CH668664A5 - Gasisolierter lasttrenner. - Google Patents

Description

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PATENTANSPRUCH Gasisolierter Lasttrenner, gekennzeichnet durch zwei Paare in Serie geschalteter Lichtbogenkontakte (10a, 10b, 13b, 20), die praktisch gleichzeitig trennbar sind und ein Paar Hauptkontakte (7, 13) in Parallelschaltung zu den zwei in Serie geschalteten Paaren Lichtbogenkontakte (10a, 10b, 13b, 20), welche Hauptkontakte (7, 13) voneinander trennbar sind, bevor die Lichtbogenkontakte (10a, 10b, 13b, 20) getrennt werden.

BESCHREIBUNG

Die Erfindung bezieht sich auf einen gasisolierten Lasttrenner, der zur Unterbrechung von Schleifenströmen geeignet ist.

In elektrischen Kraftwerken werden Trenner üblicherweise neben den Leistungsschaltern installiert und dienen zur Isolierung des Stromkreises nach einer Unterbrechung des Stromes durch einen Leistungsschalter oder zum Schalten von. Übertragungsleitungen. Die erstere Funktion ist eine Trennung eines nichtbelasteten Stromkreises durch einen Leistungsschalter. Im Moment der Trennung eines solchen Stomkreises durch einen Trenner entsteht wegen der hohen Schalt-Überspannnung normalerweise ein Lichtbogen zwischen den Kontaktteilen. Dies ist auf die langsame Schaltgeschwindigkeit des Trenners, verglichen mit derjenigen eines Leistungsschalters, zurückzuführen. Es ist deshalb üblich, den Trennschaltern Widerstände zuzuordnen, um die Schalt-Überspannungen zu unterdrücken.

Als Beispiel für die zweite Funktion ist das Schalten von Haupt-Sammelschienen in Kraftwerken zu erwähnen. In Figur 1 ist das Umschalten zwischen zwei Sammelschienen A und B beispielsweise vom Zustand (a) in den Zustand (b), mit einem Schwefelhexafluorid-Gas-Schalter (SFs) gezeigt. Dabei wird ein Strom, der fast den Nennstrom erreicht, über die Schalter AI, Bl, die einen Schleifenstromweg bilden, unterbrochen. Zur Trennnung eines nichtbelasteten Stromkreises oder einer Stromschleife wird oft ein Lasttrenner verwendet.

Ein herkömmlicher Lasttrenner ist in Figur 2 abgebildet und umfasst ein Gehäuse 1, das mit einem Löschgas gefüllt ist. Das Gehäuse 1 ist durch Scheiben 2 und 3 abgedichtet, die jeweils zwei Klemmen 4 und 5 aufweisen. Ein leitfähiges Abschirmgehäuse 6 ist an der Klemme 4 befestigt. Am anderen Ende ist das Gehäuse 6 mit einer Öffnung 6a versehen. Ein Hauptkontakt 7 ist am Gehäuse 6 derart befestigt, dass er der Öffnung 6a genau gegenübersteht. Dabei ist dieser Hauptkontakt 7 mit dem inneren Gehäuse 6 elektrisch leitend verbunden. Am einen Ende ist das Gehäuse 6 über Widerstandselemente 8 mit einem zylindrischen Federgehäuse 9 verbunden, das sich in Richtung des Hauptkontaktes 7 erstreckt. Ein Haltestab 10 taucht an einem Ende in das Federgehäuse 9 ein und ist am anderen Ende mit einem Lichtbogenkontakt 10a aus einem Material versehen, das nicht durch die Lichtbogentemperatur zerstört wird. In dieser Konstruktion kann der Lichtbogenkontakt 10a soweit verschoben werden, dass er durch die Öffnung 6a aus dem Abschirmgehäuse 6 herausragen kann. Der Lichtbogenkontakt 10a ist auf der anderen Seite über den Haltestab 10 und das Federgehäuse 9 mit Widerstandselement 8 verbunden. Eine Feder 11 hält den Haltestab 10 unter mechanischer Spannung, so dass er bei freier Beweglichkeit aus dem Abschirmgehäuse 6 ragen würde. Ein Schutzgehäuse 12 aus leitfähigem Material ist an der zweiten Leiterklemme 5 befestigt. Dieses Gehäuse 12 hat eine Öffnung 12a. Ein Hauptkontakt 13 ist verschiebbar im Schutzgehäuse 12 gelagert und trägt an einem Ende einen Lichtbogenkontakt 13a, der ebenfalls aus einem lichtbogenresistenten Material hergestellt ist. Wird nun der Hauptkontakt 13 der Figur nach rechts bewegt, so wird der Hauptkontakt 7 vor dem Trennen der Lichtbogenkontakte 10a und 13a unterbrochen.

