DE10022415A1 - Hochspannungsschaltgerät mit Serienschaltung von mindestens zwei Schaltgeräten und Verfahren zum Betrieb eines Hochspannungsschaltgerätes - Google Patents

Abstract

Es wird ein Hochspannungsschaltgerät mit Serienschaltung von mindestens zwei Schaltgeräten (A, B, C, D) vorgeschlagen, wobei eine unterschiedliche Auslegung der Schaltgeräte derart erfolgt, daß mindestens ein Schaltgerät (A, C) hinsichtlich der dielektrischen Beanspruchungen und mindestens ein Schaltgerät (B, D) hinsichtlich der Kurzschluß- bzw. Lichtbogenbeanspruchungen ausgelegt ist. DOLLAR A Ferner wird ein Verfahren zum Betrieb eines Hochspannungsschaltgerätes mit Serienschaltung von mindestens zwei Schaltgeräten (A, B) vorgeschlagen, wobei im Kurzschlußfall nur ein hinsichtlich der Kurzschluß- bzw. Lichtbogenbeanspruchungen ausgelegtes Schaltgerät (B) und bei Schaltungen der Betriebsspannung und Blitzstoßspannung nur ein hinsichtlich der dielektrischen Beanspruchungen ausgelegtes Schaltgerät (A) geöffnet wird, während das jeweilige weitere Schaltgerät geschlossen bleibt. DOLLAR A Alternativ hierzu wird im Kurzschluß- bzw. Lichtbogenfall nur mindestens ein hinsichtlich der Kurzschluß- bzw. Lichtbogenbeanspruchung ausgelegtes Schaltgerät (D) geöffnet und zur Beherrschung der Betriebsspannung und der Blitzstoßspannung zusätzlich wird das andere Schaltgerät (C) zeitverzögert geöffnet.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Hochspannungsschaltgerät mit Serienschaltung von mindestens zwei Schaltgeräten gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie auf ein Verfahren zum Betrieb eines Hochspannungsschaltgerätes gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 6 oder 9. Die Erfindung kann beispielsweise bei gasisolierten Schaltan­ lagen verwendet werden. Unter dem Begriff "Hochspannung" wird in diesem Zusam­ menhang der Spannungsbereich über 1000 V verstanden.

Bei Hochspannungsschaltgeräten wird die Serienanordnung von Vakuumschaltkam­ mern in Spezialfällen unter Zugrundelegung zweier Grundprinzipien angewendet, und zwar in einer ungesteuerten Ausführung gemäß H. Fink, E. Sonnenschein, SF6- isolierte 52-kV-Mittelspannungs-Schaltanlage mit Vakuumschalter, etz, Bd. 115 (1994) H. 11, S. 622-626 und unter Einsatz von Steuerkondensatoren. Bei der erstgenannten Ausführung steht der Einsatz des Vakuumschaltprinzips in Spannungsebenen über 36 kV im Vordergrund, realisiert durch eine ungesteuerte Reihenanordnung zweier auf die Bemessungsspannung von 36 kV limitiertes Vakuumschaltkammern (Standardkam­ mern). Aus wirtschaftlichen Gesichtspunkten wird dabei eine durch Streuphänomene (Streukapazitäten) resultierende, unvermeidbare Versteuerung hinsichtlich der Poten­ tialaufteilung in Kauf genommen. Die Auslegung der Reihenanordnung muß daher nach der aufgrund der inhomogenen Spannungsverteilung am stärksten beanspruchten Vakuumschaltkammer erfolgen, während die andere Vakuumschaltkammer einer ge­ ringeren Spannungsbeanspruchung ausgesetzt ist und damit nicht optimal ausgelastet wird.

