DE3611270A1 - Elektrische schalteinrichtung fuer hohe schaltspannungen - Google Patents
Elektrische schalteinrichtung fuer hohe schaltspannungenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine elektrische Schalteinrichtung
für hohe Schaltspannungen nach dem Oberbegriff des ersten
Patentanspruches.
Solche Schalter sind bisher als Unterbrecher für Gleichstromkreise
bekannt geworden. So beschreibt DE-OS 23 50 584
eine mit Spannungsteilern arbeitende Gleichstrom-Leistungs-Schalteinrichtung,
bei der ein erster Leistungsschalter,
der als Vakuumschalter ausgebildet sein kann, in Reihe
mit einer Parallelschaltung aus einem zweiten Leistungsschalter,
der ein SF 6-Schalter sein kann, und einem elektronischen
Schalter, angeordnet ist. Durch die bekannte
Schalteinrichtung wird eine im wesentlichen durch die
Strom-Spannungscharakteristik des elektronischen Schalters
in Verbindung mit zu den Schaltern parallel liegenden Kondensatoren
gesteuerte Stromunterbrechung bei einer Wiederkehrspannung
ermöglicht, die größer als die Spannungsfestigkeit
jedes der beiden Leistungsschalter ist.
Nach DE-OS 31 31 271 ist ebenfalls eine Schaltanlage zur
Unterbrechung von hochgespanntem Gleichstrom bekannt geworden,
bei der eine Reihenschaltung von einem Vakuum-
und einem Gasstrahlschalter vorgesehen ist, denen zur
Spannungssteuerung ein spannungsabhängiger Widerstand
bzw. ein Kondensator parallel geschaltet sind. Dabei
wird einerseits das Vermögen der Vakuumschalter zur Unterbrechung
von Strömen bei großer Steilheit des Stromes und
der Wiederkehrspannung, sowie andererseits die große dielektrische
Festigkeit von SF 6-Schaltern, die diese im niederfrequenten
Bereich der Wiederkehrspannung aufweisen, genutzt.
Die beiden Schalter öffnen gleichzeitig und der
zum SF 6-Schalter parallel liegende Kondensator bewirkt an
diesem einen verzögerten Anstieg der Wiederkehrspannung.
Die bekannten Schalteinrichtungen haben einen verhältnismäßig
aufwendigen Aufbau, denn sie verwenden außer den beiden
Leistungsschaltern zusätzliche Schaltgeräte und Steuerungselemente.
Beide Leistungsschalter arbeiten außerdem synchron
und werden mit gleichlangen Lichtbogenzeiten beaufschlagt.
Darüber hinaus sind in DE-OS 29 34 776 Mittelspannungslasttrennschalter
beschrieben, die aus einer Vakuumschaltröhre
und einem Lufttrennschalter bestehen. Die Vakuumschalterhöhe
ist dabei so ausgelegt, daß sie die bei der
Unterbrechung von Betriebsströmen mit induktiven und kapazitiven
Stromanteilen vorkommenden Wiederkehrspannungen
beherrscht, während der Lufttrennschalter lediglich die
stromlose Öffnung der dielektrisch hochbeanspruchten
Trennstrecke vorzunehmen hat.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine besonders
kostengünstige Schalteinrichtung mit kleinem Raumbedarf
und großer Lebensdauer zu schaffen, mit der die im Netzbetrieb
vor allem für Lastschaltanlagen wesentlichen Ströme
auch bei bezogen auf die Netzspannungen hohen Werten der
Einschwingspannung sicher unterbrochen werden können. Mit
der neuen Schalteinrichtung sollen außerdem auch alle Fehlerströme
in Netzen mit kleiner Kurzschlußleistung abgeschaltet
werden können. Die Schalteinrichtung soll sich weiterhin besonders
zum Einbau in allseitig gekapselte, mit Gas oder
Flüssigkeit isolierte Schaltanlagen eignen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale
des ersten Patentanspruchs gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen
finden sich in den Unteransprüchen.
Der Erfindungsgedanke läßt sich besonders wirkungsvoll
bei Mehrzwecklastschaltern realisieren. An den folgenden
Figuren wird das Wesentliche der Erfindung erklärt.
Es zeigt
Fig. 1 Zeitlicher Verlauf der Lastkennlinie der
erfindungsgemäßen Schalteinrichtung und
verschiedener Schaltspannungen.
Fig. 2a Prinzipieller Aufbau der erfindungsgemäßen
Schalteinrichtung.
