DE3833166A1 - Verfahren zum betrieb eines leistungsschalters - Google Patents
Verfahren zum betrieb eines leistungsschaltersInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines
Leistungsschalters, insbesondere eines Vakuumschalters, unter
Verwendung eines Auslösesteuergerätes, das unabhängig vom
Zeitpunkt einer Befehlsgabe zum Ausschalten die Öffnung der
Schaltstücke zu einem in fester Beziehung zum Nulldurchgang des
Stromes stehenden Zeitpunkt veranlaßt.
Ein Verfahren dieser Art ist durch die US-A-35 55 354 bekannt
geworden. Zweck dieses Verfahrens ist es, den Energieumsatz in
den Schaltstrecken durch eine Verkürzung der Lichtbogenzeiten
möglichst zu beschränken. Der Beginn der tatsächlichen Trennung
der Schaltstücke wird hierzu gegenüber dem Zeitpunkt eines
willkürlichen Ausschaltbefehls soweit verzögert, daß jeweils
zum Zeitpunkt des Nulldurchganges des Stromes eine zum Löschen
des Lichtbogens gerade ausreichende Distanz zwischen den
Schaltstücken besteht. Das Auslösesteuergerät erfaßt hierzu
über Wandler den fließenden Strom und gewinnt hieraus
periodische Impulse jeweils beim Nulldurchgang des Stromes und
im Maximum bzw. Minimum der Stromkurve. Beide Impulse werden
über ein Zeitglied einem UND-Glied zugeführt, das zusätzlich
durch ein Signal beaufschlagbar ist, das von der absoluten Höhe
des Stromes abgeleitet ist. Das von dem UND-Glied ausgehende
Auslösesignal gelangt in üblicher Weise zu einem Auslösemag
neten, der ein Ventil oder eine Verklinkungsanordnung zur
Freigabe des Schaltmechanismus bzw. des Schalterantriebes
betätigt.
Beim Betrieb elektrischer Anlagen mit einer bestimmten Konfi
guration hat sich gezeigt, daß erhebliche Überspannungen ent
stehen können, wenn beim Abschalten des Stromes die wieder
kehrende Spannung schneller ansteigt als die dielektrische
Wiederverfestigung der Schaltstrecke. Das ist besonders bei
Vakuumschaltern der Fall, wenn die Kontakttrennung kurz vor
dem Stromnulldurchgang erfolgt, aber auch bei Schaltgeräten
mit anderen Löschmedien, beispielsweise Druckgasschaltern.
Eingehende Untersuchungen haben gezeigt, daß hohe Überspan
nungen insbesondere beim Abschalten anlaufender Drehstrom
motoren auftreten können, wenn zugleich netz- und lastseitig
eine bestimmte Kapazität vorhanden ist.
Zur Vermeidung von schädlichen Überspannungen wären auch die
bekannten Auslösesteuergeräte geeignet. Diese können hierzu so
eingerichtet werden, daß sie die Trennung der Schaltstücke nahe
einem Nulldurchgang des Stromes verhindern und die Schaltung
in einem geeigneten zeitlichen Abstand hiervon veranlassen. Bei
dem Versuch der Realisierung eines solchen Schaltverfahrens
zeigt sich jedoch, daß sowohl an die elektronisch-elektrischen
Steuermittel als auch an den hiervon angesteuerten Leistungs
schalter derart hohe Anforderungen gestellt werden, daß mit
vertretbarem Aufwand keine für einen praktischen Einsatz ge
eigneten Komponenten herstellbar sind. Diese Schwierigkeiten
sind leicht verständlich, wenn man die geringe Breite des
sogenannten Öffnungsfensters von nur 2 ms in einem dreiphasigen
50-Hz-Netz berücksichtigt, in das der Trennvorgang der Schalt
stücke fallen muß, um die Entstehung der multiplen Wieder
zündungen im erstlöschenden Pol und den hierdurch bewirkten
virtuellen Stromabriß in den letztlöschenden Polen zu
vermeiden.
Da insbesondere bei Hochspannungsmotoren die Isolation der
Wicklungen mit Rücksicht auf den verfügbaren Querschnitt der
Nuten nicht so reichlich bemessen werden kann, daß auch die
höchsten auftretenden Überspannungen ohne Beschädigung der
Wicklungen ertragen werden können, hat man bisher den Weg
beschritten, Zusatzschaltungen aus Kondensatoren und Wider
ständen oder Überspannungsableiter vorzusehen, um die Höhe
der Überspannungen zu begrenzen. Abgesehen von dem Aufwand,
den diese zusätzlichen Einrichtungen erfordern, ist die er
wünschte Wirkung oft nicht sichergestellt, weil für diesen
Zweck bereitgestellte einheitliche Bauelemente in den unter
schiedlichen elektrischen Anlagen nicht gleichermaßen wirk
sam sind.
