit einem
zweiten Teil der Steuerungsmittel 11 indirekt über
eine Betätigungsvorrichtung 16 mit drei HH-Sicherungen 13, 14, 15 gekoppelt.
Jede der HH-Sicherungen 13, 14, 15 sitzt
in jeweils zwei elektrischen Aufnahmekontakten 17.1/17.2, 17.3/17.4 und 17.5/17.6 und
weist jeweils einen extern zugänglichen und schematisch
dargestellten Anschluss 13.4, 14.4 und 15.4 auf,
der bei Betätigung eine gezielte Auslösung der
jeweiligen HH-Sicherung 13, 14 oder 15 zur
Folge hat. Die Betätigung des Anschlusses 13.4, 14.4 und 15.4 erfolgt mechanisch über
die Betätigungsvorrichtung 16. Die Betätigungsvorrichtung 16 steht
in direkter Verbindung mit den Steuerungsmitteln 11 und
wandelt die von den Steuerungsmitteln 11 abgegebenen Sig nale in
eine Bewegung eines Betätigers um, um die Anschlüsse 13.4, 14.4 und 15.4 der
HH-Sicherungen 13, 14, 15 gleichzeitig
zu betätigen. Alternativ können von den Steuerungsmitteln 11 drei
unterschiedliche Signale zum selektiven Auslösen von ein
oder zwei der drei Sicherungen 13, 14, 15 übertragen
werden.
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Die
in 2 dargestellte, mit einer Schalter-/Sicherungskombination
ausgebildete Unterbrechungseinrichtung unterscheidet sich von der
zuvor beschriebenen dadurch, dass die Steuerungsmittel 21 im
Sicherungsauslösekreis 2B direkt mit den HH-Sicherungen 23, 24, 25 verbunden
ist. Die gezielte Auslösung der HH-Sicherungen 23, 24, 25 erfolgt hier
direkt über die Steuerungsmittel 21. In dieser Ausführungsform
weist jede der HH-Sicherungen 23 bis 25 einen
direkt ansteuerbaren Anschluss 23.4, 24.4, 25.4 auf,
der von den Steuerungsmitteln 21 beispielsweise elektrisch
oder pneumatisch angesteuert wird, wobei das von den Steuerungsmitteln 21 kommende
Signal zur Auslösung der jeweiligen HH-Sicherung 23, 24, 25 benutzt
wird.
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Je
nach Ausführungsform können die Steuerungsmittel
so ausgebildet sein, dass selektiv eine, mehrere oder alle HH-Sicherungen
ausgelöst werden. In einer weiteren Variante kann die Schalter-/Sicherungskombination
so ausgebildet sein, dass die Steuerungsmittel nur mit einer ersten
HH-Sicherung gekoppelt sind, und alle weiteren HH-Sicherungen mechanisch
mit der ersten HH-Sicherung so verbunden sind, dass sie, wenn die
erste HH-Sicherung ausgelöst wird, von dieser – beispielsweise über Schlagstifte – ebenso
ausgelöst werden.
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In
einer weiteren Ausführungsform kann auf den bzw. die Schalter
und den Auslösekreis hierfür ganz verzichtet werden.
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In
3 ist
eine für die Erfindung geeignete HH-Sicherung
33,
34 oder
35 mit
einem extern zugänglichen Anschluss
33.4 für
eine Auslösung der Sicherung schematisch dargestellt. Der
Anschluss
33.4 wirkt mit einem Kraftspeicher
33.3 zusammen,
der seine Energie auf einen Scherstab
33.2 überträgt. Der
nicht dargestellte Schmelzleiter der HH-Sicherung steht an mehreren
Stellen mit dem Scherstab in Eingriff. Nach Freigeben des Kraftspeichers
33.3 wird der
Scherstab
33.2 schlagartig längs zur Sicherung
3 bewegt.
Bei dieser Längsbewegung wird der Schmelzleiter an den
Stellen, an denen er mit dem Scherstab
33.2 in Verbindung
steht, auseinandergerissen, also getrennt, wodurch eine gezielte
Sicherungsauslösung stattfindet. Geeignete HH-Sicherungen
sind – jeweils mit den erfindungsgemäßen
Anpassungen – beispielsweise in der Art der in der
DE 196 07 756 C1 ,
der
DE 197 02 780
C1 und der
EP
1 047 091 B1 beschriebenen HH-Sicherungen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 19702780
C1 [0006, 0030, 0039]
- - EP 1047091 B1 [0006, 0039]
- - EP 1047091 A2 [0030]
- - DE 19607756 C1 [0030, 0039]