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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Hochspannungsschaltgerät mit Serienschaltung
von mindestens zwei Vakuumschaltkammern gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs
1 sowie auf ein Verfahren zum Betrieb des Hochspannungsschaltgerätes. Die
Erfindung kann beispielsweise bei gasisolierten Schaltanlagen verwendet
werden. Unter dem Begriff "Hochspannung" wird in diesem Zusammenhang
der Spannungsbereich über
1000 V verstanden.
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Bei
Hochspannungsschaltgerätes
wird die Serienanordnung von Vakuumschaltkammern in Spezialfällen unter
Zugrundelegung zweier Grundprinzipien angewendet, und zwar in einer
ungesteuerten Ausführung
gemäß H. Fink,
E. Sonnenschein, SF6-isolierte
52-kV-Mittelspannungs-Schaltanlage mit Vakuumschalter, etz, Bd.
115 (1994) H. 11, S. 622–626
und unter Einsatz von Steuerkondensatoren. Bei der ungesteuerten
Ausführung
steht der Einsatz des Vakuumschaltprinzips in Spannungsebenen über 36 kV
im Vordergrund, realisiert durch eine Reihenanordnung zweier auf
die Bemessungsspannung von 36 kV limitierter Vakuumschaltkammern
(Standardkammern). Aus wirtschaftlichen Gesichtspunkten wird dabei
eine durch Streuphänomene
(Streukapazitäten)
resultierende, unvermeidbare Versteuerung hinsichtlich der Potentialaufteilung in
Kauf genommen. Die Auslegung der Reihenanordnung muß daher
nach der aufgrund der inhomogenen Spannungsverteilung am stärksten beanspruchten
Vakuumschaltkammer erfolgen, während
die andere Vakuumschaltkammer einer geringeren Spannungsbeanspruchung
ausgesetzt ist und damit nicht optimal ausgelastet wird.
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Ein
Beispiel für
eine mit Steuerkondensatoren ausgeführte Reihenanordnung zweier
Vakuumschaltkammern stellt der Einsatz in der Bahnstromversorgung
mit einer Frequenz von 16 2/3 Hz dar. Im Vergleich zu den bei 50
Hz/60 Hz auftretenden Lichtbogenzeiten von 10 ms/8.3 ms beansprucht
man die Kontaktstrecken bei 16 2/3 Hz mit Lichtbogenzeiten von 30
ms. Die zugeordnete vergleichsweise hohe thermische Beanspruchung
und der resultierende stark erhöhte
Abbrand führt
zu einer starken Reduzierung der Spannungsfestigkeit im Ausschaltfall. Diesem
Effekt wirkt man dadurch entgegen, daß man für Bemessungsspannungen von
z. B. 17.5 kV zwei Vakuumschaltkammern in Reihe schaltet und zusätzlich kapazitiv
besteuert.
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Die
bisherige Ausführung
von Reihenanordnungen zweier oder mehrerer Vakuumschaltkammern setzt
grundsätzlich
den Einsatz gleichartiger Schaltkammern voraus, die jeweils simultan
ein- und ausgeschaltet werden.
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Die
Integration der Reihenanordnung zweier Vakuumschaltkammern als Herzstück eines
Hochspannungsschaltgerätes
erfordert speziell beim Einsatz innerhalb einer gasisolierten Schaltanlage
eine kapazitive Steuerung. Hintergrund dieser Maßnahme ist eine Linearisierung
der Spannungsverteilung über den
beiden Vakuumschaltkammern, wobei die Steuerkapazitäten jedoch
das Löschvermögen nachteilig beeinflussen
können,
wie in T. Betz, D. Koenig, Influence of grading capacitors an the
breaking capability of two vacuum circuit-breakers in series, IEEE
18 th Int. Symp. an Discharges and Electrical Insulation in Vacuum,
pp. 679–683,
Eindhoven, The Netherlands, August 17–21, 1998 behandelt ist.