Der Erfindung liegt hiervon ausgehend die Aufgabe zugrunde,
beim Abschalten von Verbrauchern in einem Drehstromnetz das
Entstehen von Überspannungen unmittelbar beim Schaltvor
gang zu vermeiden, und zwar durch eine entsprechende Beein
flussung des Schaltvorganges.
Mit dem Ziel einer Vermeidung der vorstehend beschriebenen
Schwierigkeiten ist bereits ein Schaltverfahren bekannt, bei
dem zwei der Schaltstrecken eines Leistungsschalters mindestens
um ein Drittel eines Zyklus der Netzfrequenz später geöffnet
werden als die erste Schaltstrecke, zuzüglich der minimalen
Lichtbogendauer in der ersten Schaltstrecke (DE-C-28 54 092).
Dieses Verfahren verhindert grundsätzlich das Auftreten des
sog. virtuellen Stromabrisses in den beiden letztlöschenden
Polen des Leistungsschalters, vermag jedoch aufgrund der Tat
sache, daß der Schaltvorgang zu einem beliebigen Zeitpunkt
beginnt, nicht die multiplen Wiederzündungen im erstlöschenden
Pol oder in den letztlöschenden Polen zu verhindern, die eben
falls Ursache von Überspannungen sind.
Die Erfindung löst das Problem der unter den beschriebenen
Bedingungen auftretenden schädlichen Überspannungen unter Ver
wendung eines eingangs erwähnten Auslösesteuergerätes in um
fassender Weise dadurch, daß wenigstens eine der Schaltstrecken
des Leistungsschalters durch eine im Antriebsmechanismus der
Schaltstücke vorgesehene zwangsläufige Abhängigkeit um eine
festgelegte Zeitdifferenz später als eine weitere Schaltstrecke
geöffnet wird. Obwohl somit die gemeinsame Anwendung eines
Auslösesteuergerätes und eines Leistungsschalters vorgesehen
ist, dessen Antrieb eine Zeitdifferenz beim Öffnungsvorgang
zwischen den Schaltstrecken zu bewirken vermag, stellt sich
das überraschende Ergebnis ein, daß sowohl an das Auslöse
steuergerät als auch an den Leistungsschalter deutlich
geringere Anforderungen zu stellen sind, als sie die bisherige
Lösung zur vollständigen Vermeidung von Überspannungen er
fordert, nämlich ein Auslösesteuergerät in Verbindung mit einem
normalen, d. h. für gleichzeitiges Schalten der Pole einge
richteten Leistungsschalter. Bei dem Verfahren nach der Er
findung weist nämlich das sogenannte Öffnungsfenster, d. h. der
Zeitraum, in dem die Öffnung erfolgen muß, eine Breite von etwa
8 ms auf gegenüber nur etwa 2 ms bei Verwendung eines normalen
Leistungsschalters. Dies mildert die Anforderungen an die be
teiligten Komponenten soweit, daß alle in Betracht kommenden
elektrischen und mechanischen Toleranzen aufgefangen werden
können, wie sie insbesondere im Antrieb von Leistungsschaltern
durch die Umgebungstemperatur, schwankende Hilfsspannungen,
Abnutzungsgrad und ähnliche Einflüsse gegeben sind. Damit
läßt sich eine wichtige Forderung für den allgemeinen Einsatz
eines solchen Schaltverfahrens erfüllen, nämlich die Beibe
haltung der günstigen Eigenschaften über einen Zeitraum vieler
Jahre ohne Nachjustierung.
Bei der Anwendung des neuen Verfahrens in einem ungeerdeten
Netz kann die Zeitdifferenz zwischen dem Öffnen zwischen der
ersten Schaltstrecke und dem gemeinsamen Öffnen der weiteren
Schaltstrecken etwa das 1,5fache der Dauer einer Halbwelle
betragen. Damit ist sichergestellt, daß weder multiple Wieder
zündungen noch ein virtueller Stromabriß auftreten können.
Bei geerdetem Netz ist ein ebenso günstiges Verhalten in einer
Weiterbildung der Erfindung dadurch erzielbar, daß auch die
dritte Schaltstrecke zeitlich versetzt geöffnet wird, derart,
daß alle drei Schaltstrecken in gleichen Zeitabständen nach
einander öffnen. Es empfiehlt sich dabei, einen Zeitabstand
von 2/3 der Dauer einer Halbwelle zu wählen.
Die Erfindung ermöglicht es ferner, für die Schaltstücke des
Leistungsschalters solche Werkstoffe auszuwählen, die zur
Unterbrechung hoher Schaltleistungen besonders geeignet sind.
