DE1236052B

DE1236052B - Hochspannungsleistungsschalter mit mehreren in Reihe geschalteten Schaltstellen pro Pol

Info

Publication number: DE1236052B
Application number: DEC22623A
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing Herbert Wutz
Original assignee: Continental Elektronidustrie AG
Current assignee: Continental Elektronidustrie AG
Priority date: 1960-10-26
Filing date: 1960-10-26
Publication date: 1967-03-09
Also published as: FR1304500A; US3227924A; CH408160A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL:

HOIh

Deutsche Kl.: 21c-35/02

Nummer: 1236 052

Aktenzeichen: C 22623 VIII d/21 c

Anmeldetag: 26. Oktober 1960

Auslegetag: 9. März 1967

Die Erfindung bezieht sich auf einen Hochspannungsleistungsschalter mit Mitteln zur Potentialsteuerung und Dämpfung mit Hilfe.von Kondensatoren, Induktivitäten und Widerständen, bei welchem je Pol zwei Leistungsschaltstellen mit unterschiedlicher Löschwirkung in Reihe geschaltet sind, wobei beim Ausschalten des Stromes eine Schaltstelle eine schnelle elektrische Verfestigung aufweist und die andere auf einen hohen Spannungswert verfestigt.

In Hochspannungsstromkreisen kommt es vor, daß beim Ausschalten hoher Kurzschlußströme auch hohe Anstiegssteilheiten der Einschwingspannung auftreten, wie beispielsweise beim sogenannten Abstandskurzschluß. Der Kurzschlußpunkt liegt dabei nicht unmittelbar an den Schalterklemmen hinter dem speisenden Netz, sondern einige Kilometer hinter dem Schalter mit einem dazwischengeschalteten Leitungsstück. Nach der Stromunterbrechung im Schalter schwingt die Spannung des speisenden Netzes mit einer relativ niedrigen Eigenfrequenz auf ihren stationären Wert ein, während sich auf die abgeschaltete Leitung eine Wanderwellenschwingung hoher Grundfrequenz entlädt. Die Spannung des speisenden Netzes und die Wanderwellenschwingungen überlagern sich dabei zur sogenannten Einschwingspannung, die an den Klemmen des Schalters ansteht. Die Einschwingspannung steigt unmittelbar nach der Unterbrechung zwar sehr schnell an (sogenannte Anstiegssteilheit), erreicht aber keinen sehr hohen Scheitelwert. Dieser wächst erst allmählich auf ein unter Umständen Mehrfaches des ersten Scheitelwertes an. Ein derartiges Verhalten der Einschwingspannung stellt ganz besondere Anforderungen an einen Leistungsschalter.

Soll ein Schalter auch den beschriebenen Ausschaltvorgang einwandfrei bewältigen, so muß er unmittelbar nach Erlöschen des Ausschaltlichtbogens im Stromnulldurchgang eine schnelle elektrische Verfestigung der Schaltstrecke aufweisen und darüber hinaus später — wenn die Einschwingspannung auf der Netzseite ihr Maximum erreicht — eine für die hohe Betriebsspannung ausreichende Spannungsfestigkeit besitzen. Die erstgenannte Eigenschaft besitzen beispielsweise Druckgasschalter mit Querbeblasung und Öl- bzw. ölarme Schalter. Für allzu hohe Spannungen lassen sich diese Schalter jedoch wirtschaftlich nicht herstellen. Schalter mit hoher Endspannungsfestigkeit sind dagegen beispielsweise Druckgasschalter mit axialer Beblasung. Diese Schalter verfestigen aber nach Erlöschen des Lichtbogens relativ langsam.

