DE3611270C2

DE3611270C2 - Elektrische Schalteinrichtung für hohe Schaltspannungen

Info

Publication number: DE3611270C2
Application number: DE3611270A
Authority: DE
Inventors: Karl Dipl Ing Stegmueller
Original assignee: Sachsenwerk AG; AEG Sachsenwerk GmbH
Current assignee: Schneider Electric Sachsenwerk GmbH
Priority date: 1986-04-04
Filing date: 1986-04-04
Publication date: 1995-08-17
Anticipated expiration: 2006-04-05
Also published as: CA1289995C; US4814559A; DE3611270A1; EP0239783A2; EP0239783A3

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Schalteinrichtung für hohe Schaltspannungen nach dem Oberbegriff des ersten Patentanspruches.

Bei einer elektrischen Schalteinrichtung dieser Art (DE-AS 12 36 052) sind Mittel zur Potentialsteuerung und Dämpfung mit Hilfe von Kondensatoren, Induktivitäten und Widerständen vorgesehen, wobei jeweils zwei Leistungsschaltstellen mit unterschiedlicher Löschwirkung in Reihe geschaltet sind und beim Abschalten des Stromes eine Schaltstelle eine schnelle elektrische Verfestigung aufweist und die andere über eine längere Zeitdauer auf einen hohen Spannungswert verfestigt. Um die Abschaltsicherheit auch bei hohen Einschwingspannungen im zu schaltenden Netz beherrschen zu können, sind bei Verwendung von Kondensatoren und Widerständen die Kondensatoren den Schaltstellen mit hoher Spannungsfestigkeit und die Widerstände den Schaltstellen mit schneller elektrischer Verfestigung parallel geschaltet, während bei Verwendung von Induktivitäten und Widerständen den Schaltstellen mit hoher Spannungsfestigkeit die Widerstände und den Schaltstellen mit schneller elektrischer Verfestigung die Induktivitäten parallel geschaltet sind. Die schnell verfestigenden Schalter können dabei für relativ kleine Spannungen ausgelegt werden, da die in Reihe liegenden Schalter mit hoher Spannungsfestigkeit die gesamte Spannungsfestigkeit allein bestimmen. Die Betätigung der beiden Schalter erfolgt synchron. Bei diesem Aufbau ist von Nachteil, daß zusätzliche elektrische Bauelemente erforderlich sind, die den hohen im Betrieb auftretenden Spannungen standhalten müssen und daher technisch aufwendig sind sowie erheblichen Platz beanspruchen.

Daneben sind auch Unterbrecher für Gleichstromkreise bekanntgeworden.

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 31 31 271 A1 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 der DE 29 34 776 A1 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. Anhand der 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 S1 und S2 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 S1 beginnenden Lastkennlinie LS1 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 KT2 des Schalters S2 liegt um das Intervall Δt später; die zugehörige Lastkennlinie LS2 beginnt zum Zeitpunkt KT2, sie steigt linear mit vergleichsweise geringer Steilheit auf einen Endwert an, der deutlich größer als der von LS1 ist. Der Höchstwert der Lastkennlinie LS1 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 S1 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 LS1 zu einer erneuten Zündung des Lichtbogens und somit zu einer Rückzündung des Schalters führen. Durch die Reihenschaltung des Schalters S1 mit dem Schalter S2, der um ein Intervall Δt später öffnet, läßt sich eine Lastkennlinie LS_ges erzeugen, die eine sichere Unterbrechung kapazitiver Ströme ermöglicht. Erfindungsgemäß ist Δt 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 S1 und S2 mit x₁ als Kontaktweg des Schalters 1 und x₂ als Kontaktweg des Schalters 2 gezeigt. Als Schalter S1 ist ein kleiner Vakuumlastschalter mit bezogen auf die Betriebsspannung des Systems niedriger Spannungsfestigkeit vorgesehen, der von einem Antrieb S11 gesteuert wird. Als Schalter S2 können einfach aufgebaute Lastschalter, die mit einem hochwertigen Isoliermedium, wie SF 6, N₂ oder Schalteröl arbeiten, vorgesehen werden. Sie werden über den Kurbeltrieb S21 von einem nicht dargestellten Antrieb betätigt. Da der Schalter S2 nach dem Erfindungsgedanken um die Zeitdifferenz Δt 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 S2 keine eigentliche Löscheinrichtung benötigen. Um jedoch für die gesamte Schalteinrichtung möglichst lange Wartungsintervalle zusagen zu können, empfiehlt sich die Bestückung der Schaltkontakte des Schalters S2 mit Kontaktteilen 21 und 22 aus abbrandfestem Werkstoff. (Fig. 5).

Nach einem zusätzlichen Merkmal der Erfindung kann das Isoliermedium des Schalters S2 gleichzeitig auch zur Erhöhung der äußeren Isolationsfestigkeit des Schalters S1 verwendet werden. Dadurch wird es möglich, für S1 listenmäßige Vakuumschalter einer relativ geringen Nennspannung einzusetzen. Da die Lichtbogenbelastung im Schalter S2 durch die um Δt verzögerte Kontaktöffnung nur sehr gering ist, tritt auch nach vielen Schaltvorgängen keine nennenswerte Minderung des Isoliervermögens der Schalteinrichtung ein.

Die Antriebe der Schalter S1 und S2 sind über bekannte, nicht dargestellte, weil nicht erfindungswesentliche, mechanische oder elektrische Mittel so synchronisiert, daß die Kontaktöffnungen um das Zeitintervall Δt 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 S1 und S2 angegeben.

Bei Schalterstellung I sind beide Schalter geschlossen, der Betriebsstrom fließt über die Schalter S1 und S2 zum Verbraucher V oder zum Kondensator C.