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Aus
der Druckschrift
JP
05067414 A ist auch eine Reihenanordnung von zwei Vakuumschaltkammern
bekannt, wobei die besagten Vakuumschaltkammern unterschiedlich
ausgebildet sind.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Hochspannungsschaltgerät mit Serienschaltung von
mindestens zwei Vakuumschaltkammern der eingangs genannten Art anzugeben,
das hinsichtlich der Spannungsbelastung optimal auslastbar ist.
Dabei sollen die aufgeführten
Maßnahmen
gewährleisten, daß die Reihenanordnung
die je nach Geometrie, Einsatz- und Umgebungsbedingungen unterschiedlich
ausfallenden Einflüsse
auf das Ausschaltverhalten zu kompensieren, ohne von außen mit
Hilfe von Steuerkondensatoren starr steuern zu müssen.
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Des
weiteren soll ein Verfahren zum Betrieb des Hochspannungsschaltgerätes angegeben
werden.
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Diese
Aufgabe wird bezüglich
des Hochspannungsschaltgerätes
in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffes erfindungsgemäß durch
die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.
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Die
Aufgabe wird bezüglich
des Verfahrens zum Betrieb des Hochspannungsschaltgerätes durch die
im Anspruch 4 angegebenen Merkmale gelöst.
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Die
mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin,
daß die
Spannungsverteilung auf der Basis einer natürlichen, ausschließlich durch
die Eigen- und Streukapazitäten
beeinflußten Spannungsverteilung
und ohne zusätzliche
Steuerkapazitäten
erreicht wird. Dadurch entfallen die bei Wieder- und Rückzündungen
einer Vakuumschaltkammer entstehenden und über die Steuerkapazitäten fließenden Ausgleichsströme, deren
Amplituden mit größer werdender
Steuerkapazität
ansteigen, damit zu einer Aufheizung der Kontaktstücke der
Vakuumschaltkammern führen
und schließlich
das Ausschaltvermögen
verringern.
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Als
besonderer Vorteil ergibt sich die Möglichkeit, die Aufgabe zur
Beherrschung von Schaltfällen
(Kurzschlußausschaltvermögen, Einschaltvermögen) unabhängig von
der Aufgabe zur Beherrschung der dielektrischen Anforderungen durch
geeignete Wahl der Vakuumschaltkammern lösen zu können.
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Durch
zusätzliche
Maßnahmen
an der Antriebseinheit kann das Lichtbogenverhalten direkt beeinflußt werden
und ermöglicht
somit die Einführung eines
separaten Frei heitsgrades zur Auslegung sowohl des dielektrischen
Verhaltens als auch des Ausschaltverhaltens bei Lichtbogeneinfluß.
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Die
vorgeschlagenen Maßnahmen
führen durch
Kombination verschiedener Vakuumschaltkammern mit unterschiedlicher
Baugröße (unterschiedliche
Nennspannung, unterschiedlicher Ausschaltstrom) und/oder unterschiedlicher
Kontaktstückgestaltung
(unterschiedlicher Kontaktstückdurchmesser,
unterschiedlicher Kontaktabstand der Kontaktstücke, unterschiedliche Kontaktstückarten) und
allgemein unterschiedlichen Eigenkapazitäten zu unterschiedlichem Lichtbogenverhalten.
Durch gezielte Nutzung dieses Effektes ist die Auslegungsvielfalt
zur Beherrschung der einzelnen Schaltfälle im Vergleich zu bekannten
Anordnungen deutlich steigerungsfähig. Verwendet man beispielsweise
zwei geeignete unterschiedliche Vakuumschaltkammern mit unterschiedlichen
Kontaktstückdurchmessern
in Reihe, so können
die unterschiedlichen Eigenkapazitäten der Vakuumschaltkammern
und das unterschiedliche Lichtbogenverhalten vorteilhaft mit dem Ziel
einer Erhöhung
des Schaltvermögens
kombiniert werden.
