DE4105698C2 - Verfahren zum Betrieb eines dreipoligen Vakuumschützes mit Gruppenantrieb - Google Patents
Verfahren zum Betrieb eines dreipoligen Vakuumschützes mit GruppenantriebInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines wartungsfreien mehrpoligen, in
der Regel 3poligen Vakuumschützes mit Gruppenantrieb zum
Schalten von Drehstromverbrauchern, mit dem bei allen für
dieses Schütz typischen Belastungsfällen eine elektrische
Lebensdauer erreicht wird, die der mechanischen entspricht.
Der Ausschaltvorgang bei den normal arbeitenden und bekannten
Schaltgeräten bzw. Schützen ist mit einem Lichtbogenvorgang
verbunden. Damit wird unter der Einwirkung
der Lichtbogenfußpunkte abhängig von der Stromhöhe Schaltstückwerkstoff
abgetragen, die elektrische Lebensdauer
dieser Anordnungen ist daher abhängig von dem zu schaltenden
Strom und liegt in der Regel weit unter der erreichbaren
mechanischen Lebensdauer. Die Folge ist ein erheblicher
Wartungsaufwand, z. B. durch die notwendige Auswechslung der
Schaltstücke, Lichtbogenkammern u. a.
Es ist bereits eine Anordnung bekannt geworden, die den
spezifischen Schaltvorgang in einem Drehstromsystem nutzt,
daß der Lichtbogen zuerst in einer Phase bzw. einem Schützpol
gelöscht wird und in den beiden anderen Polen nach einem
Phasensprung eine im Prinzip einphasige Abschaltung mit
einer dann vorliegenden Reihenschaltung beider Pole erfolgt,
dadurch, daß in dem zuerst öffnenden Pol zwei Schaltstrecken
bzw. zwei Kontaktbahnen in Reihe geschaltet sind, um den
Abschaltvorgang zu sichern und die beiden anderen Pole des
Schützes später aber ohne eine definierte Zeitspanne öffnen
(DE-AS 10 51 357). Aber auch diese Anordnung vermeidet
nicht den grundsätzlichen Nachteil eines vom Strom abhängigen
Schaltstückabbrandes, sondern bringt nur eine Verbesserung
des Schaltvermögens durch die Reihenschaltung von zwei
Kontaktbahnen bzw. Unterbrechungsstellen in dem zuerst
öffnenden Pol.
Mit der erfindungsgemäßen Lösung soll eine Angleichung der
elektrischen an die mechanische Lebensdauer eines Vakuumschützes
mit Gruppenantrieb bei allen Belastungsarten und
allen, diesem Gerät zuordnenbaren Ein- und Ausschaltströmen
erreicht werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Vakuumschütz
mit Gruppenantrieb eine derartige Steuerung der
Schaltstückbewegung zu erreichen, daß der Schaltstückabbrand
wesentlich minimiert wird.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der
Magnetantrieb einen konstanten und gleichbleibenden Ein-
und Ausschaltverzug aufweist und daß durch an sich bekannte
mechanische Mittel, z. B. versetzt ausgebildeter Hub, bei
jedem Ausschaltvorgang in einer Vakuumschaltkammer (Bezugsphase)
die Schaltstücke zuerst öffnen und in einer konstanten
Zeitspanne die Schaltstücke der anderen beiden Vakuumschaltkammern
gleichzeitig öffnen. Hierbei soll die Öffnung
der Schaltstücke in der Bezugsphase in bereits vorgeschlagener
Weise durch Steuerung des Magnetantriebes in Abhängigkeit
von der Phasenlage des zu unterbrechenden Stromes in
einem Zeitfenster von 2<tSA<0 ms vor dem natürlichen
Stromnulldurchgang in dieser Phase erfolgen und die Öffnung
der Schaltstücke der beiden anderen Vakuumschaltkammern
gleichzeitig und abhängig von der Netzfrequenz, bei 50 Hz
nach 5 ms und damit ebenfalls synchronisiert in einem gleichen
Zeitfenster vor dem Stromnulldurchgang erfolgen. Zur
Vermeidung schädlicher und zu hoher Ausgleichströme während
des Einschaltvorganges erfolgt das Schließen der Schaltstücke
in den beiden zuletzt öffnenden aber zuerst
schließenden Vakuumschaltkammern in der vorgeschlagenen
Weise durch Steuerung des Magnetantriebes in Abhängigkeit
von der Phasenlage in einer dieser beiden Phasen in einem
Zeitbereich von ±2 ms vor bzw. nach dem Stromnulldurchgang,
so daß danach in einer konstanten Zeitspanne von 5 ms
die Schaltstücke
in der zuerst öffnenden, aber zuletzt schließenden
Vakuumschaltkammer schließbar sind.