Ein weiterer Kontakt 14, der beispielsweise mit dem bewegbaren Hauptkontakt 13 in Gleitkontakt stehen kann, ist mit dem Schutzgehäuse 12 verbunden. An einem Isolierstab 15 ist der Hauptkontakt 13 auf der einen Seite angebracht, auf der anderen Seite wirkt ein Verbindungsmechanismus 16 zur Übertragung einer Antriebskraft über den isolierten Betätigungsstab zum Hauptkontakt 13.

Wird nun der aus Isoliermaterial bestehende Betätigungsstab 15 in Figur 2 nach rechts bewegt, so wird der verschiebbare Hauptkontakt 13 vom fest angeordneten Hauptkontakt 7 gelöst. Der Lichtbogenkontakt 10a folgt nun unter Federdruck dem bewegbaren Lichtbogenkontakt 13a. Dabei kann der Lichtbogenkontakt 10a in eine Lage gebracht werden, in der die elektrische Feldintensität am Ende des Lichtbogenkontaktes 10a grösser ist als die Feldintensität an allen Orten des inneren Schutzgehäuses 6, also beispielsweise in die Position, in der der Lichtbogenkontakt 10a aus dem inneren Abschirmgehäuse 6 herausragt. Der Hauptkontakt 13 kann über diese Position hinaus verschoben werden, so dass sich ein Lichtbogen zwischen den beiden Lichtbogenkontakten 10a und 13a bilden kann. Der Lichtbogenkontakt 10a bleibt bei der Position stehen, an welcher die elektrische Feldintensität an seinem Ende höher ist die elektrische Feldintensität des inneren Schutzgehäuses 6. Dies bewirkt eine Anzahl von Lichtbogenentladungen zwischen den beiden Lichtbogenkontakten 10a und 13a während der Schaltoperation. Auf diese Weise ist es beim Trennen der Kontakte eines nicht unter Last stehenden Stormkreises möglich, eine abnormal hohe Spannung, beispielsweise eine Schalt-Überspan-nung, zu unterdrücken.

Die Figuren 3 und 4 zeigen in zwei ähnlichen Schaltdiagrammen die elektrische Wirkung, wenn eine Stromschleife mit Hilfe eines Lasttrenners zur Unterdrückung von Überspannungen gemäss Figur 2 verwendet wird. Fig. 3 zeigt den geschlossenen Lasttrenner, wobei in Figur 4 ein einziger Hauptkontakt geöffnet ist. In den Figuren 3 und 4 werden für dieselben Teile, wie in Figur 2, dieselben Bezugsziffern verwendet. Zm steht für die Impedanz des Hauptstrompfades im Trennschalter, und mit ZI ist die Impedanz einer Stromschleife zum Zeitpunkt angegeben, in dem das System geschaltet wird. Mit R ist der Widerstand der Überspannungsunterdrückungswiderstände angegeben. Die Impendanzwerte werden generell folgendermassen bezogen:

Zm< ZI <g R (1)

Der äquivalente Stromkreis von Figur 4 zeigt den Status unmittelbar nach Beginn der Ausschaltoperation mit dem Überspannungswiderstand, wie er in Figur 2 dargestellt wurde, um eine Stromschleife zu unterbrechen. In diesem Moment ist Zm^R, wie dies in der Ungleichung (1) angegeben ist.

Wird der Widerstand R beträchtlich höher gewählt als der Widerstand des Lichtbogens zwischen den Hauptkontakten 7 und 13, so fliesst der Schleifenstrom noch kaum über den Pfad, in welchem sich der Widerstand 8 und die Lichtbogenkontakte 10a und 13a befinden, sondern er wird hauptsächlich über den Pfad mit den Hauptkontakten 7 und 13 fliessen. Das heisst also, dass der grösste Teil des Schleifenstromes i von beispielsweise etwa 10 kA mittels der Hauptkontakte 7 und 13 getrennt werden muss.