Die unterschiedlichen Löscheigenschaften der ver-

Hochspannungsleistungsschalter mit mehreren in Reihe geschalteten Schaltstellen pro Pol

Anmelder:

Continental Elektroindustrie Aktiengesellschaft Voigt & Haeffner,

Frankfurt/M., Hanauer Landstr. 142-172

Als Erfinder benannt:

Dr.-Ing. Herbert Wutz, Frankfurt/M.

schiedenen Schalterbauarten sind seit langem bekannt. Da eine Schalterart allein immer ein Kompromiß sein muß, hat man daher auch bereits Leistungsschalter verschiedener Bauart in Reihe geschaltet und durch mechanische Steuerungen jeweils eine feste Reihenfolge bei der Betätigung der Schaltstellen eingehalten. So gehört z. B. eine Schalterkombination aus Luft- und ölschalter zum Stand der Technik, bei der zuerst der Luftschalter öffnet. Ob weiterhin auch der ölschalter in Tätigkeit tritt, ist von der Dauer des Lichtbogens abhängig gemacht worden. Dieser Schalter ist aber nicht in der Lage, einen Abstandskurzschluß abzuschalten, da der langsam verfestigende Luftschalter hierbei die Abschaltung übernehmen soll und eine Einschwingspannung mit hoher Anstiegssteilheit nicht verkraften kann. Auch von einer Dämpfung des Einschwingvorganges kann nicht die Rede sein, da der bekannte Schalter keine Schaltwiderstände besitzt.

Ähnliches gilt für eine ebenfalls bekannte Reihenschaltung von Luft- und ölschalter, bei dem zwar der ölschalter stets dem Luftschalter vorauseilt.

Hierbei ist einmal der Luftschalter kein Leistungs-, sondern ein Trennschalter und daher zur Leistungsunterbrechung nicht geeignet, zum andern sind keine Mittel zur Potentialsteuerung und Dämpfung vorhanden, die jede Schaltstelle mit einem definierten Anteil der Einschwingspannung beaufschlagen.

Bei einer anderen bekannten Kombination eines längsbeblasenen Druckluft- und eines ölschalters ist lediglich die Arbeitsweise die, daß der Druckgasschalter die Ausschaltung und der ölschalter die Einschaltung übernimmt. Hier ist wiederum der Fall gegeben, daß der ungeeignete Schalter der ersten Phase der wiederkehrenden Spannung ausgesetzt ist.

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Es kann zusammenfassend festgestellt werden, daß die Reihenschaltung von ungleichartigen Schaltstrecken allein, ohne eine zugehörige Potentialsteuerung vollkommen unwirksam ist, weil die schnell verfestigende Schaltstrecke niemals mit einem definierten Anteil der Einschwingspannung belastet wird, sondern nur mit einem beliebigen. Dieser kann so hoch sein, daß es zwischen den Kontakten zu einer Rückzündung des Lichtbogens kommt.

Bekanntlich handelt es sich bei Wechselstrom weniger darum, den Strom zu unterbrechen, als vielmehr darum, ein Neuzünden des Lichtbogens zu verhindern. Mit anderen Worten: Die Güte eines elektrischen Schalters für Wechselstrom wird bestimmt durch seine Fähigkeit, Rückzündungen zu verhindern, d. h., sich rechtzeitig elektrisch zu verfestigen.

Bekannt sind ferner auch Hochspannungsschalter mit mehreren Unterbrechungsstellen pro Pol, bei denen jedoch gleichartige Schaltstellen verwendet werden. Die Verteilung der Spannung auf die einzelnen Schaltstellen erfolgt dabei durch ebenfalls gleichartige, eventuell bezüglich ihres Wertes abgestufte Impedanzen, die meist entweder nur Kondensatoren oder auch nur Widerstände sind, die kurzzeitig in den Stromkreis eingeschaltet werden. Mit derartigen Reihenschaltungen gleichartiger Schaltstellen hat jedoch die Erfindung nichts zu tun, auch dann nicht, wenn mit einer solchen Anordnung noch ein Trennschalter in Reihe gelegt wird, da dieser nur nach vollendeter Leistungsünterbrechung betätigt werden darf.