Zweckmäßigerweise wird der Ein- und Ausschaltbefehl mittels
Prozessor abgeleitet aus einer Messung der Phasenlage des
Stromes in der jeweiligen Bezugsphase, weiterhin aus der
Messung der Höhe der Betätigungsspannung für den Magnetantrieb
sowie aus einem Vergleich der Phasenlage zwischen
Netz- und Motorrestspannung. Beim Schalten von Motoren,
insbesondere beim Zuschalten des noch erregten Drehstrommotors
(mit abklingendem Restmagnetfeld) bzw. bei Drehrichtungsumkehr
soll vom Prozessor nur dann ein Signal für das
Schließen der Schaltstücke in der für das Schließen gewählten
Bezugsphase abgebbar sein, wenn die Abweichung
zwischen Netz- und Motorrestspannung nicht mehr als ±30°
elektrisch beträgt.
In Weiterbildung der Erfindung ist der Magnetantrieb mit
einer konstanten Ausschaltverzugszeit von n · 10 ms ausgelegt
und als Ausschaltsignal findet der Stromnulldurchgang
in der ausgewählten Bezugsphase Verwendung.
Die Erfindung soll nachstehend anhand des in den Zeichnungen
dargestellten Ausführungsbeispieles erläutert werden.
In den Zeichnungen zeigt
Fig. 1 das Prinzipschaltbild des Vakuumschützes,
Fig. 2 das Ausschaltdiagramm des Vakuumschützes,
Fig. 3 das Spannungsdiagramm,
Fig. 4 das Schaltbild der Steuereinrichtung in der Bezugsphase.
In Fig. 1 ist schematisch ein 3poliges Vakuumschütz dargestellt
mit einem gemeinsamen Gruppen-Magnetantrieb 3, den
Vakuumschaltkammern 1 und 2 und der zu schaltenden Last 4.
Nach dem Erfindungsgedanken ist dabei eine der drei Vakuumschaltkammern,
in Fig. 1 z. B. die Vakuumschaltkammer 1 in
der Phase R, so angeordnet, daß sie bei einem Ausschaltvorgang
zeitlich vor den anderen Vakuumschaltkammern 2 öffnet,
z. B. durch eine unterschiedliche und größere Schaltstücköffnung
bzw. Hub bei gleichem Magnethub. Das ist z. B. durch
unterschiedliche Hebelübersetzungen der Übertragungsglieder
zwischen beweglichen Schaltstückträger der Vakuumschaltkammern
und Magnetantrieb zu bewerkstelligen.
Der Magnetantrieb 3 soll nun durch bereits vorgeschlagene
Mittel so gesteuert werden, daß die Schaltstücke in der
Vakuumschaltkammer 1 synchronisiert in einem Zeitfenster
von 2<tSA<0 ms vor dem Stromnulldurchgang in der entsprechenden
Bezugsphase, nach Fig. 1 und Fig. 2 z. B. in
Phase R, öffnen. Die Steuereinrichtung des Magnetantriebs
enthält hierzu Mittel, die aus den Bewegungsvorgang
bestimmenden mechanischen und magnetischen Parametern des
Magnetantriebes Magnetfluß und Öffnungsweg, weiter aus
den Belastungsstrom und dessen Phasenlage der Bezugsphase
charakterisierenden Parametern Signale gewinnt, die der
synchronisierten Öffnung der Schaltstücke der Vakuumschaltkammer
dienen.
Die Öffnungsgeschwindigkeit bzw. die weitere Bewegung des
Magnetantriebes 3 bis zur Öffnung der Schaltstücke in den
Vakuumschaltkammern 2, Phase S und T des Drehstromsystems,
soll nun so bemessen sein, daß diese in einer Zeitdifferenz
von tp=5 ms (bei einer Frequenz von 50 Hz) bzw. von
5<tp-tSA<3 ms und gleichzeitig öffnen, Fig. 2.