Hierzu gehören insbesondere Kupfer-Chromwerkstoffe. Im Gegen
satz hierzu ist empfohlen worden, zur Vermeidung von Über
spannungen beim Schalten mit Vakuumleistungsschaltern Kontakt
werkstoffe einzusetzen, die aufgrund des verhältnismäßig hohen
Dampfdruckes einzelner Komponenten eine sehr niedrige Abreiß
stromstärke erreichen und dadurch zur Entstehung von Überspan
nungen kaum Anlaß geben. Jedoch sind solche Werkstoffe nur bei
Schaltaufgaben einsetzbar, bei denen nicht gleichzeitig die
Forderung nach Vermeidung von Überspannungen und hoher oder
sehr hoher Schaltleistung gestellt werden.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren näher er
läutert.
Die Fig. 1 zeigt ein Schaltbild eines dreiphasigen Ver
brauchers in einem nicht geerdeten Drehstromnetz.
In der Fig. 2 ist schematisch die Durchführung eines Schalt
vorganges gemäß der Erfindung in der Schaltungsanordnung gemäß
der Fig. 1 anhand von Kurvenverläufen gezeigt.
Die Fig. 3 zeigt ein Schaltbild mit einem dreiphasigen Ver
braucher in einem geerdeten Drehstromnetz.
Die Fig. 4 dient zur Erläuterung des Schaltvorganges gemäß
der Erfindung in der Schaltungsanordnung gemäß der Fig. 3.
In der Fig. 1 ist mit 1 eine dreiphasige Stromquelle bezeich
net, die über ein dreipoliges Schaltgerät 2 einen Verbraucher 3
speist. Als Schaltgerät 2 wird ein Vakuumschalter angenommen,
der die Eigenschaft besitzt, daß seine Schaltstrecken beim Aus
schalten ihre dielektrische Festigkeit sehr rasch wiedererlangen.
Dies ist zusammen mit den eingangs erläuterten Bedingungen eine
der Voraussetzungen für die Entstehung von Überspannungen. Der
Verbraucher 3 wird als Drehstrommotor angenommen. Nach den vor
liegenden Untersuchungen können in dieser Schaltungsanordnung
besonders dann schädliche Überspannungen entstehen, wenn die
Schaltstrecken des Schalters 2 bei blockierten oder anlaufendem
Läufer geöffnet werden.
In der Fig. 2 ist dargestellt, wie durch Anwendung eines neuen
Schaltverfahrens die Entstehung jeglicher Überspannungen ver
mieden werden kann. Zunächst wird mittels eines von den
Phasenströmen beaufschlagten Auslösesteuergerätes 4 (Fig. 1)
der Schaltmechanismus 5 des Schaltgerätes 2 derart betätigt,
daß die Öffnung der Schaltstrecke des einen Poles in der Phase
R innerhalb des schraffierten Bereiches der Zeitachse (Fig. 2)
erfolgt. Dieser Zeitraum beträgt etwa 8 ms in einem 50 Hz-Netz
und stellt das sogenannte Öffnungsfenster dar, bei dessen Ein
haltung keine multiplen Wiederzündungen auftreten können. Be
kanntlich ist dieses Problem dadurch bedingt, daß aufgrund der
begrenzten Geschwindigkeit der Öffnungsbewegung der Schalt
stücke der Fall eintreten kann, daß der Abstand der Schalt
stücke noch keine ausreichende Spannungsfestigkeit der Schalt
strecke gegenüber der wiederkehrenden Spannung ergibt. Keines
falls darf daher die Kontaktöffnung erst kurz vor dem Strom
nulldurchgang beginnen. Das in der Fig. 2 schraffiert gezeigte
Öffnungsfenster weist daher ausreichende Abstände zum voran
gehenden und zum nachfolgenden Stromnulldurchgang auf.
Erfolgt nun in der angegebenen Weise die Öffnung der Schalt
strecke für die Phase R innerhalb dieses Öffnungsfensters, so
erlischt der Strom in der Phase R beim Erreichen des Augen
blickswertes "Null". Da die beiden weiteren Schaltstrecken in
den Phasen S und T noch geschlossen sind, fließen die Ströme in
diesen weiter, jedoch in anderer Weise als im stationären
Zustand. Vielmehr erleiden die Ströme in den Phasen S und T
eine Unregelmäßigkeit und eine Verschiebung derart, daß der
nächste Nulldurchgang beider Phasen S und T gemeinsam eine
halbe Halbwelle nach dem Nulldurchgang der Phase R erfolgt. Die
Öffnung der Schaltstrecken für die Phasen S und T erfolgt nun
gleichfalls innerhalb eines Öffnungsfensters mit der zuvor
erläuterten Breite, das 1,5 Halbwellen gegenüber dem ersten
Öffnungsfenster für die Phase R verschoben ist. Auch in den
Phasen S und T können somit keine multiplen Wiederzündungen
entstehen. Gleichzeitig ist das Problem des virtuellen Strom
abrisses in den letztlöschenden Polen vollständig vermieden.