Ein Beispiel für eine mit Steuerkondensatoren ausgeführte Reihenanordnung zweier Vakuumschaltkammern stellt der Einsatz in der Bahnstromversorgung mit einer Fre­ quenz von 16 2/3 Hz dar. Im Vergleich zu den bei 50 Hz/60 Hz auftretenden Lichtbo­ genzeiten von 10 ms/8.3 ms beansprucht man die Kontaktstrecken bei 16 2/3 Hz mit Lichtbogenzeiten von 30 ms. Die zugeordnete vergleichsweise hohe thermische Bean­ spruchung und der resultierende stark erhöhte Abbrand führt zu einer starken Reduzie­ rung der Spannungsfestigkeit im Ausschaltfall. Diesem Effekt wirkt man dadurch entge­ gen, daß man für Bemessungsspannungen von z. B. 17.5 kV zwei Vakuumschaltkam­ mern in Reihe schaltet und zusätzlich kapazitiv besteuert.

Die bisherige Ausführung von Reihenanordnungen zweier oder mehrerer Vakuum­ schaltkammern setzt grundsätzlich den Einsatz gleichartiger Schaltkammern voraus, die jeweils simultan ein- und ausgeschaltet werden.

Die Integration der Reihenanordnung zweier Vakuumschaltkammern als Herzstück ei­ nes Hochspannungsschaltgerätes erfordert speziell beim Einsatz innerhalb einer gasi­ solierten Schaltanlage eine kapazitive Steuerung. Hintergrund dieser Maßnahme ist eine Linearisierung der Spannungsverteilung über den beiden Vakuumschaltkammern, wobei die Steuerkapazitäten jedoch das Löschvermögen nachteilig beeinflussen kön­ nen, wie in T. Betz, D. Koenig, Influence of grading capacitors on the breaking capabi­ lity of two vacuum circuit-breakers in series, IEEE 18 th Int. Symp. on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum, pp. 679-683, Eindhoven, The Netherlands, August 17- 21, 1998 behandelt ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein hinsichtlich Schaltvermögen und Kosten­ aufwand optimales Hochspannungsschaltgerät mit Serienschaltung von mindestens zwei Schaltgeräten der eingangs genannten Art anzugeben.

Des weiteren soll ein dementsprechendes Verfahren zum Betrieb eines Hochspan­ nungsschaltgerätes angegeben werden.

Diese Aufgabe wird hinsichtlich des Hochspannungsschaltgerätes in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffes erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Die Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens zum Betrieb des Hochspannungsschalt­ gerätes in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffes alternativ durch die im Kennzeichen der Ansprüche 6 und 9 angegebenen Merkmaie gelöst.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß durch die U-I-Kammerlösung (hinsichtlich der dielektrischen Beanspruchungen ausgelegtes Schaltgerät = U-Kammer, hinsichtlich der Kurzschluß- bzw. Lichtbogenbeanspruchun­ gen ausgelegtes Schaltgerät = I-Kammer) mit der Reihenschaltung von mindestens zwei unterschiedlichen Schaltgeräten eine gezielte Entkopplung der beiden Hauptbe­ anspruchungen "Strom" und "Spannung" eines Schaltgerätes erfolgt. Die Schaltgeräte können somit jeweils optimal funktionsorientiert gestaltet werden, d. h. optimal hinsicht­ lich der Strom-Beanspruchung, d. h. Kurzschluß- bzw. Lichtbogenbeanspruchung, oder optimal hinsichtlich der Spannungs-Beanspruchung, d. h. der dielektrischen Beanspru­ chung.

Weitere Vorteile sind aus der nachstehenden Beschreibung ersichtlich.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeich­ net.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausfüh­ rungsbeispiele erläutert. Es zeigen:

Fig. 1, 3 die prinzipielle Schaltung des Hochspannungsschaltgerätes mit Serien­ schaltung von mindestens zwei Schaltgeräten.

Fig. 2, 4 die zeitlichen Abfolgen einer Ausschaltung und Einschaltung.