Bei einer von 50 Hz abweichenden Netzfrequenz ist die
Zeitdifferenz tp zwischen Löschen des Vakuumlichtbogens im
Stromnulldurchgang in der erstlöschenden Phase bis zum
Stromnulldurchgang der beiden anderen, durch den Phasensprung
dann in Reihe liegenden Pole entsprechend zu bemessen.
Damit wird nach Fig. 2 in dem symmetrischen Drehstromsystem
bzw. bei einer symmetrischen Drehstromlast
(Motor) mit einer gegenüber einer Einzelpolsteuerung
wesentlich niedrigeren Aufwand eine Ausschaltung mit einem
ebenfalls vernachlässigbaren niedrigen Schaltstückabbrand
erreicht, der eine der mechanischen gleiche elektrische
Lebensdauer bei praktisch allen Belastungsarten ermöglicht.
Damit auch die schädlichen Auswirkungen bzw. der Schaltstückabbrand
durch Prellen während des Einschaltvorganges,
hervorgerufen durch hohe Ausgleichströme bei Zuschalten
von noch laufenden Motoren mit Restmagnetfeld, reduziert
werden, wird der Magnetantrieb so gesteuert bzw. bei einem
konstanten Einschaltverhalten so zugeschaltet, daß in den
beiden bei jedem Ausschaltvorgang zuletzt öffnenden, aber
zuerst schließenden Vakuumschaltkammern, bei jedem Einschaltvorgang
die Schaltstücke dann geschlossen werden,
wenn die beiden Spannungssysteme, d. h., das vom Netz und
das vom Restmagnetfeld im Motor induzierte, nur um einen
Winkel von ±Φ=±30° elektrisch voneinander abweichen,
Fig. 3. Beim Schalten von Kondensatoren oder induktiven
Verbrauchern könnte einer dieser beiden zuerst schließenden
Vakuumschaltkammern als Bezugsphase genommen werden
und ein Schließen dieser Vakuumschaltkammer bzw. der
Schaltstücke in einem Zeitfenster von ±2 ms vor bzw. nach
dem Stromnulldurchgang (bezogen auf ein eingeschwungenes
und symmetrisches Drehstromsystem) erfolgen.
In einer weiteren Verbesserung des Erfindungsgedankens
könnten in dem Vakuumschütz mit Gruppenantrieb und gesteuertem
Magnetantrieb bzw. Magnetantrieb mit konstantem
Bewegungsverhalten und zeitlich gestaffelter Schaltstücköffnung
bzw. gestaffeltem Schaltstückschließen in den zuerst
schließenden Phasen, nach Fig. 1 die Phasen S und T,
die Schaltstücke 5 ms vor dem Stromnulldurchgang in der
Phase R, bezogen auf ein eingeschwungenes Dreiphasensystem
mit 50 Hz, schließen und die Schaltstücke der Vakuumschaltkammer
in der Phase R in einem gleichen und zum
Ausschaltvorgang analogen Zeitabstand von 5 ms geschlossen
werden.
Damit werden Ausgleichsvorgänge bei einem Einschaltvorgang
zu beliebigen Zeitpunkten einer Stromhalbwelle zwar nicht
vollkommen vermieden, aber entscheidend reduziert.
Ein weiterer Vorteil des gesamten Erfindungsgedankens besteht
in der Möglichkeit, das einzusetzende Schaltstückvolumen
wesentlich zu verringern und gleichzeitig auch damit
das Schaltkammervolumen herabzusetzen. Der prinzipielle
Aufbau einer zur Realisierung der erfindungsgemäßen Lösung
notwendigen Steuerung des Magnetantriebes 3 ist in Fig. 4
dargestellt. Der Befehl zum Ein- und Ausschalten wird über
den Steuerschalter 7 (Hilfsschalter, Steuerschalter, elektronische
Steuerung u. a.) an den Prozessor 6 gegeben. Als
weitere Signale werden dem Prozessor 6 die Phasenlage des
Bezugsstromes IR (nach Fig. 1 und 2) und der Phasenwinkel
zwischen der Netzspannung UR und der vom Motor erzeugten
Restspannung URM bzw. die Differenz zwischen beiden Spannungen
zugeführt. Von dem Prozessor 6 wird daraus ein Signal
bzw. die Betätigung des Schaltgliedes 5 (Relais, steuerbarer
Halbleiter u. ä.) abgeleitet und zwar so, daß unter
der erfindungsgemäßen Voraussetzung einer konstanten Ein-
und Ausschaltverzugszeit des Vakuumschützes mit Magnetantrieb
3 und Vakuumschaltkammern 1 und 2 das Schließen als
auch Öffnen der Schaltstücke in dem erfindungsgemäßen Zeitfenster
erfolgt.