Fig. 2b Schematischer Bewegungsablauf zu Fig. 2a.
Fig. 3 Schaltfolge bei der Unterbrechung eines
teilweise induktiven Laststromes.
Fig. 4 Schaltfolge bei der Unterbrechung eines
kapazitiven Stromes.
Fig. 5 Integrierte Ausführung der Schalter S 1 und
S 2 in einer geschlossenen Kapselung.
In Fig. 1 sind die grundsätzlichen Überlegungen
des Erfindungsgedankens in einem Schaubild verdeutlicht.
Der zeitliche Verlauf der bei der Kontakttrennung KT 1
des Schalters S 1 beginnenden Lastkennlinie LS 1 ist
durch einen steilen Anstieg in den ersten Millisekunden
und durch einen nach etwa 10 ms erreichten Höchstwert,
der für Lastschalteranlagen z. B. etwa das 2fache der
Phasenspannung Û ph (Scheitelwert) betragen soll, gekennzeichnet.
Die Kontakttrennung KT 2 des Schalters S 2 liegt um das
Intervall Δ t später; die zugehörige Lastkennlinie LS 2
beginnt zum Zeitpunkt KT 2, sie steigt linear mit vergleichsweise
geringer Steilheit auf einen Endwert an, der
deutlich größer als der von LS 1 ist. Der Höchstwert der
Lastkennlinie LS 1 ist wiederum deutlich höher als die
bei der Unterbrechung von mit induktiven Anteilen versehenen
Lastströmen i L in der erstunterbrechenden Phase
bei dreiphasigem System auftretenden Schaltspannungen
Û WL , wie ebenfalls aus Fig. 1 zu ersehen ist. Solche
Lastströme werden demnach vom Schalter S 1 allein unterbrochen.
Vorteilhafterweise können dafür kostengünstige
Vakuumlastschalter einer kleinen Nennspannung verwendet
werden. So eignen sich Vakuumlastschalter der Nennspannung
7,2 kV oder 12 kV zum Einsatz in Netzen mit einer Nennspannung
von 24 kV.
Bei der Unterbrechung eines kapazitiven Stromes I c
schwingt die Wiederkehrspannung u WC in der erstlöschenden
Phase mit geringer Steilheit jedoch wesentlich höher
auf und würde im Schnittpunkt A mit der Lastkennlinie
LS 1 zu einer erneuten Zündung des Lichtbogens und somit
zu einer Rückzündung des Schalters führen. Durch die Reihenschaltung
des Schalters S 1 mit dem Schalter S 2, der um ein
Intervall Δ t später öffnet, läßt sich eine Lastkennlinie
LS ges erzeugen, die eine sichere Unterbrechung kapazitiver
Ströme ermöglicht. Erfindungsgemäß ist Δ t in der
Größenordnung der bei der Unterbrechung induktiver Ströme
auftretenden Lichtbogenzeit eingestellt und beträgt mehrere
Millisekunden.
Zum besseren Verständnis der bei Schaltvorgängen in
kapazitiven Stromkreisen auftretenden Schaltspannungen
sei auf den Aufsatz: "Ein- und Ausschalten von Hochspannungskondensatoren
mit Druckluftschaltern", BBC-Nachrichten
Okt./Nov. 1956, Seite 128-135, hingewiesen. Aus dieser
Arbeit geht hervor, daß bei der Unterbrechung von Kondensatorbatterien
Scheitelwerte der netzfrequenten Schaltspannung
Û W auftreten, die gegenüber dem Scheitelwert der
Phasenspannung Û ph in der erstlöschenden Phase einen Amplitudenfaktor
Û W /Û ph von 2,5 und bei einphasigem Erdschluß
sogar von 3,6 aufweisen.
Konventionelle Schaltgeräte für die oben beschriebenen
Schaltaufgaben müssen diesen Schaltspannungen, die bei
Mittelspannungsnetzen in der Größenordnung der genormten
Prüfwechselspannung liegen, standhalten. Das bedeutet bei
Vakuumlastschaltern die Verwendung von relativ großen Schaltkammern,
die hohe Kosten verursachen.
In Fig. 2a ist der prinzipielle Aufbau der erfindungsgemäßen
Schalteinrichtung in einphasiger Darstellung angegeben.