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Hintergrund
des Einsatzes von Reihenschaltungen von Vakuumschaltkammern ist
der Wunsch nach Nutzung sowohl der technischen Vorteile des Vakuumleistungsschalters
in Form eines hohen di/dt- und du/dt-Ausschaltvermögens (di/dt
= Stromsteilheit, du/dt = Spannungssteilheit) als auch der wirtschaftlichen
Vorteile wie Wartungsfreiheit, geringe Antriebsenergie und kompakte
Bauweise. Diese Vorteile treten in ausgeprägter Form insbesondere bei Vakuumschaltkammern
mit geringen Kontaktabständen
der Kontaktstücke
auf und können
durch serielle Verknüpfung
zweier oder mehrerer Vakuumschaltkammern und damit Schaltstrecken
dahingehend genutzt werden, daß Vakuumschaltkammern über den 36-kV-Spannungsbereich
hinaus auch bei höheren Nennspannungen
zum Einsatz kommen. Damit ergeben sich mögliche Alternativen zu dem
bisher im Spannungsbereich über
36 kV dominierenden Löschmedium
Schwefelhexafluorid (SF6), die auch unter Umweltgesichtspunkten
von Interesse sind.
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Weitere
Vorteile sind aus der nachstehenden Beschreibung ersichtlich.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
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Die
Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiele erläutert. Es
zeigen:
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1 ein
Prinzipschaltbild der Serienschaltung von Vakuumschaltkammern für Hochspannungsschaltgeräte,
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2 ein
vereinfachtes Ersatzschaltbild zur Potentialaufteilung,
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3 ein
Spannungs/Zeit-Diagramm zur Erläuterung
des Phänomens
einer Spannungsübernahme
durch eine Vakuumschaltkammer bei einer Wiederzündung der weiteren Vakuumschaltkammer.
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Ein
Hochspannungsschaltgerät
hat zwei Hauptaufgaben zu bewältigen.
Einerseits muß es den
dielektrischen Beanspruchungen bei geöffneten Kontaktstücken standhalten,
andererseits die thermischen und mechanischen Auswirkungen bei der
Ausschaltung eines Kurzschlußlichtbogens
beherrschen und nach erfolgreicher Löschung dieses Kurzschlußstromes
der wiederkehrenden Spannung in Form eines transienten Einschwingvorganges
widerstehen. Der zugehörige
Zeitraum erstreckt sich über
einige 100 Mikrosekunden und wird im Falle der Reihenanordnung nachweislich
durch die Wahl der kapazitiven Beschaltung und die Plasmavorgänge im Inneren
der Schaltkammer geprägt.
Eine gezielte Einflußnahme auf
die nach Beendigung des Lichtbogenzeitraumes folgenden transienten
Vorgänge
soll durch unterschiedliche Ausgestaltung der Vakuumschaltkammern
und der Kontaktstücke,
durch Maßnahmen
am Antrieb und durch Nutzung unterschiedlicher Lichtbogencharakteristiken
erfolgen.
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Hierbei
soll die Fähigkeit
einer Reihenschaltung besonders ausgenutzt werden, daß im Falle
der Wiederzündung
einer Schaltkammer die nicht betroffene Schaltkammer die gesamte
Spannungsbeanspruchung übernehmen
kann. Dies wird im folgenden als Übernahmevorgang bezeichnet
und stellt einen besonderen Vorteil für das kapazitive Schalten zur
Beherrschung von Rückzündungen
dar.
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In 1 ist
ein Prinzipschaltbild der Serienschaltung von Vakuumschaltkammern
für Hochspannungsschaltgeräte am Beispiel
eines Schalterpols dargestellt. Eine erste Vakuumschaltkammer 1 und eine
zweite Vakuumschaltkammer 2 liegen in Reihe zwischen einem
hochspannungsseitigen Anschluß 3 und
einem erdseitigen Anschluß 4.
Zwischen dem gemeinsamen Verbindungspunkt 5 beider Vakuumschaltkammern 1, 2 und
dem erdseitigen Anschluß 4 tritt
eine zu berücksichtigende
Streukapazität
Cst auf.
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In 2 ist
ein vereinfachtes Ersatzschaltbild zur Potentialaufteilung dargestellt.