In der Fig. 3 ist eine weitere Schaltungsanordnung gezeigt,
die in gleicher Weise wie die Schaltungsanordnung gemäß der
Fig. 1 einen Generator 1, ein Schaltgerät 2 und einen drei
phasigen Verbraucher 3 umfaßt. Ferner sind ein Auslösesteuer
gerät 4 sowie ein Schaltmechanismus 5 vorhanden. Im Unter
schied zu der Schaltungsanordnung gemäß der Fig. 1 sind jedoch
die Sternpunkte des Generators 1 und des Verbrauchers 3 ge
erdet. Dies hat zur Folge, daß beim Schalten nach dem Erlöschen
des Stromes in der Phase R die Ströme in den weiteren Phasen
S und T unverändert weiter fließen, wie dies in der Fig. 4
gezeigt ist. Ein von Überspannungen vollkommen freies Schalten
wird auch in diesem Fall dadurch erreicht, daß der Schalter 3
zunächst die Phase R mittels des Auslösesteuergerätes 4 inner
halb des schraffiert gezeigten Öffnungsfensters öffnet, worauf
der Strom der Phase R beim folgenden Nulldurchgang endet.
Innerhalb eines gegenüber dem ersten Öffnungsfenster um 2/3
einer Halbwelle verzögerten Öffnungsfensters wird daraufhin die
Schaltstrecke der Phase S geöffnet, worauf auch deren Strom mit
dem folgenden Nulldurchgang endet. In gleicher Weise wird mit
der dritten Schaltstrecke in der Phase T verfahren, die eben
falls innerhalb eines um 2/3 einer Halbwelle versetzten Öff
nungsfensters unterbrochen wird.
Als Auslösesteuergerät sind grundsätzlich die bekannten
Steuergeräte geeignet, die für synchrones Schalten entwickelt
worden sind. Diese können sowohl mit Hilfe analog wirkender
Schaltungselemente aufgebaut sein, als auch unter Verwendung
digitaler Schaltungselemente und insbesondere mit Mikropro
zessoren.
Als Schaltgeräte zur Verwendung in Verbindung mit dem be
schriebenen Verfahren eignen sich insbesondere Vakuumschalter,
deren Antriebsmechanismus eine gleichzeitige Einschaltung
aller drei Schaltstrecken und eine steuerbare Verzögerung
zwischen einzelnen oder allen Schaltstrecken beim Ausschalten
gestattet. Dies kann beispielsweise mit Hilfe einer Kulissen
steuerung gemäß der DE-A-20 21 575 oder einer hydraulischen
Einzelpolsteuerung gemäß der DE-A-31 48 142 erfolgen. Prin
zipiell geignet sind auch Nockensteuerungen etwa entsprechend
der DE-A-27 02 962.
Claims (5)
1. Verfahren zum Betrieb eines Leistungsschalters (2), ins
besondere eines Vakuumschalters, unter Verwendung eines Aus
lösesteuergerätes (4), das unabhängig vom Zeitpunkt einer
Befehlsgabe zum Ausschalten die Öffnung der Schaltstücke zu
einem in fester Beziehung zum Nulldurchgang des Stromes
stehenden Zeitpunktes veranlaßt, dadurch
gekennzeichnet, daß wenigstens eine der
Schaltstrecken des Leistungsschalters (Phase R) durch eine im
Antriebsmechanismus (5) der Schaltstücke vorgesehene zwangs
läufige Abhängigkeit um eine festgelegte Zeitdifferenz später
als eine weitere Schaltstrecke geöffnet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß bei der Anwendung in einem
ungeerdeten Netz die Zeitdifferenz zwischen dem Öffnen der
ersten Schaltstrecke (Phase R) und dem gemeinsamen Öffnen der
weiteren Schaltstrecken (Phasen S, T) etwa das 1,5fache der
Dauer einer Halbwelle beträgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß in einem geerdeten Netz
auch die dritte Schaltstrecke (Phase T) zeitlich versetzt
geöffnet wird, derart, daß alle drei Schaltstrecken in festen
Zeitabständen nacheinander öffnen.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch
gekennzeichnet, daß der Zeitabstand 2/3 der
Dauer einer Halbwelle beträgt.
5. Vakuum-Leistungsschalter für das Verfahren nach Anspruch 1
oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß
die Schaltstücke einen Kupfer-Chrom-Kontaktwerkstoff enthalten.
Priority Applications (3)
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ID=6364033
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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DE1588238C3 (de) | Überspannungsschutzvorrichtung |
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