Auf Fig. 2b ist der zeitliche Bewegungsablauf
der beiden Schalter S 1 und S 2 mit x₁ als Kontaktweg
des Schalters 1 und x₂ als Kontaktweg des Schalters 2
gezeigt. Als Schalter S 1 ist ein kleiner Vakuumlastschalter
mit bezogen auf die Betriebsspannung des Systems niedriger
Spannungsfestigkeit vorgesehen, der von einem Antrieb S 11
gesteuert wird. Als Schalter S 2 können einfach aufgebaute
Lastschalter, die mit einem hochwertigen Isoliermedium,
wie SF 6, N₂ oder Schalteröl arbeiten, vorgesehen werden.
Sie werden über den Kurbeltrieb S 21 von einem nicht dargestellten
Antrieb betätigt. Da der Schalter S 2 nach dem
Erfindungsgedanken um die Zeitdifferenz Δ t später öffnet,
wird er durch schwache induktive Ströme nicht oder nur in
den letztlöschenden Phasen kurzzeitig belastet. Auch
bei der Unterbrechung kapazitiver Ströme liegt die
wirksame Lichtbogenzeit, wie aus Fig. 1 erkennbar, in
der erstlöschenden Phase nur im abfallenden Teil des
Stromes i c . In vielen Fällen wird daher der Schalter S 2
keine eigentliche Löscheinrichtung benötigen. Um jedoch
für die gesamte Schalteinrichtung möglichst lange Wartungsintervalle
zusagen zu können, empfiehlt sich die Bestückung
der Schaltkontakte des Schalters S 2 mit Kontaktteilen 21
und 22 aus abbrandfestem Werkstoff. (Fig. 5).
Nach einem zusätzlichen Merkmal der Erfindung kann das
Isoliermedium des Schalters S 2 gleichzeitig auch zur Erhöhung
der äußeren Isolationsfestigkeit des Schalters S 1
verwendet werden. Dadurch wird es möglich, für S 1 listenmäßige
Vakuumschalter einer relativ geringen Nennspannung
einzusetzen. Da die Lichtbogenbelastung im Schalter S 2
durch die um Δ t verzögerte Kontaktöffnung nur sehr gering
ist, tritt auch nach vielen Schaltvorgängen keine nennenswerte
Minderung des Isoliervermögens der Schalteinrichtung
ein.
Die Antriebe der Schalter S 1 und S 2 sind über bekannte,
nicht dargestellte, weil nicht erfindungswesentliche,
mechanische oder elektrische Mittel so synchronisiert, daß
die Kontaktöffnungen um das Zeitintervall Δ t differieren.
Um die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Schalteinrichtung
weiter zu verdeutlichen, ist in den Fig. 3
und 4 je ein Ablauf der bei der Unterbrechung eines
teilweise induktiven Laststromes i L bzw. eines kapazitiven
Stromes i c charakteristischen Stellungen der
Schalter S 1 und S 2 angegeben.
Bei Schalterstellung I sind beide Schalter geschlossen,
der Betriebsstrom fließt über die Schalter S 1 und S 2
zum Verbraucher V oder zum Kondensator C.
In der Schalterstellung II hat Schalter S 1 geöffnet,
während Schalter S 2 noch geschlossen ist, an den Elektroden
von Schalter S 1 brennt ein Lichtbogen Li (siehe
Fig. 1).
In Fig. 3 ist in Schalterstellung IIIa der Lichtbogen
erloschen und i L =0. Der Schalter S 1 hat dabei nahezu
völlig geöffnet und beherrscht die Schaltspannung Û WL .
Der Unterbrechungsvorgang ist beendet, obwohl der Schalter
S 2 noch geschlossen ist. Am Abschluß der Schalterbewegung
in Schalterstellung IV sind beide Schalter offen.
In Fig. 4 liegt die Schalterstellung IIIb kurz nach der
Kontakttrennung KT 2 des Schalters S 2, der Strom i c ist
bis dahin von dem Schalter S 1 noch nicht unterbrochen
worden. Es brennen daher in beiden Schaltern Lichtbögen
Li. Nach dem nächsten Nulldurchgang wird i c unterbrochen,
die in Reihe geschalteten Schalter S 1 und S 2 widerstehen
dem Scheitelwert Û WC der kapazitiven Schaltspannung.