In einem Lasttrenner, der fähig ist, einen hohen Schleifenstrom zu unterbrechen, müssen die Lichtbogenkontakte 10a und 13a üblicherweise die Lichtbogentemperaturen aushalten können, so dass ein Lichtbogen, der durch den Schleifenstrom entsteht, auch zwischen den Lichtbogenkontakten 10a und 13a unterbrochen werden kann, um damit eine Trennung sicherzustellen. Die Hauptkontakte 7 und 13 dagegen sind nicht so ausgelegt, dass sie einer Reihe von Lichtbögen widerstehen können.

Wird der Wert R des Widerstandselements 8 in bezug auf den Funkenstreckenwiderstand zwischen den Hauptkontakten 7

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und 13 verhältnismässig niedrig gewählt, so kann ein grosser Strom durch den Pfad mit dem Widerstandselement 8 und den Lichtbogenkontakten 10a und 13a fliessen, wobei beim Trennen der Hauptkontakte 7 und 13 ein Lichtbogen auftreten kann. Dabei entsteht über den Widerstandselementen 8 ein Spannungsabfall, der zwischen den Hauptkontakten 7 und 13 wirksam ist. Unter diesen Umständen ist die Trennung des Schleifenstromes viel schwieriger, als wenn das Widerstandselement 8 fehlen würde. Wird nun der Widerstand der Widerstandselemente 8 sehr niedrig angesetzt, so lässt sich trotzdem ein beträchtlicher Spannungsabfall nicht verhüten. Aus den oben geschilderten Gründen ist es mit herkömmlichen Lasttrennern mit einem Spannungsunterdrückungswiderstand sehr schwierig, einen Schleifenstrom zu unterbrechen.

Somit ist es Aufgabe der Erfindung, einen Lasttrenner zu schaffen, mit dem ein Schleifenstrom mit Hilfe von Hilfskontakten unterbrochen werden kann.

Ferner soll eine erleichterte Unterbrechung eines Schleifenstromes herbeigeführt und dem übermässigen Verschleiss der Hauptkontakte vorgebeugt werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die im Kennzeichnungsteil des Patentanspruchs angegebenen Merkmale gelöst.

Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. la und lb einen Sammelschienenschaltkreis in zwei verschiedenen Schaltzuständen,

Fig. 2 einen Längsschnitt durch einen herkömmlichen Lasttrenner,

Fig. 3 ein dem Lasttrenner gemäss Figur 2 entsprechendes Ersatzschaltbild zur Unterbrechung einer Stromschleife,

Fig. 4 ein ebenfalls zum Lasttrenner gemäss Figur 2 entsprechendes Ersatzschaltbild mit offenen Hauptkontakten,

Fig. 5 ein Ersatzschaltbild einer Ausführungsform des Last-trenners gemäss Erfindung,

Fig. 6 eine geschnittene Ansicht der Konstruktion der Ausführungsform des Lasttrenners gemäss Figur 5,

Fig. 7 eine Detailansicht in vergrösserter Darstellung eines Teils der Ausführungsform gemäss Figur 6,

Fig. 8 ein Ersatzschaltbild, das die Ausführungsform nach Figur 6 mit offenen Hauptkontakten zeigt,

Fig. 9 ein Ersatzschaltbild der Ausführungsform nach Figur 6 mit offenen Lichtbogenkontakten nach dem Schaltzustand gemäss Figur 8,

Fig. 10 ein Ersatzschaltbild in der Ausführungsform nach Figur 6 mit Hilfskontakten, die jedoch geöffnet sind nach dem Schaltzustand nach Figur 9,

Fig. 11 eine Ansicht, wie sie in Figur 7 gezeigt ist, aber mit geöffneten Hauptkontakten,

Fig. 12 eine gleiche Ansicht wie in Figur 7, aber mit geöffneten Lichtbogenkontakten nach dem Schaltstatus gemäss Figur 11,

Fig. 13 eine Ansicht, wie sie in Figur 7 gezeigt ist, aber mit offenen Hilfskontakten nach dem Status gemäss Figur 12, und Fig. 14 eine der Figur 7 entsprechende Ansicht in einem Zustand, in dem der Trennschalter die Ausschaltoperation vollendet hat.