In der Schalterstellung II hat Schalter S1 geöffnet, während Schalter S2 noch geschlossen ist, an den Elektroden von Schalter S1 brennt ein Lichtbogen Li (siehe Fig. 1).

In Fig. 3 ist in Schalterstellung IIIa der Lichtbogen erloschen und i_L=0. Der Schalter S1 hat dabei nahezu völlig geöffnet und beherrscht die Schaltspannung Û_WL. Der Unterbrechungsvorgang ist beendet, obwohl der Schalter S2 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 KT2 des Schalters S2, der Strom i_c ist bis dahin von dem Schalter S1 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 S1 und S2 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 LS1 auf einen Wert festzulegen, der größer als 2,5 × Û_ph ist, während nach der Kontakttrennung von Schalter S2 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 S1 und S2 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 S1 als Vakuumschalter in den mit einem Schwenkarm 13 versehenen Schalter S2 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
Δt Zeitintervall
A Schnittpunkt
S1, S2 Schalter 1, Schalter 2
KT1, KT2 Kontakttrennung der Schalter S1, S2
LS1, LS2 Lastkennlinie der Schalter S1, S2
LS_ges Lastkennlinie der Reihenschaltung S1 und S2
X, X₁, X₂ Kontaktweg
S11 Antrieb von S1
S21 Kurbeltrieb für S2
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

1. Elektrische Schalteinrichtung für hohe Schaltspannungen, die aus mindestens zwei in Reihe geschalteten, mit Steuerungselementen zur Spannungsverteilung versehenen Schaltern (S1, S2) verschiedenen Löschprinzips mit unterschiedlichem dielektrischem Verhalten unmittelbar nach dem Nulldurchgang des zu unterbrechenden Stromes besteht, von denen

- ein erster Schalter (S1) einen steilen Anstieg der Spannungsfestigkeit bei einem einen Bruchteil der erforderlichen Gesamtspannung betragenden Höchstwert der Spannungsfestigkeit aufweist und vorzugsweise ein Vakuumschalter ist, und
- ein zweiter Schalter (S2) einen vergleichsweise flachen Anstieg der Spannungsfestigkeit mit einem Höchstwert, der über dem des ersten Schalters (S1) liegt, aufweist und vorzugsweise ein Gasschalter ist, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Netz bestimmter Nennspannung
- der erste Schalter (S1) ein Schalter mit einer 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 Schalters (S2) unterbrechen kann,
- der zweite Schalter (S2) ein Schalter mit vergleichsweise kleinerem Schaltvermögen ist, dessen Schaltkontakte ein mehrere Millisekunden betragendes Zeitintervall (Δt) nach dem ersten Schalter (S1) öffnen,
- die Reihenschaltung beider Schalter (S1, S2) kapazitive Ströme auch unter Erdschlußbedingungen mit bezogen auf die Netzspannung vergleichsweise großen Schaltspannungen rückzündungsfrei unterbrechen kann, wobei die Spannungsverteilung über die beiden geöffneten Schalter (S1, S2) vorzugsweise durch deren Eigen- und Erdkapazitäten gesteuert werden kann.

2. Elektrische Schalteinrichtung für hohe Schaltspannungen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Zeitintervall (Δt) gleich der mittleren Lichtbogenzeit für mit induktiven Anteilen versehene Lastströme ist.

3. Elektrische Schalteinrichtung für hohe Schaltspannungen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als erste Schalter (S1) ein Vakuumschalter mit relativ zur Netzspannung kleiner Betriebsspannung und als zweiter Schalter (S2) ein Lastschalter kleiner Leistung mit einem gasförmigen Löschmittel, vorzugsweise SF6 eingesetzt ist.

4. Elektrische Schalteinrichtung für hohe Schaltspannungen nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Schalter (S2) keine abgeschlossene Löschstrecke aufweist und daß sein Löschmittel gleichzeitig die äußere Isolation des ersten Schalters (S1) erhöht.

5. Elektrische Schalteinrichtung für hohe Schaltspannungen nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Schalter (S2) gleichzeitig auch die Funktion eines Trennschalters hat.

6. Elektrische Schalteinrichtung für hohe Schaltspannungen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Schalter (S1) und (S2) getrennte, mechanisch oder elektrisch miteinander gekoppelte Antriebe haben.

7. Elektrische Schalteinrichtung für hohe Schaltspannungen nach einem der Ansprüche 1, 3 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter (S1) in den Schwenkarm (13) des Schalters (S2) integriert ist und abhängig von dessen Stellung zwangsläufig betätigt wird.

8. Elektrische Schalteinrichtung für hohe Schaltspannungen nach einem der Ansprüche 1, 5 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere, vorzugsweise drei dreipolige Schalteinrichtungen (S1, S2) in eine gemeinsame gas- bzw. flüssigkeitsdichte Kapselung eingebaut sind.

9. Elektrische Schalteinrichtung für hohe Schaltspannungen nach einem der Ansprüche 1, 4, 5, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter (S2) eine Isolierflüssigkeit, vorzugsweise Schalteröl als Löschmittel verwendet.

10. Elektrische Schalteinrichtung für hohe Schaltspannungen nach einem der Ansprüche 1, 5, 7, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter (S2) neben der Betriebs- und Trennstellung auch eine dritte Stellung zur Erdung aufweist und daß der Erdungsvorgang durch aufeinanderfolgendes Schließen der Schalter (S2) und (S1) erfolgt.

11. Elektrische Schalteinrichtung für hohe Schaltspannungen nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß in der gasdichten Kapselung (23) der Schalt einrichtung ein Feuchte-Absorber (24) vorge sehen ist.