Der Erfindungsgedanke der gestuften Unterbrechung von
verschiedenartigen Belastungsfällen in Verbrauchernetzen
ist auch bei anderen Koordinationen der Schaltspannungen
zu den Lastkennlinien sinnvoll anzuwenden. So kann es in
manchen Fällen vorteilhaft sein, die Obergrenze der Kennlinie
LS 1 auf einen Wert festzulegen, der größer als
2,5 × Û ph ist, während nach der Kontakttrennung von
Schalter S 2 zusätzlich erdschlußbehaftete Störungen mit
noch größeren Schaltspannungen unterbrochen werden. Bei
entsprechender Auslegung der Spannungswerte läßt sich
die erfindungsgemäße Schalteinrichtung auch für ein- oder
zweiphasige Netze nutzbringend einsetzen.
Um besonders kleinvolumige Schaltanlagen mit den Vorteilen
des Erfindungsgedankens ausrüsten zu können, ist
die konstruktive Vereinigung der Schalter S 1 und S 2
in ein kombiniertes Schaltgerät mit einem gemeinsamen
Antrieb ausführbar. In Fig. 5 ist dabei in einer dreifeldigen
Lastschaltanlage mit den Schaltern X, Y und Z
gezeigt, wie der Schalter S 1 als Vakuumschalter in den mit
einem Schwenkarm 13 versehenen Schalter S 2 integriert ist.
Unter Bezugnahme auf die Fig. 1 und Fig. 4 ist für den
Schalter X die eingeschaltete Schaltung I der Schalteinrichtung
mit einem ortsfesten Kontakt 11, der mit der
Sammelschiene 12 in Verbindung steht, dem Schwenkarm 13
mit seinem Kontaktstück 14, dem im Schwenkarm angeordneten
Vakuumlastschalter 15, sowie dem ortsfesten Drehpunktkontakt
16, der den Schalter mit einer Durchführung 17
oder einer Buchse einer Hochspannungssteckverbindung verbindet,
schematisch dargestellt. Der Drehpunktkontakt 16
trägt dabei den Drehpunkt 18 des Schwenkarmes 13 sowie
eine Kulisse 19, mit der die Öffnungsbewegung des Vakuumschalters
15 so gesteuert wird, daß sie in ihrem wesentlichen
Teil vor der galvanischen Trennung des Schwenkarmes
13 von dem ortsfesten Kontakt 11 erfolgt.
Beim mittleren Schalter Y ist die Schalteinrichtung in
einer Position, die der Stellung IIIb in Fig. 4 kurz vor
der Unterbrechung eines kapazitiven Stromes entspricht,
zu sehen. Der ortsfeste Kontakt 11 und der Schwenkarm 13
kann durch die Kontaktteile 21 und 22 aus abbrandfestem
Kontaktwerkstoff verstärkt sein. Der Schalter Z ist in
der Offenstellung der Schalteinrichtung gezeigt. (Stellung
IV auf Fig. 4).
Die eben beschriebene Schalteinrichtung wird vorzugsweise
mit mindestens drei dreipoligen Schalteinheiten
in einer vollständig gekapselten, gas- oder flüssigkeitsisolierten
Schaltanlage eingesetzt, wobei in Fig. 5
auch die umschließende Kapselung 23, sowie ein, der für
SF 6-isolierte Anlagen zu empfehlende Feuchte-Absorber 24,
angegeben ist.