Figur 5 zeigt das Ersatzschaltbild des Lasttrenners gemäss Erfindung, wie er im Schnitt in Figur 6 dargestellt ist. Figur 7 zeigt in vergrösserter Darstellung ein Detail der Konstruktion aus Figur 6. Bezugnehmend nun auf diese Figuren erkennt man aus dem Ersatzschaltbild, dass zwei Hilfskontakte 10b, 20 mit dem Widerstandselement 8 parallel- und serieverbunden sind. Der Hilfskontakt 20 ist ein nichtbeweglicher Kontakt, während derjenige 10b vom festen Kontakt 13 wegbewegbar ist.

Der bewegbare Hilfskontakt 10b ist in dieser Ausführungsform mittels eines Verbindungsstückes 10 mit dem Lichtbogenkontakt 10a verbunden. Die Hilfskontakte 10b und 20 sind so angeordnet, dass sie getrennt werden können, wenn die Lichtbogenkontakte 10a und 13a schon getrennt sind, und werden erst wieder verbunden, wenn die Verbindung der Lichtbogenkontakte 10a und 13a wiederhergestellt ist. Zwei Düsenöffnungen 22 und 23 dienen zur Steuerung der Arbeitsgeschwindigkeit des Lichtbogenkontaktes 10a. Ein Kolben 10c arbeitet gegen die Kraft einer Feder 11 und komprimiert ein im Federgehäuse 9 vorhandenes Gas, das schliesslich durch die Düsen 22 und 23 entweicht und dabei eine Änderung der Arbeitsgeschwindigkeit des Lichtbogenkontaktes 10a bewirkt. In Figur 5 ist mit Zm die Impedanz des Hauptstromweges des Lasttrenners und mit Zb die Impedanz des Stromkreises bezeichnet, der den Lichtbogenkontakt 10a, den Kontaktbolzen 10 und den Hilfskontakt 10b enthält, mit ZI ist die momentane Impedanz der Stromschlaufe zur Zeit bezeichnet, in der die Schaltung stattfindet, und schliesslich bedeutet R den Widerstand des Widerstandselementes. 8.

Generell gelten folgende Beziehungen für Zm, Zb, Z und R:

Zb = Zm < Z R (2)

Anschliessend wird die Arbeitsweise des Lasttrenners gemäss der Erfindung beschrieben:

Die Figuren 8 bis 11 zeigen den Arbeitszustand des Lasttrenners unmittelbar nachdem der Trennvorgang eingeleitet wurde. Wenn der Hauptkontakt 13 bewegt wird, trennen sich die Kontaktteile 7 und 13. In diesem Moment sind die Lichtbogenkontakte 10a und 13a und die Hilfskontakte 10b und 20 immer noch geschlossen, so dass das Widerstandselement 8 in einer Verzweigungsschaltung durch die Hilfskontakte 10b und 20 noch umgangen wird.

In diesem Moment werden Zm und Zb als ungefähr gleich gross, das heisst Zb = Zm, wie dies in der Ungleichung (2) dargestellt ist. Wenn die Hauptkontakte 7 und 13 getrennt sind, fliesst der Schlaufenstrom i vollständig über den Pfad durch die Hilfskontakte 10b und 20 und die Lichtbogenkontakte 10a und 13a. Dies bewirkt, dass an diesem Punkt noch kein Lichtbogenschaden an den Hauptkontakten 7 und 13 auftreten kann.

Mit dem weiteren Bewegen des Hauptkontaktes 13 nach Figur 9 und 12 hat der mit dem Lichtbogenkontakt 10a festverbundene Kolben 10c die Düse 22 im Federgehäuse 9 freigegeben. Sobald dieser Moment erreicht ist, wird die Bewegungsgeschwindigkeit des Lichtbogenkontaktes 10a ziemlich plötzlich herabgesetzt. Da jedoch der bewegbare Lichtbogenkontakt 13a entsprechend weiterläuft, kommt es zu einer Tennung zwischen dem Kontakt 10a und 13a, und dies führt zu einem Lichtbogen 24 zwischen diesen beiden sich trennenden Kontakten.

Der so entstandene Lichtbogen kann dadurch gelöscht werden, dass beispielsweise im Hauptlichtbogenkontakt 13 ein Löschgaskanal 28 vorgesehen ist, der mittels eines Kolbens 27 mit komprimiertem Gas zum Ausblasen des Lichtbogens benutzt wird. Dieser Sachverhalt ist in der Übersichtfigur 6 dargestellt.