Als eine weitere und vorteilhafte Ergänzung des Erfindungsgedankens
kann dabei als Kriterium noch eingefügt werden,
daß ein Einschaltbefehl für den Magnetantrieb 3 durch den
Prozessor nur dann abgeleitet wird, wenn die zum sicheren
Betätigen des Magnetantriebes 3 erforderliche Mindestanzugsspannung
UBmin vorhanden ist. Eine weitere vorteilhafte
Auslegung des Erfindungsgegenstandes kann darin bestehen,
daß der Magnetantrieb 3 mit einer konstanten Ausschaltverzugszeit
von n · 10 ms (n=1) ausgelegt wird, bezogen
auf die zuerst öffnende Vakuumschaltkammer.
In diesem Fall kann als Signal für die Einleitung des Ausschaltvorganges
der Stromnulldurchgang des Belastungsstromes
in der Bezugsphase auf bekannte Weise und mit einfachen
Mitteln herangezogen werden.
Claims (4)
1. Verfahren zum Betrieb eines dreipoligen Vakuumschützes mit Gruppenan
trieb zum Schalten von Drehstromverbrauchern, bestehend aus drei Vakuum
schaltkammern, die durch einen gemeinsamen Gruppen-Magnetantrieb betätig
bar sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetantrieb (3) einen konstanten
und gleichbleibenden Ein- und Ausschaltverzug aufweist und daß
durch an sich bekannte mechanische Mittel bei jedem Ausschaltvorgang in einer
ausgewählten Vakuumschaltkammer (I) (Bezugsphase) die Schaltstücke
zuerst öffnen und in einer konstanten Zeitspanne die Schaltstücke der anderen
beiden Vakuumschaltkammern (2) gleichzeitig öffnen, daß die Öffnung
der Schaltstücke der Bezugsphase in bereits vorgeschlagener Weise durch
Steuerung des Magnetantriebes in Abhängigkeit von der Phasenlage des zu
unterbrechenden Stromes in einem Zeitfenster von 2 < tSA < 0 ms vor dem
natürlichen Stromnulldurchgang in dieser Phase erfolgt und daß die Zeit
spanne bis zum Öffnen der Schaltstücke der beiden anderen Vakuumschalt
kammern (2) bei einer Netzfrequenz von 50 Hz 5 ms beträgt und daß das
Schließen der Schaltstücke in den beiden zuletzt öffnenden aber zuerst
schließenden Vakuumschaltkammern (2) in vorgeschlagener Weise in einem
Zeitbereich von 2 ms vor oder nach dem Stromnulldurchgang in einer dieser
beiden Phasen erfolgt und daß danach in einer konstanten Zeitspanne von
5 ms die Schaltstücke in der zuerst öffnenden aber zuletzt schließenden Va
kuumschaltkammer schließbar sind.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ein- und
Ausschaltbefehl mittels Prozessor (6) ableitbar ist aus einer Messung der
Phasenlage des Stromes in der jeweiligen Bezugsphase, der Messung der
Höhe der Betätigungsspannung für den Magnetantrieb (3) sowie einem Vergleich
der Phasenlage zwischen Netz- und Motorrestspannung.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß vom Prozesor
(6) nur dann ein Signal für das Schließen der Schaltstücke in der
für das Schließen gewählten Bezugsphase abgebbar ist, wenn die Abweichung
zwischen Netz- und Motorrestspannung nicht mehr als ±30% elektrisch
beträgt.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetan
trieb (3) mit einer konstanten Ausschaltverzugszeit von n · IO ms ausgelegt
ist und daß als Ausschaltsignal der Stromnulldurchgang der Bezugsphase
Verwendung findet.
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