- Begriffe
i, i L , i c Strom; indukt., kapazitiver Strom
u, U Spannung
u WL , U WL Schaltspannung bei induktiver Last
u WC , U WC Schaltspannung bei kapazitiver Last
U ph Phasenspannung
t Zeit
Δ t Zeitintervall
A Schnittpunkt
S 1, S 2 Schalter 1, Schalter 2
KT 1, KT 2 Kontakttrennung der Schalter S 1, S 2
LS 1, LS 2 Lastkennlinie der Schalter S 1, S 2
LS ges Lastkennlinie der Reihenschaltung S 1 und S 2
X, X₁, X₂ Kontaktweg
S 11 Antrieb von S 1
S 21 Kurbeltrieb S 2
V teilinduktiver Verbraucher
C Kapazität
Li Lichtbogen
11 ortsfester Kontakt
12 Sammelschiene
13 Schwenkarm
14 Kontaktstück am Schwenkarm
15 Vakuumlastschalter
16 Drehpunktkontakt
17 Durchführung
18 Drehpunkt
19 Kulisse
21, 22 Kontaktteile aus abbrandfestem Kontaktwerkstoff
23 Kapselung
24 Feuchte-Absorber.
Claims (12)
1. Elektrische Schalteinrichtung für hohe Schaltspannungen,
die aus mindestens zwei in Reihe geschalteten,
mit Steuerungselementen zur Spannungsverteilung
versehenen Stromunterbrechern verschiedenen Löschprinzips
mit unterschiedlichem dielektrischem Verhalten unmittelbar
nach dem Nulldurchgang des zu unterbrechenden
Stromes besteht, von denen
- - ein erster Unterbrecher einen steilen Anstieg der Spannungsfestigkeit bei einem einen Bruchteil der erforderlichen Gesamtspannung betragenden Höchstwert derselben aufweist und vorzugsweise ein Vakuumschalter ist, und
- - ein zweiter Unterbrecher einen vergleichsweise flachen Anstieg der Spannungsfestigkeit mit einem Höchstwert, der über dem des ersten Unterbrechers liegt, aufweist und vorzugsweise ein Gasschalter ist,
dadurch gekennzeichnet, daß in einem Netz bestimmter Nennspannung
- - der erste Unterbrecher ein Schalter (S 1) mit in Relation zur Netzspannung kleiner Betriebsspannung ist, der vor allem mit induktiven Anteilen versehene Last- und Fehlerströme bei vergleichsweise kleinen Schaltspannungen ohne Mitwirkung des zweiten Unterbrechers unterbrechen kann,
- - der zweite Unterbrecher ein Schalter (S 2) für vergleichsweise kleinere Lastströme ist, dessen Schaltkontakte ein mehrere Millisekunden betragendes Zeitintervall (Δ t) nach dem ersten Unterbrecher öffnen,
- - die Reihenschaltung beider Unterbrecher kapazitive Ströme auch unter Erdschlußbedingungen mit vergleichsweise großen Schaltspannungen rückzündungsfrei unterbrechen kann, wobei die Spannungsverteilung über die beiden geöffneten Unterbrecher vorzugsweise durch deren Eigen- und Erdkapazitäten gesteuert werden kann.
2. Elektrische Schalteinrichtung für hohe
Schaltspannungen nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Zeitintervall (Δ t) gleich der mittleren
Lichtbogenzeit für mit induktiven Anteilen versehene
Lastströme ist.
3. Elektrische Schalteinrichtung für hohe
Schaltspannungen nach Anspruch 1 und 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß als Schalter (S 1) ein Vakuumlastschalter mit
relativ zur Netzspannung kleiner Betriebsspannung
und als Schalter (S 2) ein Lastschalter kleiner
Leistung mit einem gasförmigen Löschmittel, vorzugsweise
SF 6 eingesetzt ist.
4. Elektrische Schalteinrichtung für hohe
Schaltspannungen nach Anspruch 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß der zweite Unterbrecher keine abgeschlossene
Löschstrecke aufweist und daß sein Löschmittel
gleichzeitig die äußere Isolation des ersten Unterbrechers
erhöht.
5. Elektrische Schalteinrichtung für hohe
Schaltspannungen nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß der zweite Unterbrecher gleichzeitig auch
die Funktion eines Trennschalters hat.
6. Elektrische Schalteinrichtung für hohe
Schaltspannungen nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die beiden Schalter (S 1) und (S 2) getrennte,
mechanisch oder elektrisch miteinander gekoppelte
Antriebe haben.
7. Elektrische Schalteinrichtung für hohe
Schaltspannungen nach Anspruch 1, 3 und 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Schalter (S 1) in den Schwenkarm (13)
des Schalters (S 2) integriert ist und abhängig
von dessen Stellung zwangsläufig betätigt wird.
8. Elektrische Schalteinrichtung für hohe
Schaltspannungen nach Anspruch 1, 5 und 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß mehrere, vorzugsweise drei dreipolige Schalteinheiten
in eine gemeinsame gas- bzw. flüssigkeitsdichte
Kapselung eingebaut sind.
9. Elektrische Schalteinrichtung für hohe
Schaltspannungen nach Anspruch 1, 4, 5, 7 und 8,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Schalter (S 2) eine Isolierflüssigkeit,
vorzugsweise Schalteröl als Löschmittel verwendet.
10. Elektrische Schalteinrichtung für hohe
Schaltspannungen nach Anspruch 1, 5, 7, 8 und 9,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Schalter (S 2) neben der Betriebs- und
Trennstellung auch eine dritte Stellung zur Erdung aufweist
und daß der Erdungsvorgang durch aufeinanderfolgendes
Schließen der Schalter (S 2) und (S 1)
erfolgt.
11. Elektrische Schalteinrichtung für hohe
Schaltspannungen nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
daß in der gasdichten Kapselung (23) der Schalteinrichtung
ein Feuchte-Absorber (24) vorgesehen ist.
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