Die Bewältigung der wiederkehrenden Spannung bei einer Reihenanordnung unterschiedlicher Leistungsschaltstellen mit Mitteln zur Potentialsteuerung und Dämpfung in Form von Kondensatoren, Induktivitäten und/oder Widerständen erfolgt nun erfindungsgemäß dadurch, daß bei Verwendung von Kondensatoren und Widerständen die Kondensatoren den Schaltstellen mit hoher Spannungsfestigkeit und die Widerstände den Schaltstellen mit schneller elektrischer Verfestigung parallel geschaltet sind und daß bei Verwendung von Induktivitäten und Widerständen den Schaltstellen mit hoher Spannungsfestigkeit die Widerstände und den Schaltstellen mit schneller elektrischer Verfestigung die Induktivitäten parallel geschaltet sind.

In der erstgenannten Schaltkammer weist die elektrische Festigkeit der Schaltstrecke unmittelbar nach Erlöschen des Lichtbogens einen steilen Anstieg auf, ohne dabei aber den vollen Wert der Einschwingspannung zu erreichen. Der Anstieg der elektrischen Festigkeit in der zweiten Schaltkammer erfolgt wesentlich langsamer, erreicht jedoch eine Höhe, die der vollen Einschwingspannung standhalten kann. Jeweils zwei unterschiedliche Schaltkammern in Reihe bilden eine Gruppe, die beliebig vervielfacht werden kann, wenn der Schalter für höchste Spannungen ausgelegt werden soll. Die den Schaltkammern parallelgeschalteten unterschiedlichen Impedanzen bewirken, daß die Einschwingspannung auf die verschiedenartigen Schaltkammern aufgeteilt wird, und zwar in der Weise, daß in jeder Phase nach der Leistungsunterbrechung stets nur diejenige Schaltstelle der wiederkehrenden Spannung ausgesetzt ist, die zum gegebenen Zeitpunkt die höchste Verfestigung aufweist. Nur hierdurch ist es möglich, eine Schaltereinheit bis zur Grenze ihrer Leistungsfähigkeit zu belasten.

Die schnell verfestigenden Kammern können daher wirtschaftlich für relativ kleine Spannungen ausgelegt werden, da die in Reihe liegenden Kammern mit hoher Spannungsfestigkeit die gesamte Spannungsfestigkeit praktisch allein bestimmen. Die Kammern mit hoher Spannungsfestigkeit jedoch können bezüglich ihrer Löschintensität ebenfalls schwächer und damit wirtschaftlicher ausgelegt sein, weil sie von keiner hohen Anstiegssteilheit der Spannung beansprucht werden.

In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele im Prinzip dargestellt.

Bild 1 zeigt eine Reihenschaltung von mehreren Schaltstellen unterschiedlichen Aufbaues. Mit 1 und 3 sind solche Schaltstellen bezeichnet, die bei langsamer Verfestigung nach Erlöschen des Ausschaltlichtbogens eine große Spannungsendfestigkeit aufweisen, während 2 und 4 Schaltstellen schneller elektrischer Verfestigung darstellen. Für die Schaltstellen 1 und 3 können beispielsweise Druckgasschalter mit axialer Beblasung des Ausschaltlichtbogens Verwendung finden. Die Schaltstellen 2 und 4 mit schneller Verfestigung ihrer Schaltstrecke können beispielsweise durch Druckgasschalter mit Querbeblasung oder öl- bzw. ölarme Schalter dargestellt sein.

Als Spannungssteuerungselemente sind den Schaltstellen 1 und 3 die Kondensatoren 5 und den Schaltstellen 2 und 4 die Widerstände 6 parallel zugeordnet.