Wie zu erkennen ist, liegt die Eigenkapazität CE1 der ersten Vakuumschaltkammer 1 in
Reihe zur aus der Eigenkapazität
CE2 der zweiten Vakuumschaltkammer 2 und der Streukapazität Cst gebildeten
Parallelschaltung. Sowohl in 1 als auch
in 2 sind die Teileinschwingspannung U1 an der ersten
Vakuumschaltkammer 1, die Teileinschwingspannung U2 an
der zweiten Vakuumschaltkammer 2 und die Gesamteinschwingspannung
U3 = U1 + U2 angegeben.
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Die
Erfindung basiert auf dem Prinzip einer Reihenanordnung zweier oder
mehrerer unterschiedlicher Vakuumschaltkammern 1, 2 als
Herzstück
eines Hochspannungsschaltgerätes.
Durch den Einsatz unterschiedlicher Vakuumschaltkammertypen innerhalb
eines Schalterpoles können
sowohl die Eigenkapazitäten
als auch das Lichtbogenverhalten der beiden unterschiedlichen Vakuumschaltkammern hinsichtlich
der Spannungsbeanspruchung und des Löschvermögens der Serienanordnung in
vorteilhafter Weise kombiniert werden.
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Ein
spezielles Merkmal der Erfindung ist die Ausgestaltung der am hochspannungsseitigen
Anschluß 3 liegenden
ersten Vakuumschaltkammer 1 mit einem größeren Kontaktstückdurchmesser
und damit einer erhöhten
Eigenkapazität
CE1. Die mit dem erdseitigen Anschluß 4 verbundene zweite
Vakuumschaltkammer 2 weist demgegenüber einen vergleichsweise geringeren
Kontaktstückdurchmesser
mit dementsprechend vergleichsweise geringerer Eigenkapazität CE2 auf,
wird jedoch im eingebauten Zustand ergänzt durch die gegen Erdpotential
wirksame Streukapazität
Cst. Bei geeigneter Wahl der Vakuumschaltkammertypen kann daher
dieser Einfluß der
Streukapazitäten
minimiert bzw. vollständig eliminiert
werden. Die Bedingung hierzu ist: CE1 ≅ CE2 + Cst.
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Die
Kompensation der wirksamen Streukapazitäten durch geeignete Wahl der
Eigenkapazitäten
der Vakuumschaltkammern bewirkt eine Linearisierung der Potentialaufteilung
eines ungesteuerten Schalterpoles, was insbesondere beim Einsatz
des Hochspannungsschaltgerätes
in einer gasisolierten Schaltanlage von großem Vorteil ist, da in diesem Einsatzfall
höhere
Streukapazitäten
wirksam werden.
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Ein
weiterer Vorteil der Reihenanordnung von mindestens zwei Vakuumschaltkammern 1, 2 liegt
darin, daß eine
Rückzündung einer
Vakuumschaltkammer nicht zwangsläufig
zur Rückzündung des
gesamten Schalterpoles führt.
Dies ist auf die zum Rückzündungszeitpunkt
weit fortgeschrittene Spannungsfestigkeit der nicht betroffenen
Schaltkammer zurückzuführen. Speziell
im Fall des kapazitiven Schaltens ergibt sich auf Grund der geeigneten Auswahl
der in Reihe geschalteten, unterschiedlichen Vakuumschaltkammern
die optimierte Fähigkeit der
Spannungsübernahme.
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Ein
unterschiedliches Lichtbogenverhalten kann durch zeitlich versetzte Öffnung der
Kontaktstücke
von mindestens zwei Vakuumschaltkammern erzwungen werden. Bei einer
aus zwei Vakuumschaltkammern bestehenden Reihenschaltung können sowohl
die Kontaktstücke
der oberen Vakuumschaltkammer 1 als auch die der unteren
Vakuumschaltkammer 2 zeitlich verzögert geöffnet werden. Bei zeitlich
versetzter Ein- und Ausschaltung der Vakuumschaltkammern 1, 2 ergibt
sich in gewünschter Weise
eine gezielte Verteilung der Schaltbeanspruchung auf beide Vakuumschaltkammern,
ausgedrückt
durch den sich durch diese Maßnahme
an der jeweiligen Vakuumschaltkammer einstellenden Anteil der nach
einer Schalthandlung wiederkehrenden Spannung. Weiterhin kann bei
zeitlich versetzter Ein- und Ausschaltung der Vakuumschaltkammern 1, 2 die
Spannungsverteilung bei reinen dielektrischen Spannungsbeanspruchungen
in gewünschter
günstiger
Weise beeinflußt
werden.
