CH659330A5 - Zweikreispruefschaltung fuer hochspannungs-leistungsschalter und verfahren zum betrieb der schaltung. - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltung gemäss dem Oberbegriff des Anpsruchs 1 sowie ein Verfahren zum Betrieb der Schaltung. Aus dem Buch «Prüfung von Hoch-spannungs-Leistungsschaltern», Springer-Verlag, 1966, S. 243, ist bereits die sogenannte Weil-Dobke-Schaltung bekannt. Sie ermöglicht es, Schalter im Labor zu prüfen, deren Schaltleistung das Leistungsvermögen der im Labor zur Verfügung stehenden Energiequellen weit übersteigt. Dabei wird der Umstand ausgenutzt, dass die Schaltleistung als Proudukt des Kurzschlussstroms und der wiederkehrenden Polspannung keine Wirkleistung ist, weil beide Faktoren den Schalter zeitlich nacheinander belasten. Der Kurzschlussstrom und die wiederkehrende Polspannung können daher verschiedenen Kreisen dem Hochstromkreis und dem Hochspannungskreis, entnommen werden. Da der Hochstromkreis den Kurzschlussstrom bei relativ kleinen Spannungen durch den Prüfschalter treibt und der Hochspannungskreis nur für kurze Zeit mit einem geringen Strom belastet wird, kann man in dieser Schaltung mit vergleichsweise leistungsschwachen Kreisen eine hohe Schaltleistung prüfen. Der zeitliche Verlauf des Kurzschlussstromes aus dem Hochspannungskreis und der nachfolgenden Einschwingspannung (TRV) ist in genormten Prüfbedingungen festgelegt. Er wird unter anderem von den in der Schaltung vorhandenen Kapazität und Induktivität bestimmt. Die Kondensatorbatterie des Hochspannungskreises erfüllt in diesem Zusammenhang eine doppelte Funktion. Einerseits dient sie als Energiespeicher für die in der Schwingstromphase im Lichtbogen des Prüfschalters benötigte Leistung. Andererseits bildet sie zusammen mit der Induktivität und der zweiten Kapazität einen schwingungsfähigen Hochspannungskreis, dessen Eigenfrequenz von unmittelbarer Bedeutung für den zeitlichen Verlauf der TRV ist. Bei vorgegebener Induktivität besteht daher ein direkter Zusammenhang zwischen der erreichbaren Prüfleistung und der Grösse der im Hochspannungskreis liegenden Kapazitäten, so dass Erhöhung der Prüfleistung mit einer Vergrösserung dieser Kapa-täten einhergeht. Da die verwendeten Kondensatoren aufgrund der erforderlichen Grenzdaten sehr teuer sind, ist eine Erhöhung der Prüfleistung auf diesem Wege kostspielig.

Der vorliegenden Erfindung liegt insbesondere die Aufgabe zugrunde, die Prüfleistung der Prüfschaltung ohne Vergrösserung der im Hochspannungskreis liegenden Kapazitäten zu erhöhen.

Diese Aufgabe kann mittels der Elemente des kennzeichnenden Teils der Ansprüche 1 und 8 gelöst werden.

In einem ersten Ausführungsbeispiel gemäss der Erfindung ist die variable Induktivität an Stelle der bisher konstanten Induktivität zur Kondensatorbatterie in Serie geschaltet. Sie verändert ihren Wert während des Prüfungsablaufs und ermöglicht so eine Anpassung der Parameter des Hochspannungskreises an die unterschiedlichen Erfordernisse während der verschiedenen Prüfphasen.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist eine variable Induktivität vorgesehen, deren Wert über eine Steuerleitung entsprechend dem jeweiligen Betriebszustand der Prüfschaltung eingestellt werden kann.

Bei einem weiteren, bevorzugten Ausführungsbeispiel besteht die variable Induktivität aus mindestens zwei in Serie geschalteten Induktivitäten, deren eine durch einen steuerbaren Schalter kurzgeschlossen werden kann, so dass eine steuerbare, variable Induktivität mit zwei möglichen Induktivitätswerten entsteht.

Als Schalter kann in dieser Anordnung vorteilhaft ein Vakuumschalter verwendet werden, dessen Ansteuerung gemäss einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel über eine Steuerleitung sowie einen zusätzlichen Entladungskreis erfolgt.