Ein weiteres Wegziehen des bewegbaren Hauptkontaktes 13 erzeugt den in den Figuren 10 bis 13 dargestellten Zustand. Wenn der zwischen den Lichtbogenkontakten 10a und 13a entstandene Lichtbogen gelöscht ist, hat auch der Lichtbogenkontakt 10a und damit auch der über den Kontaktbolzen 10 verbundene Kontakt 10b eine Position erreicht, in welcher der Kontakt zwischen den Kontaktpaaren, der feste Kontakt 20 mit dem verschiebbaren Kontakt 10b gelöst ist. Zu diesem Zeitpunkt sind die Hauptkontakte 7 und 13 und die Lichtbogenkontakte 10a und 13a voneinander getrennt, so dass die Schalter offen sind, wobei jedoch der Stromkreis nicht ganz unterbrochen ist, auch wenn die Lichtbogenkontakte 10a und 20 voneinander getrennt sind.

Wird nun beispielsweise eine Sammelschiene vom System abgehängt, ist es nötig, die Schaltüberspannung durch beispiels5

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weises Zuschalten eines Seriewiderstandes zu unterdrücken, wie dies an vorangegangener Stelle schon einmal erwähnt wurde. Die Schaltüberspannung ist normalerweise proportional zur Potentialdifferenz zwischen zwei Kontakten des Lasttrenners und der Zeit der Lichtbogenbildung (re-arcing). Weiterhin ist die Potentialdifferenz zwischen den Kontakten proportional zum Kontaktabstand im Zeitpunkt der Entladung.

Es ist deshalb wichtig, Überspannungen, die Lichtbogen zwischen den Hauptkontakten 13 und 10 bei einem Kontaktabstand, der ein Viertel bis ein Drittel des maximalen Kontaktabstandes beträgt, erzeugen können durch Einbau eines Widerstandselementes in den Schalter zu unterdrücken. Befindet sich nun der Hauptkontakt 13 im Anfangszeitpunkt des Trennvorganges, wie er in den Figuren 11 und 12 dargestellt ist, so sind die Lichtbogenkontakte 10b und 20 noch nicht getrennt, so dass die Überspannung über den Widerstand 8 abgeleitet werden kann.

Figur 13 zeigt den Moment, in dem der Hauptkontakt 13 vollständig vom Lichtbogenkontakt 10a getrennt ist. In diesem Moment ist das Widerstandselement 8 mit den Lichtbogenkontakten 10a und 13a, bis die Hilfskontakte 10b und 20 vollständig voneinander getrennt sind, seriegeschaltet. Tritt zwischen den Hauptkontakten zu diesem Zeitpunkt ein Wiederaufflak-kern 25 des Lichtbogens auf, so kann die dabei entstehende Überspannung durch das Widerstandselement 8 abgeleitet werden.

Figur 14 zeigt den Lasttrenner nach dem Schalt- oder Ausschaltvorgang vollständig offen. Ein Wiedereinschalten an die Sammelschiene beginnt aus der in Figur 14 dargestellten Position, wobei beim Annähern des Lichtbogenkontaktes 13a an s den Lichtbogenkontakt 10a wieder ein Lichtbogen auftritt, bevor die beiden Kontakte verbunden sind. Das zur Überspannungsunterdrückung vorgesehene Widerstandselement leitet dann wiederum die gebildete Überspannung, wie vorher schon beschrieben, ab, und der ganze Einschaltvorgang läuft nun in io der entgegengesetzten Richtung ab,wie der Ausschaltvorgang.

Wie bereits erwähnt, hat der Lasttrenner Umweg- oder Hilfskontakte, die in einem Fall einen Schlaufenstrom unterbrechen und zudem die Schaltüberspannung einer unbelasteten Sammelschiene im Schaltzeitpunkt mit dem Widerstand unterdrücken kann.

Die Hilfskontakte dienen zum Einsetzen des Schaltüber-spannungswiderstandes in den Stromkreis der Funkenkontakte oder zum Kurzschliessen des Widerstandes. Dies bedeutet, dass 20 die Hilfskontakte bei einem Lasttrenner, der zum Unterbrechen des Schlaufenstromes dient, nicht mit einem Widerstand ausgestattet ist, wobei die Hilfskontakte als Funkenkontakte verwendet werden können. Somit ist es durch praktisch gleichzeitige Trennung der beiden Kontaktpaare möglich, den Schlaufen-25 ström zuverlässig zu unterbrechen und eine Abnutzung der Hauptkontakte zu vermeiden..

4 Blätter Zeichnungen