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Mehrfache
Wiederzündungen,
die vorwiegend bei geringen Kontaktabständen an der oberen Vakuumschaltkammer 1 auftreten,
weisen einen konditionierenden Effekt auf das Löschverhalten der unteren Vakuumschaltkammer 2 auf
und führen
zu einer Erhöhung
der Spannungsfestigkeit im Vergleich zu einer Anordnung mit lediglich
einer Vakuumschaltkammer.
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Als
besondere Eigenschaft einer Reihenanordnung von mindestens zwei
Vakuumschaltkammern ergibt sich speziell für das kapazitive Schalten der
Vorteil, daß Wieder- und Rückzündungen
einer Vakuumschaltkammer von der anderen Vakuumschaltkammer (oder
mehreren anderen Vakuumschaltkammern) beherrscht werden. Hierbei
steht nicht so sehr die Ertüchtigung
des Vakuumschaltprinzips zur Erzielung höherer Bemessungsspannungen im
Vordergrund, sondern die Nutzung der technischen Vorteile einer
Reihenanordnung von mindestens zwei Vakuumschaltkammern für einen
speziellen Schaltfall, der, bezogen auf die im 36-kV-Spannungsbereich üblicherweise
geforderte Bemessungsspannung, bereits von einer einzigen Vakuumschaltkammer
beherrscht werden könnte.
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In 3 ist
hierzu ein Spannungs/Zeit-Diagramm zur Erläuterung des Phänomens einer
Spannungsübernahme
durch eine Vakuumschaltkammer bei einer Wiederzündung der weiteren Vakuumschaltkammer
dargestellt. Es ist der Verlauf der Einschwingspannungen U in Abhängigkeit
der Zeit t zu erkennen. Zum Zeitpunkt 0 setzt die nach erfolgreicher
Lichtbogenlöschung
wiederkehrende Netzspannung in Form einer transienten Einschwingspannung U3
ein. Über
der Reihenanordnung teilt sich die gepunktet dargestellte Gesamteinschwingspannung
U3 so auf, daß eine
strichpunktiert dargestellte Teileinschwingspannung U1 und eine
Teileinschwingspannung U2 (durchgezogene Linie) entsteht. Zum Zeitpunkt
t1 tritt eine Wiederzündung
bei der ersten (oberen) Vakuumschaltkammer 1 auf. Die zweite
(untere) Vakuumschaltkammer 2 übernimmt zu diesem Zeitpunkt
t1 die gesamte Spannungsbeanspruchung, d. h. die zu diesem Zeitpunkt
wirksame Gesamteinschwingspannung U3. Anschließend verfestigt sich die obere
Vakuumschaltkammer 1 und kann wieder einen geringen Anteil
der Gesamtspannung U3 übernehmen.
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Das
Ausschaltverhalten der Reihenschaltung kann unter Berücksichtigung
der Potentialaufteilung auf das singuläre Verhalten der einzelnen
Vakuumschaltkammern zurückgeführt werden.
Die Potentialaufteilung wird in den ersten Mikrosekunden der Einschwingspannung
infolge von Effekten des Nachstromlichtbogens durch ohmsche (Plasma-)Widerstände bestimmt,
die den Vorgang der Wiederverfestigung innerhalb der Schaltstrecke
beschreiben. Nach einigen Mikrosekunden ist dieser Plasmawiderstand
bereits so stark angewachsen, daß die Eigen- und Streukapazitäten die
Spannungsaufteilung über beide
Schaltstrecken bestimmen. Die Spannungsaufteilung wird durch die
Streukapazität
Cst der (unteren) Vakuumschaltkammer 2 gegen Erde maßgeblich
beeinflußt,
d. h. die Streukapazität
Cst wirkt im Sinne einer Vorsteuerung (jedoch ohne deren vorstehend
erläuterten
Nachteile).