Nachfolgend werden anhand von Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Dabei zeigt:

Fig. 1 erfindungsgemässe Schaltung, bei der eine variable Induktivität zur Kondensatorbatterie in Reihe geschaltet ist;

Fig. 2 den zeitlichen Verlauf der Ströme und Spannungen im Prüfschalter während des Prüfungsablaufs;

Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Schaltung mit zwei Einzelinduktivitäten und einem steuerbaren Schalter;

Fig. 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Schaltung mit

2

5

10

IS

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

3

659 330

einem Vakuumschalter und einem zusätzlichen Entladungskreis.

In Fig. 1 ist ein zu prüfender Schalter 5 zugleich Teil des Hochstrom- und Hochspannungskreises. Der Hochstromkreis besteht aus einem Kurzschlussgenerator 1, einem Anlagenschalter 2, einem Hochstromtransformator 3 und einem Blockierschalter 4. Der Hochspannungskreis setzt sich zusammen aus einer Kapazität 6, einer variablen Induktivität 7, einer Funkenstrecke 8 sowie einer Kondensatorbatterie 9.

Die Wirkungsweise der Schaltung sei anhand der in Fig. 2 dargestellten, während des Prüfungsablaufes im Prüfschalter auftretenden Ströme und Spannungen erläutert:

Vor der Prüfungsphase (t < to) sind die Schalter 2,4 und 5 geschlossen. Der Kurzschlussgenerator treibt einen sinusförmigen Kurzschlussstrom is durch den Prüfschalter 5. Die Funkenstrecke 8 ist nicht gezündet. Der Hochspannungskreis beeinflusst daher in dieser Phase den Stromfluss durch den Prüfschalter nicht.

Im Zeitpunkt to werden Blockierschalter 4 und Prüfschalter 5 geöffnet. Aufgrund der in den Schaltern entstehenden Lichtbögen fliesst der Kurzschlussstrom is gemäss Kurve 10 ungehindert weiter. Der erste Teil der Kurzschlussstromphase dauert bis zur Zeit ti. Dann wird über eine geeignete Steuerung die Funkenstrecke 8 gezündet und die Kondensatorbatterie 9, die vor Beginn der Prüfung auf einen definierten Spannungswert aufgeladen worden ist, lädt sich über die Induktivität 7 und den Prüfschalter 5 mit einem Schwingstrom um, der sich bei entsprechender Polung der Ladespannung zum Generatorstrom des Hochstromkreises addiert. Der zeitliche Verlauf des Schwingstromes ist als Kurve 11 in Fig. 2 dargestellt.

Der Nulldurchgang des Generatorstromes zum Zeitpunkt t2 führt zum Erlöschen des Lichtbogens im Blockierschalter 4, so dass von diesem Zeitpunkt an der Prüfschalter 5, vom Hochstromkreis abgekoppelt, nur noch im Hochspannungskreis liegt. Die Strombelastung des Prüfschalters wird damit vom Schwingstrom allein übernommen. Amplitude und Periode des Schwingstromes sind so gewählt, dass seine Stromsteilheit di/dt im Nulldurchgang t3 möglichst weitgehend der Stromsteilheit des Generatorstroms im Nulldurchgang t2 entspricht. Dadurch wird erreicht, dass der zeitliche Verlauf der Strombelastung während der Übernahmeperiode (ti < t < t3) möglichst ungestört dem ursprünglichen Verlauf des Generatorstromes folgt. In der Übernahmeperiode oder auch Schwingstromphase hat die variable Induktivität 7 vorteilhafterweise einen festen Wert L, der zusammen mit der Kapazität C der Kondensatorbatterie 9 die Dauer der Schwingstromhalbwelle bestimmt. Im Zeitpunkt t3, am Ende der Schwingstromphase, nimmt die variable Induktivität 7 einen anderen Wert L' an. Gleichzeitig ist die Umladung der Kondensatorbatterie 9 abgeschlossen. Der Lichtbogen im Prüfschalter 5 erlischt ebenfalls, und es baut sich am offenen Schalter, gemäss Kurve 12 aus Fig. 2, eine Einschwingspannung us mit einer bestimmten Anfangssteigung du/dt auf, die nach einer kurzen Einschwingzeit in die wiederkehrende Polspannung uP übergeht. Die kritische Belastung des Prüfschalters resultiert aus dem Zusammenspiel des durch Null gehenden Kurzschlussstromes is und der unmittelbar anschliessenden Einschwingspannung Us. Die Prüfleistung, die mit der Schaltung erreicht werden kann, ist daher eine Funktion der Steilheit di/dt des Schwingstromes im Nulldurchgang, der Kreisfrequenz coe der Einschwingspannung sowie der Ladespannung ULder Kondensatorbatterie 9. Die Kreisfrequenz coe der Einschwingspannung entspricht der Eigenfrequenz des Schwingkreises, der bei offenem Prüfschalter aus den in Serie liegenden Kapazitäten 6 und 9 und der variablen Induktivität 7 gebildet wird. Unter der Voraussetzung, dass der Wert Ci der Kapazität 6 sehr viel kleiner ist als der Wert C2 der Kondensatorbatterie 9 (Ci « C2) und die variable Induktivität 7 ihren Wert im Zeitpunkt t3 von L auf 5 L' geändert hat, ergibt sich für die Grösse der Eigenfrequenz (Kreisfrequenz):