Dabei ist es zweckmäßig, die Zeitkonstante R · C nach B i 1 d 1 der einzelnen Steuerungselemente so zu bemessen, daß sie weniger als 1 · 10~³ Sekunden beträgt. Die Schaltung nach B i 1 d 2 ist der nach Bild 1 elektrisch gleichwertig; darum sollte auch hier die entsprechende Zeitkonstante LIR kleiner als

. 10~³ Sekunden sein. Ferner ist es denkbar, jeweils eine spannungsschwächere und eine spannungsfestere Schaltstelle mit ihren Steuerungselementen zu einer Baueinheit zusammenzufassen. Unter Umständen kann es vorteilhaft sein, die spannungsschwächeren Schaltstellen eine gewisse Zeit nach Erlöschen des Lichtbogens selbsttätig oder in Abhängigkeit davon wieder zu schließen.

Würde über eine Doppelkammer, die aus den Schaltstellen 1 und 2 bzw. 3 und 4 besteht, nach Erlöschen des Ausschaltlichtbogens eine Einschwingspannung auftreten, die die allgemeine Form

besitzt, so müßte der über die Schaltstelle 1 geführte Spannungsanstieg geringer sein. Es kann gezeigt werden, daß in der Tat der Anstieg der Spannung über die Schaltkammer 1 nach der Formel erfolgt

„„. ₌ s(t - R C [1 - e-<l^RC]) .

In den Formeln bedeutet
u_w = die Einschwingspannung,
S = die Anstiegssteilheit dieser Spannung,
t = die Zeit,

R —■ der Widerstandswert des Steuerwiderstandes 6, C = der Kapazitätswert des Steuerkondensators 5.

Aus diesen Gesetzmäßigkeiten geht hervor, daß im ersten Augenblick nach Erlöschen des Lichtbogens die Spannung über die Schaltkammer 1 langsam ansteigt, wie es wünschenswert ist. Wenn die Zeitdauer

des linearen Spannungsanstiegs bekannt ist, so kann durch eine entsprechende Auswahl des Widerstandes R und des Kondensators C die maximal auftretende Anstiegssteilheit über die Schaltstelle 1 festgelegt werden. Die Spannung, die an der Schaltstelle 2 liegt, ergibt sich zwangläufig aus der Differenz der gesamten angelegten Spannung und der Spannung an der Schaltkammer 1.

Die in B i 1 d 2 dargestellte Schaltung ist elektrisch der Schaltung nach B i 1 d 1 gleichwertig. In ihr sind mit 7 die Steuerwiderstände und mit 8 die Steuerinduktivitäten bezeichnet, wobei den langsam verfestigenden Schaltkammern 1 und 3 die Steuerwiderstände 7 parallel gelegt sind.

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Claims

Patentansprüche:

1. Hochspannungsleistungsschalter mit Mitteln zur Potentialsteuerung und Dämpfung mit Hilfe von Kondensatoren, Induktivitäten und Widerständen, bei welchem je Pol zwei Leistungsschaltstellen mit unterschiedlicher Löschwirkung in Reihe geschaltet sind, wobei beim Ausschalten des Stromes eine Schaltstelle eine schnelle elektrische Verfestigung aufweist und die andere auf einen hohen Spannungswert verfestigt, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung von Kondensatoren und Widerständen die Kondensatoren den Schaltstellen mit hoher Spannungsfestigkeit und die Widerstände den Schaltstellen mit schneller elektrischer Verfestigung parallel geschaltet sind und daß bei Verwendung von Induktivitäten und Widerständen den Schaltstellen mit hoher Spannungsfestigkeit die Widerstände und den Schaltstellen mit schneller elektrischer Verfestigung die Induktivitäten parallel geschaltet sind.

2. Hochspannungsleistungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitkonstante LIR bzw. R-C der einzelnen Steuerungselemente so bemessen ist, daß sie kleiner ist als ΙΟ"³ Sekunden.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 273 895, 391 019,
680, 529 863, 554 317, 606 455;
deutsche Auslegeschrift Nr. 1 018 506;
schweizerische Patentschrift Nr. 262 092.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen