Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum synthetischen Prüfen
eines vielkontaktigen Leistungsschalters gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruches 1 sowie eine
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach dem
Oberbegriff des Anspruches 5.
In den letzten Jahren sind die Spannungen und Kapazitä
ten von Leistungsübertragungsanlagen immer größer und
größer geworden, bis zu dem Punkt, daß Übertragungslei
tungen 1100 KV angestrebt werden. Um damit Schritt zu
halten, wird auch die Unterbrechungs- oder Schaltkapazi
tät von Leistungsschaltern immer größer. Als Folge da
von wird es immer schwieriger, die Funktionsfähigkeit
der Unterbrechung aller Unterbrechereinheiten zu über
prüfen, und zwar infolge der ungenügenden Kapazität der
Testgeräte. Aus diesem Grund ist man dazu übergegangen,
ein Testverfahren anzuwenden, bei welchem nur eine ein
zige Unterbrechereinheit bezüglich der Funktionsfähig
keit der Unterbrechung überprüft wird, wobei die beim
Test verwendete Spannung mit einem konstanten Faktor
multipliziert wird, der vom Spannungsanteil und von
der Zahl der Unterbrechereinheiten abhängt und wobei
das Ergebnis als äquivalent zu dem Ergebnis der Über
prüfung aller Unterbrechereinheiten angesehen wird.
Dieses Einzel-Testverfahren ist dann brauchbar, wenn
ein Leistungsschalter mit Porzellanverkleidung verwen
det wird, der nicht das Problem der Erzeugung erhitzter
Gase infolge eines Überschlagbogens in der Unterbrecher
einheit aufweist, welche Gase die Isolierung zwischen
der Unterbrechereinheit und dem an Erdpotential liegen
den Bauelement beeinträchtigen. Bei einem mehrkontaktigen
Leistungsschalter dagegen, bei welchem die Unterbrecher
einheit in einem Metallbehälter untergebracht und von die
sem isoliert gelagert ist, wird erhitztes Gas, welches durch
den Bogen hindurchgegangen ist und dabei seine Isolierfestig
keit teilweise verloren hat, in den Zwischenraum zwischen
Metallbehälter und dem einen Ende der Reihenschaltung der Unter
brechereinheiten hineingeblasen. Wird nun zur Überprüfung der
Funktionsfähigkeit nur einer einzigen Unterbrechereinheit gemäß
dem Einzel-Testverfahren eine wiederkehrende Stoßspannung an
gelegt, so kann damit zwar die Funktionsfähigkeit der Unter
brechereinheit in ausreichender Weise überprüft werden, nicht
jedoch die Isolierung zwischen dem Behälter und dem einen Ende
der Reihenschaltung unmittelbar nach Eintritt der Unterbrechung.
Fig. 1 zeigt eine Anordnung für die Durchführung einer anderen
üblichen Methode wie sie in der DE 25 58 838 B2 und der DE
26 38 678 B1 offenbart ist. Fig. 2 zeigt die Spannungen und den
Strom, wie sie an verschiedenen Teilen der Anordnung von Fig. 1
auftreten. Ein mehrkontaktiger Leistungsschalter 1, dessen
Funktionsfähigkeit der Unterbrechung geprüft werden soll, weist
beispielsweise vier in Reihe geschaltete Unterbrechereinheiten
11-14 auf. Die Reihenschaltung S der Unterbrechereinheiten
11-14 ist durch Porzellanisolatoren 2 gegenüber einem Behälter
3 isoliert. Der Behälter 3 selbst ist durch isolierende Stütz
körper 4 gegenüber Erde isoliert. Ein Ende Sg der Reihenschal
tung S liegt über eine Leitung 5 an Erde. Das andere Ende Sn
ist über eine andere Leitung 6 mit einer großen Stromquelle 17
verbunden, die einen Kurzschlußgenerator 7 beinhaltet, der
einen großen Kurzschlußstrom i₁ der Reihenschaltung S über
einen Hilfs-Leistungsschalter 8 zuführt, der durch einen Unter
brecher-Steuerkreis BC gesteuert wird. Von allen Unterbrecher
einheiten ist nur die Einheit 14 am nicht-geerdeten Ende Sn
geöffnet (alternativ kann auch eine Folge von Unterbrecherein
heiten geöffnet sein), und zwar zu einem Zeitpunkt, der in Ab
hängigkeit zur Phase des Stroms i₁ steht, um so in der Unter
brechereinheit 14 einen Überschlagbogen zu erzeugen. Zum Zeit
punkt t₁, wenn der augenblickliche Wert des
Stroms i₁ zu Null wird, legt eine erste Hochspannungs
quelle 9, die von einem Spannungsquellen-Steuerkreis
Vc gesteuert wird, eine wiederkehrende Stoßspannung v₁
zum Prüfen der Unterbrechereinheit über die Zuleitung
6 und das Erdpotential. Im wesentlichen gleichzeitig
damit legt eine zweite Hochspannungsquelle 10, die eben
falls von dem Steuerkreis Vc gesteuert wird, eine Span
nung v₂ über den Behälter 3 und das Erdpotential, und zwar
mit einer Polarität umgekehrt derjenigen von v₁. Die Größe
von v₂ stellt eine Differenz zwischen der gesamten Nach
zündspannung v o , die an alle Unterbrechereinheiten 11-14
gelegt wird, und der von der ersten Hochspannungsquelle
gelieferten wiederkehrenden Stoßspannung v₁ dar.
Bei diesem Verfahren wird die gesamte wiederkehrende Stoß
spannung v₀ = |v₁| + |v₂| über den Raum 15 zwischen erd
seitigem Ende der Reihenschaltung S und Behälter 3 gelegt,
so daß die Isolierung des Spalts 15 und die Funktions
fähigkeit der Unterbrechereinheit 14 gleichzeitig über
prüft werden.
Wenn jedoch die Isolierfähigkeit des Spaltraums 15 zusam
menbricht, liegt die von der zweiten Hochspannungsquelle
10 gelieferte Hochspannung v₂ an der ersten Hochspannungs
quelle 9, was die Gefahr mit sich bringt, daß in dieser
befindliche Bauelemente zerstört werden. Diese Gefahr
ist größer, wenn eine geringere Anzahl der Unterbrecher
einheiten geöffnet werden, wenn also v₂/v₁ größer ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines
Verfahrens zum synthetischen Prüfen
eines vielkontaktigen Leistungsschalters, wobei in der
Hochspannungsquelle enthaltene Bauteile auch dann vor
Beschädigungen geschützt sein sollen, wenn zwischen einem
Ende der Reihenschaltung der Unterbrechereinheiten und
dem Behälter ein Zusammenbruch der Isolierung auftritt.
Weiterhin ist Aufgabe der Erfindung die Schaffung einer
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens,
die wirtschaftlich herzustellen ist.
Die verfahrensmäßige Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den
kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruches 1, die vorrich
tungsmäßige Lösung aus den kennzeichnenden Merkmalen des Patent
anspruches 5. Die Patentansprüche 2 bis 4 beinhalten zweckmäßige
Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens, die Patentan
sprüche 6 bis 11 zweckmäßige Ausgestaltungen der erfindungsge
mäßen Vorrichtung.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher er
läutert. Auf der Zeichnung zeigt
Fig. 1 eine Skizze einer Anordnung, wie sie bei einem
vorbekannten Prüfverfahren verwendet wird,
Fig. 2 ein Diagramm zum Darstellen der Spannungen und
der Ströme, wie sie an verschiedenen Stellen der
Anordnung von Fig. 1 auftreten,
Fig. 3 eine Skizze einer Anordnung nach der Erfindung,
Fig. 4 ein Diagramm zur Erläuterung der Spannungen und
der Ströme, wie sie an verschiedenen Stellen
in der Anordnung von Fig. 3 vorkommen,
Fig. 5 eine Skizze einer Anordnung nach einer anderen
Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 6 ein Diagramm zur Erläuterung der Spannungen und
der Ströme, wie sie an verschiedenen Stellen in
der Anordnung von Fig. 5 vorkommen,
Fig. 7 ein Skizze einer Anordnung gemäß einer dritten
Ausführungsform der Erfindung und
Fig. 8 ein Diagramm zur Erläuterung der Spannungen und
Ströme, wie sie an verschiedenen Stellen in der
Anordnung von Fig. 7 vorkommen.
Fig. 3 zeigt eine Vorrichtung gemäß einer ersten Ausfüh
rungsform der Erfindung. Dabei bezeichnen die den Bezugs
zeichen von Fig. 1 gleichen Bezugszeichen gleiche oder
ähnliche Teile. Dabei zeigt der Vergleich, daß die Anord
nung im wesentlichen gleich ist derjenigen von Fig. 1.
Ein Unterschied besteht jedoch darin, daß der Leistungs
schalter 1 so geschaltet ist, daß dann, wenn die Spannung
v₁ von der Hochspannungsquelle 9 zugeführt wird, im we
sentlichen die Gesamtheit von v₁ über die Unterbrecher
einheit 11 am erdpotentialseitigen Ende Sg der Reihen
schaltung S gelegt wird, bzw. über eine Folge von Unter
brechereinheiten einschließlich der Einheit 11. Beispiels
weise ist nur die Einheit 11 geöffnet, wohingegen die Ein
heiten 12, 13 und 14 geschlossen gehalten werden, wie dies
in Fig. 3 gezeigt ist. Außerdem liefert die zweite Span
nungsquelle 10 eine Spannung v₂, welche die gleiche Polari
tät wie v₁ aufweist und im wesentlichen die gleiche Größe
hat wie eine wiederkehrende Gesamt-Stoßspannung, die über
alle Unterbrechereinheiten 11-14 gelegt wird.
Der Steuerkreis BC schließt den Hilfs-Leistungsschalter 8,
womit der Kurzschlußstrom i₁ durch die Reihenschaltung S
fließt und öffnet den Hilfs-Leistungsschalter 8, um die
Stromzuführung nach Betrieb des zu prüfenden Leistungs
schalters zu beenden. Der Steuerkreis VC bewirkt, daß die
Spannungsquellen 9 und 10 nach vollständiger Beendigung
der Stromunterbrechung durch die Reihenschaltung die Span
nungen zuführen.
Die beschriebene Anordnung ermöglicht eine gleichzeitige
Prüfung der Durchschlagfestigkeit der Unterbrechereinheit
11 und des Spalts 16 zwischen Behälter 3 und dem nicht-
geerdeten Ende Sn der Reihenschaltung S. Als Folge davon
wird das nicht-geerdete Ende Sn der Reihenschaltung S im
wesentlichen auf demselben Potential gehalten wie einer
der Kontakte der Unterbrechereinheit 11, der mit der
Unterbrechereinheit 12 verbunden ist.
Das Potential der leitenden Teile vom nicht-geerdeten
Ende Sn durch die Unterbrechereinheit 12 beträgt somit
v₁. Damit beträgt die Spannung zwischen dem Behälter 3
und diesen leitenden Teilen v₃ (Fig. 4) , wobei v₃ die
Differenz zwischen v₁ und v₂ ist. Bei dem dargestellten
Ausführungsbeispiel sind vier Unterbrechereinheiten vor
handen, und v₁ beträgt etwa ein Viertel von v₂. Die Span
nung zwischen dem Behälter 3 und dem nicht-geerdeten Ende
Sn beträgt deshalb etwa ¾ von v₂. Außerdem tritt ein
Überschlagbogen nur an der Unterbrechereinheit 11 und
nicht an den Einheiten 12, 13 und 14 auf, weil sie ge
schlossen gehalten werden. Wenn somit ein Zusammenbruch
der Isolation zwischen Behälter und den Unterbrecherein
heiten auftritt, so erfolgt er zwischen dem Behälter und
dem geerdeten Ende Sg. Somit wird die Spannung der zwei
ten Spannungsquelle 10 weder der ersten Spannungsquelle
9 noch der Stromquelle 7 zugeführt, so daß darin ent
haltene Bauteile nicht der Hochspannung der zweiten Span
nungsquelle 10 ausgesetzt werden, diese Bauteile also sicher
vor Beschädigungen geschützt werden.
Gemäß der obigen Beschreibung werden die Unterbrecherein
heiten 12, 13 und 14 geschlossen gehalten, die Unterbre
chereinheit 11 dagegen wird geöffnet. Es ist aber auch
möglich, die Unterbrechereinheiten 12-14 durch einen
nicht gezeichneten Kurzschlußleiter zu überbrücken.
Fig. 5 zeigt eine zweite Ausführungsform der Erfindung,
bei welcher der Kurzschlußgenerator 7 mit anderen Strom
kreiselementen verbunden ist, einschließlich eines
Zusatz-Leistungsschalters 18, eines Einschalters 19,
eines Widerstandes 20 für die Stromregelung und eines
Transformators 21, wobei alle diese Elemente zusammen
mit dem Kurzschlußgenerator 7 und dem Hilfs-Leistungs
schalter 8 eine große Stromquelle 17 bilden, die den
notwendigen Kurzschlußstrom i₁ über den Hilfs-Leistungs
schalter 8 der Reihenverbindung S des zu prüfenden Lei
stungsschalters 1 zuführt.
Eine erste Hochspannungsquelle 9 nach diesem Ausführungs
beispiel weist eine Reihenschaltung aus einem Kondensator
22, einem Spalt 23 und einer Spule 24 auf, die zwischen
der Zuführung 6 und Erdpotential liegt. Der Kondensator
22 wird vorab von einem Ladekreis CH 1 im Steuerkreis
VC aufgeladen, und zwar mit der ersichtlichen Polarität.
Der Spalt 23 wird durch einen Trigger-Steuerkreis TR 1
im Kontrollkreis VC gezündet, und zwar zu einem Zeitpunkt
t₂ der geringfügig vor dem Zeitpunkt t₃ liegt, an wel
chem i₁ zu Null wird, so daß der Kondensator 22 entladen
wird. Der einen Stromstoß darstellende Entladungsstrom
i₂ ist im wesentlichen durch die Kapazität des Kondensa
tors 22 vorgegeben und die Induktivität der Spule 24.
Der Strom i₂ wird teilweise dem Strom i₁ aufgeprägt und
wird zum Zeitpunkt t₄ zu Null, also kurz nach dem Zeit
punkt t₃.
Der Hilfs-Leistungsschalter 8 wird im wesentlichen gleich
zeitig mit dem Leistungsschalter 1 geöffnet und beendet
die Unterbrechung des Stroms zum Zeitpunkt t₃, um so
die große Stromquelle 17 von der ersten Hochspannungs
quelle 9 zu trennen. Nach dem Zeitpunkt t₃ kann nur der
Strom i₂ durch die Reihenschaltung S des Leistungsschal
ters 1 fließen, und zum Zeitpunkt t₄, wenn also i₂ zu
Null wird, ist dann die Unterbrechung des Stroms beendet.
Zum Zeitpunkt t₄ ist der Kondensator 22 mit einer zur ur
sprünglichen Polarität umgekehrten Polarität geladen und
bewirkt dann, daß ein gedämpfter oszillierender Strom
durch die Spule 24, einen Widerstand 25 und einen Konden
sator 26 fließt. Während dieser gedämpften Schwingung
wird die über dem Widerstand 25 und dem Kondensator 26
liegende Spannung zwischen die Zuführung 6 und das Erd
potential gelegt, und zwar als wiederkehrende Stoßspan
nung v₁, womit die Durchbruchsfestigkeit der Unterbrecher
einheit 11 geprüft wird.
Eine zweite Hochspannungsquelle 10 nach diesem Ausfüh
rungsbeispiel enthält eine Reihenschaltung aus einem Kon
densator 27, einem Spalt 28 und einer Spule 29, wobei
diese Reihenschaltung zwischen dem Behälter und dem Erd
potential liegt. Der Kondensator 27 wird vorab durch
einen Ladekreis CH 2 des Steuerkreises VC aufgeladen, und
zwar mit der dargestellten Polarität.
Wenn die erste und die zweite Hochspannungsquelle dadurch
gebildet werden, daß in der gleichen Weise die gleichen
Stromkreiskomponenten miteinander verbunden werden, dann
ist es einfach, Spannungen v₁ und v₂ gleicher Wellenform
(nicht gleicher Größe) zu erhalten. Das bedeutet, daß der
Spule 29 der zweiten Hochspannungsquelle 10 eine größere
Induktivität gegeben wird als der Spule 24 der ersten
Hochspannungsquelle und daß dem Kondensator der zweiten
Hochspannungsquelle 10 eine größere Kapazität gegeben
wird als dem Kondensator 22 der ersten Hochspannungs
quelle 9.
Es ist nicht erforderlich, daß der Kondensator 27 der
zweiten Hochspannungsquelle 10 einen vergleichsweise
großen Strom liefert, also einen so großen Strom etwa
wie er von der ersten Hochspannungsquelle 9 der Reihen
schaltung S der Unterbrechereinheiten zugeführt wird.
Demgemäß kann der Kondensator 27 eine geringe Kapazität
aufweisen, so daß die Kosten zur Herstellung der den
Kondensator 27 darstellenden Kondensatorbatterie ver
gleichsweise gering sind.
Bei der Beschreibung der Ausführungsform nach Fig. 5 ist
erläutert worden, daß der Kondensator 22 zunächst in der
gezeichneten Polarität aufgeladen und dann entladen wird,
um der Reihenschaltung S der Unterbrechereinheiten einen
Strom i₂ zuzuführen. Alternativ kann die Anordnung aber
auch so vorgenommen werden, daß der Kondensator 22 durch
den Ladekreis CH 1 in einer Polarität entgegengesetzt der
gezeichneten Polarität aufgeladen und daß der Spalt 23
zum Entladen des Kondensators 22 zum Zeitpunkt t₃, wenn
also i₁ zu Null wird, gezündet wird. Demgemäß liefert
die erste Hochspannungsquelle 9 keinen Stromstoß, und
die sich ergebenden Quellenformen sind ähnlich denjeni
gen von Fig. 4. Um dabei eine Verzögerung in der Zufüh
rung einer wiederkehrenden Stoßspannung infolge einer
möglichen Verzögerung beim Zünden des Spalts 23 zu ver
hindern, kann der Hilfs-Leistungsschalter 8 durch ein
Widerstandselement überbrückt werden das nicht gezeichnet
ist, um so das Anlegen einer Spannung durch die große
Stromquelle 17 zu ermöglichen. Bei einer solchen Anord
nung kann der Kondensator 22 auch eine kleine Kapazität
besitzen, so daß er aus einer Kondensatorbatterie gerin
ger Herstellungskosten hergestellt werden kann.
Fig. 7 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung.
Dabei sind Ausbildung und Betriebsweise der großen Strom
quelle 17 und der ersten Hochspannungsquelle 9 im wesent
lichen gleich der Stromquelle 17 und der Spannungsquelle
9 des Ausführungsbeispiels von Fig. 5.
Die zweite Hochspannungsquelle 10 weist jedoch bei diesem
Ausführungsbeispiel einen Transformator 32 auf, dessen
Primärwicklung parallel zur Primärwicklung des Transfor
mators 21 geschaltet ist. Die Sekundärwicklung des Trans
formators 32 ist, und zwar anstelle des Kondensators 27
und des Trigger-Spalts 28 von Fig. 5, in Reihe zu der
Spule 29 gelegt.
Wenn alle Unterbrechereinheiten 11-14 geschlossen sind,
ist die Spannung über die Primärwicklung des Transforma
tors 21 niedrig, so daß im wesentlichen keine Spannung
an der Sekundärwicklung des Transformators 32 liegt.
Wenn der Strom i₁ durch die Betätigung des Leistungsschal
ters 1 unterbrochen wird, ergibt sich an der Sekundärwick
lung des Transformators 32 eine hohe Spannung, und es fließt
ein Strom durch die Spule 29, die Spule 30 und den Konden
sator 31. Die Spannung über die Spule 30 und den Kondensa
tor 31 wird zwischen den Behälter 3 und das Erdpotential
gelegt, und zwar als wiederkehrende Stoßspannung v₂. Wenn
die zweite Hochspannungsquelle 10 von Fig. 7 verwendet
wird, ist für den Spalt 28 kein Triggerkreis erforderlich.
Weil die Belastung des Kurzschlußgenerators 7 den Wider
stand des Bogens des Leistungsschalters 1 und die Spule
20 beinhaltet, wird die wiederkehrende Stoßspannung v₂ der
zweiten Hochspannungsquelle 10 von Fig. 7 nicht unmittel
bar nach dem Zeitpunkt, in welchem i₁ zu Null wird, an
steigen. Diese Verzögerung ist dann nachteilig, wenn es
erforderlich ist, daß eine wiederkehrende Stoßspannung
unmittelbar nach dem Nullwerden des Stroms i₁ angelegt
werden muß. Wenn jedoch die erste Hochspannungsquelle 9
einen Stromstoß i₂ erzeugt, der kurz nach dem Nullwerden
von i₁ ebenfalls Null wird und die Aufprägung der wieder
kehrenden Stoßspannung verzögert wird, bis i₂ zu Null
wird, wie dies anhand der Fig. 6 beschrieben worden ist,
dann wird der Zeitpunkt, wenn v₂ ansteigt, mit dem Zeit
punkt zusammenfallen, an dem i₂ zu Null wird (und wenn
v₁ ansteigt), wie dies in Fig. 8 gezeigt ist. Es werden
somit genügend äquivalente Effekte erhalten. Außerdem
kann der Zeitpunkt, an welchem v₁ ansteigt, so gelegt
werden, daß er mit dem Anstieg von v₂ zusammenfällt,
und zwar durch entsprechende Einstellung der Schwingungs
frequenz von i₂ und des Zündzeitpunkts des Spalt 23.
Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 7 können verschiedene
Modifikationen vorgenommen werden. Anstatt den Transfor
mator 32 mit dem Kurzschlußgenerator 7 zu verbinden, kann
der Transformator 32 auch mit einem nicht gezeichneten
anderen Generator verbunden werden.
Anstelle der Reihenschaltung aus Kondensator 22 und Trig
gerspalt 23 kann eine Sekundärwicklung eines Transforma
tors angeschaltet werden. Die Primärwicklung dieses Trans
formators kann mit der Primärwicklung des Transformators 21 ge
schaltet oder mit einem besonderen Generator, der nicht
gezeichnet ist, verbunden werden.
Gemäß der obigen Beschreibung tritt ein Überschlagbogen
nur im Unterbrecher 11 am geerdeten Ende Sg der Reihen
schaltung S auf. Dies wird, wie erläutert, dadurch er
reicht, daß entweder nur die Unterbrechereinheit 11 ge
öffnet wird oder aber daß die anderen Unterbrechereinhei
ten 12-14 durch Kurzschlußleiter überbrückt werden, wo
bei im letzteren Fall dann alle Unterbrechereinheiten 11
-14 geöffnet sind. Auch ist es möglich, einen Überschlag
bogen in einer Folge von zwei Unterbrechereinheiten (11
und 12) oder einer Folge von drei Unterbrechereinheiten
(11, 12, 13) zu erzeugen. Die Anzahl an Unterbrecherein
heiten, in denen ein Überschlagbogen erzeugt wird, kann
in Abhängigkeit von der Prüfkapazität der ersten Hoch
spannungsquelle 9 gewählt werden, in anderen Worten,
in Abhängigkeit von der maximalen Spannung, welche die
Spannungsquelle 9 zu erzeugen in der Lage ist.
Weiterhin ist es möglich, parallel zu jeder Unterbrecher
einheit einen Kondensator zu legen, wobei dann die Kon
densatoren parallel zu den zu prüfenden Unterbrecherein
heiten eine geringere Kapazität aufweisen als diejenigen
Kondensatoren, die parallel zu den nicht zu prüfenden
Unterbrechereinheiten liegen, so daß in allen Unter
brechereinheiten ein Überschlagbogen auftritt, die Ge
samtheit der wiederkehrenden Stoßspannung der ersten
Hochspannungsquelle 9 jedoch im wesentlichen über den zu
prüfenden Unterbrechereinheiten liegt.