co,

V Cl • L'

10

Weiterhin ist unmittelbar einsichtig, dass zwischen der Ladespannung Ul, dem Wert L der variablen Induktivität 7 in der Schwingstromphase und der Stromsteilheit des Schwingstromes im Nulldurchgang der folgende Zusammenhang besteht:

15 di/dt = uL/L

Der zeitliche Verlauf der Einschwingspannung us, der in den Prüfnormen durch 2 bzw. 4 Parameter festgelegt ist, bestimmt sich aus der Ladespannung Ul und der Kreisfre-20 quenz coe. Bei vorgegebener Prüfleistung, d.h. bei vorgegebenen Werten di/dt, Ul und coe, folgt aus dem oben Gesagten direkt der Wert L der variablen Induktivität 7 in der Schwingstromphase. Das Wertepaar Ci, L' dagegen kann frei gewählt werden, vorausgesetzt, dass das Produkt (Ci • L') 25 konstant bleibt. Behält die Induktivität 7 während des gesamten Prüfungsablaufs einen festen Wert bei, ist also L = L\ wie in der Schaltung nach dem Stand der Technik, kann der Wert Ci der Kapazität nicht länger frei gewählt werden, so dass einer bestimmten Prüfleistung ein bestimmtes Ci und 3» damit ein entsprechendes C2 zugeordnet ist. Im Gegensatz dazu ermöglicht es die erfindungsgemässe, variable Induktivität beispielsweise ein L' > L zu wählen und dadurch, bei unveränderter Prüfleistung, Ci nach Massgabe der genannten Gleichungen zu verkleinern, weil durch die 35 Änderung des Induktivitätswertes von L auf L' zum Zeitpunkt t3 die beiden o.a. Gleichungen entkoppelt werden. Geht man umgekehrt von einem festen Ci und C aus, erhöht sich durch Verwendung der variablen Induktivität die Prüfleistung. Der entstehende Mehraufwand für die variable 40 Induktivität kann dabei erheblich geringer sein, als bei einer entsprechenden Vergrösserung der Kapazitäten.

Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass der zeitliche Verlauf der Einschwingspannung unabhängig von der Steilheit des Schwingstromes verändert 45 und die Prüfschaltung daher flexibler an die verschiedenen Prüfnormen angepasst werden kann.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der variablen Induktivität 7 ist in Fig. 3 wiedergegeben. Die Gesamtinduktivität besteht aus zwei Einzelinduktivitäten 14 und 20, von denen so die eine durch einen parallel liegenden, steuerbaren Schalter 13 überbrückt werden kann. Sie ist daher veränderbar und kann über die Steuerung des Schalters mit dem Prüfungsablauf synchronisiert werden. Sie kann, abhängig von der Stellung des Schalters, zwei Werte annehmen, die sich aus 55 den Werten der Einzelinduktivitäten ergeben.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der variablen Induktivität ist in Fig. 4 dargestellt. Zwischen den Einzelinduktivitäten 14 und 20 ist eine weitere Funkenstrecke 17 angeordnet. Parallel zu dieser Funkenstrecke liegt 60 ein Hilfskreis, der aus dem Hilfskondensator 16, einem Entladungswiderstand 18 und einem steuerbaren Schalter 19 besteht. Zusätzlich ist ein Widerstand 15 zur Induktivität 14 parallel geschaltet. Der Hilfskondensator 16 ist als Ladungsspeicher wirksam und kann über eine übliche, nicht einge-65 zeichnete Versorgungseinrichtung aufgeladen werden. Der Hilfskreis bildet einen Entladungskreis.

Die Funktionweise der gesamten Schaltung ergibt sich aus dem zeitlichen Ablauf des Prüfungsvorganges, wie er in Fig.

659330

2 wiedergegeben ist. Im ersten Abschnitt der Hochstromphase (to < t <ti) sind Blockierschalter 4 und Prüfschalter 5 geöffnet, führen aber den Kurzschlussstrom is über ihre Lichtbögen. Schalter 13 ist in dieser Zeit geschlossen und der aufgeladene Hilfskondensator 16 durch den geöffneten Schalter 19 vom Hochspannungskreis getrennt. Bevor im Zeitpunkt ti durch Zündung der Funkenstrecke 8 die Schwingstromphase eingeleitet wird, schliesst Schalter 19 und der Entladestrom des Hilfskondensators 16 fliesst u.a. über den Entladungswiderstand 18 durch Schalter 13 und erhält einen Gleichstrom-Lichtbogen von etwa 10A aufrecht, wenn dieser Schalter kurz darauf geöffnet wird. Ist dieser Zustand erreicht, beginnt die Schwingstromphase (t > ti), wobei die Steilheit des Schwingstromes im Nulldurchgang ausser durch die Ladespannung Ul der Kondensatorbatterie 9 nur noch durch den Wert Li der Induktivität 20 bestimmt wird, weil die Induktivität 14 mit dem Wert Li infolge des Lichtbogens im Schalter 13 kurzgeschlossen ist. Erst im Nulldurchgang des Schalterstromes iv (Fig. 4), der aus den Kapazitäten 16 und 9 gespeist wird, erlischt der Lichtbogen im Schalter 13. Der darauffolgende Spannungsanstieg an diesem Schalter zündet Funkenstrecke 17 und schaltet Induktivität 14 in Serie zu Induktivität 20, so dass der zeitliche Verlauf der Einschwingspannung dann im wesentlichen durch die Werte (Li + L2) und Ci (Kapazität 6) bestimmt wird.

Da der Schalterstrom iv zusätzlich zum Schwingstrom der Kondensatorbatterie 9 auch noch den Entladestrom des Entladungskreises enthält, ist der Nulldurchgang dieses Schalterstromes gegenüber dem Schwingstrom zeitlich verzögert. Mit derselben Verzögerungszeit erlischt dann auch der Lichtbogen in Schalter 13 gegenüber dem in Prüfschalter 5. Das hat zur Folge, dass eine gewisse Ladungsmenge während der Verzögerungszeit in die Kapazität 6 abfliesst und dort eine Anfangsspannung (ITRV) erzeugt, mit der der Prüfschalter über die übliche Einschwingspannung (TRV) hinaus beaufschlagt wird. Um die ITRV niedrig zu halten, sollte der Strom des Endladekreises möglichst klein gehalten werden. Ausserdem ist vorteilhafterweise eine Paralleldämpfung des Entladungskreises vorgesehen, die durch Widerstand 15 realisiert werden kann.

Die Kosten für die in der erfindungsgemässen Schaltung benötigten zusätzlichen Elemente sind vergleichsweise gering, zumal an die Grenzdaten des Hilfskondensators 16 keine hohen Anforderungen gestellt werden. In einer entsprechenden Versuchsschaltung wurde beispielsweise eine Kapazität von 1 mF und einer Nennspannung von 1200 V eingesetzt.

An den Schalter 13 werden extreme Anforderungen gestellt: Er soll ein Abschaltvermögen bis zu hohen Stromsteilheiten von 100 A/(is haben. Seine Wiederverfestigung auf den stationären Wert soll innerhalb von 10-20 n,s abgeschlossen sein. Zudem sollen Lichtbogenspannung, Eigenkapazität und Nachstrom möglichst klein gehalten sein. Alle diese Bedingungen werden am ehesten von einem Vakuumschalter erfüllt. Insbesondere das Abschaltvermögen bei hohen Stromsteilheiten sowie die extrem schnelle Wiederverfestigung sind mit Vakuumschaltern gut erreichbar, sofern der Lichtbogen vor der Löschung diffus war. Letzteres ist im Anwendungsfall sicherlich gegeben, da einerseits die Amplitude des Schwingstromes 10 kA nicht überschreitet und andererseits die Stromflussdauer mit 500-1000 jis eine Lichtbogenkontraktion erschwert. Ein weiterer Vorteil des Vakuumschalters in der erfindungsgemässen Anwendung ist die geringe erforderliche Antriebsenergie, da weder die Öffnungsgeschwindigkeit noch die Kontaktkraft besonders hoch sein müssen.

Daher wird in der vorliegenden Erfindung für den Schalter 13 vorteilhaft ein Vakuumschalter verwendet.

Im Gegensatz dazu sind die Anforderungen an den Schalter 19 des Entladungskreises gering. Gemäss einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist daher ein Schütz ausreichend, das nach bekannten Methoden zur geeigneten Zeit angesteuert wird.

Die Erhöhung der Prüfleistung mit der erfindungsgemässen Schaltung kann am Beispiel eines 2-Kammer-Schal-ters mit den Kenndaten 550 kV/50 kA/60 Hz verdeutlicht werden. Für eine Spitzenspannung von 520 kV und Steilheiten du/dt =1,1 kV/p,s und di/dt = 26,6 A/jxs benötigt in der Schaltung nach dem Stand der Technik bei der Ladespannung Ul = 477 kV Kapazitätswerte von Ci = 8 ^F und C2 = 24 nF. Der Wert L (= L') der Induktivität 7 beträgt 17 mH. In der erfindungsgemässen Schaltung sind dagegen bei Ul = 424kVnurKapazitätswertevonCi = 0,19 jj.F und C2 = 1,71 (i.F erforderlich, wobei die Induktivität ihren Wert im Zeitpunkt t3 von L = 15,2 mH auf L' = 465,2 mH ändert. Diese Verkleinerung der Kapazitätswerte bei gleicher Prüfleistung entspricht einer Erhöhung der Prüf leistung bei gleichen Kapazitätswerten um das 3,6fache.

Insgesamt ergibt sich aus der vorliegenden Erfindung ein Synthetikprüfkreis, dessen Flexibilität durch die Steuerbarkeit der Elemente erhöht ist und dessen Prüf leistung kostengünstig vergrössert werden kann, was bei den ständig steigenden Schalterleistungen im Prüflabor zunehmend an Bedeutung gewinnt.

4

s

10

15

20

25

30

35

40

45

B

2 Blatt Zeichnungen

Claims (11)

659330 PATENTANSPRÜCHE

1. Zweikreisprüfschaltung für Hochspannungs-Leistungs-schalter mit einem Hochstrom- und einem Hochspannungskreis, wobei der Hochspannungskreis eine Kondensatorbatterie (9), eine Funkenstrecke (8) und eine Induktivität (7) enthält, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktivität (7) in ihrer Grösse veränderbar ist.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die variable Induktivität (7) zur Kondensatorbatterie (9) in Serie geschaltet ist.

3. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die variable Induktivität (7) steuerbar ist.

4. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die variable Induktivität (7) aus mindestens zwei in Serie geschalteten Induktivitäten (14,20) besteht und parallel zu einer Induktivität (14) ein erster steuerbarer Schalter (13) liegt.

5. Schaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste steuerbare Schalter (13) ein Vakuumschalter ist.

6. Schaltung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Induktivitäten (14,20) eine Funkenstrecke (17) angeordnet ist, dass der erste steuerbare Schalter (13) parallel zur Reihenschaltung, gebildet aus Induktivität (14) und Funkenstrecke (17) liegt, dass parallel zur Induktivität (14) ein Widerstand (15) geschaltet ist und dass parallel zur Funkenstrecke (17) ein Entladungskreis angeordnet ist, der aus einem Hilfskondensator (16), einem Entladungswiderstand (18) und einem zweiten steuerbaren Schalter (19) besteht.

7. Schaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite steuerbare Schalter (19) ein Schütz ist.

8. Verfahren zum Betrieb einer Schaltung nach Anspruch 1, bei dem durch Zünden der Funkenstrecke (8) eine Schwingstromphase eingeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die variable Induktivität (7) in ihrem Wert am Ende der Schwingstromphase (t3) von L auf L' ^ L geändert wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass L' > L eingestellt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 8 zum Betrieb einer Schaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste steuerbare Schalter (13) während der Schwingstromphase geschlossen gehalten und am Ende der Schwingstromphase (t3) geöffnet wird.

11. Verfahren nach Anspruch 8 zum Betrieb einer Schaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass vor Beginn der Schwingstromphase (ti) zunächst vom Hilfskondensator ( 16) über den Entladungswiderstand ( 18) und den zweiten steuerbaren Schalter (19) ein Entladungsstrom durch den ersten steuerbaren Schalter (13) geleitet und dann der erste steuerbare Schalter (13) geöffnet wird.