In den Fig. 1 und 3 ist die prinzipielle Schaltung des Hochspannungsschaltgerätes mit Serienschaltung von mindestens zwei Schaltgeräten dargestellt. Es sind mindestens zwei Schaltgeräte A und B bzw. C und D unterschiedlichen Aufbaues zwischen zwei Anschlüssen 1, 2 in Reihe angeordnet, d. h. die Bezugsziffern A, C und/oder B, D kön­ nen gegebenenfalls auch jeweils zwei oder mehr Schaltgeräte bezeichnen. Hintergrund der vorgeschlagenen U-I-Kammerlösung ist es, mindestens ein Schaltgerät - siehe Schaltgerät A bzw. C (auch als U-Kammer oder U-Schaltkammer bezeichnet) - optimal auf die dielektrischen Beanspruchungen auszulegen, während mindestens ein weiteres Schaltgerät - siehe Schaltgerät B bzw. D (auch als I-Kammer oder I-Schaltkammer be­ zeichnet) - optimal die Beherrschung der Kurzschluß- bzw. Lichtbogenbeanspruchung gewährleistet.

Demgemäß wird für die I-Kammer B bzw. D vorzugsweise eine Vakuumkammer ver­ wendet, während die U-Kammer A bzw. C sowohl als Vakuumkammer als auch als Schaltstrecke nach dem Löschprinzip der Gasarten SF6, N2, einer anderen Gasart oder einem Gemisch aus mindestens zwei verschiedenen Gasarten ausgelegt wird.

Das vorgeschlagene Prinzip besteht darin, im Kurzschlußfall, und zwar sowohl im Ein­ schaltfall als auch im Ausschaltfall - nur die I-Schaltkammer B, D zu schalten, während die U-Schaltkammer während dieser Schalt-Zeitspanne geschlossen bleibt. Demge­ genüber wird die U-Schaltkammer A, C zur Beherrschung der Betriebsspannung und besonders zur Beherrschung der Blitzstoßspannung geöffnet, wobei die I-Schaltkam­ mer während dieser Schalt-Zeitspannen entweder geöffnet bleibt (siehe Fig. 4, Schalt­ gerät D) oder wieder geschlossen wird (siehe Fig. 2, Schaltgerät B).

Im EIN-Zustand sind also die Schaltgeräte A, B, C, D geschlossen. Im AUS-Zustand ist entweder - siehe Fig. 2 - nur die U-Schaltkammer A geöffnet, während Schaltkammer B geschlossen ist oder - siehe Fig. 4 - beide Schaltgeräte C und D sind geöffnet.

Daneben gibt es gemäß Fig. 2 einen wichtigen dynamischen Übergangsbereich, in dem sich sowohl beim Übergang vom EIN- in den AUS-Zustand als auch im umgekehrten Fall die I-Kammer 8 impulsartig öffnet und danach wieder schließt, um in beiden Fällen den Lichtbogen zu löschen. Zeitlich versetzt zu dem Impulsvorgang der I-Kammer B öffnet (bei einer Ausschaltung) bzw. schließt (bei einer Einschaltung) sich die U- Kammer A. Die U-Kammer A ist im EIN-Zustand und während des Löschvorganges geschlossen und wird zur Herstellung des AUS-Zustandes im Vergleich zur I-Kammer B zeitverzögert geöffnet.

Als weitere Variante zeigt Fig. 4 einen Bewegungsverlauf, der ein verzögertes Öffnen des Schaltgerätes C aufweist. Demgegenüber ergibt sich beim Einschaltvorgang ein verzögertes Schließen des Schaltgerätes D.

In den Fig. 2 und 4 sind demgemäß die zeitlichen Abfolgen einer Ausschaltung und Einschaltung dargestellt. Die Bewegungsabläufe der in Reihe geschalteten Schaltge­ räte A, B bzw. C, D sind dabei genau auf die Funktionsweisen der Schaltkammern ab­ gestimmt. Der Kammerhub der beiden Schaltgeräte kann verschieden sein.

Bei einer Ausschaltung nach Fig. 2 sind zum Zeitpunkt t, beide Schaltgeräte A, B ge­ schlossen (EIN-Zustand, Ausgangszustand). Das Schaftgerät B öffnet sich zum Zeit­ punkt t₂, während das Schaltgerät A geschlossen bleibt. Zum Zeitpunkt t₃ ist das Schaltgerät B voll geöffnet, das Schaltgerät A ist noch geschlossen. Zum Zeitpunkt t₄ sind beide Schaltgeräte A, B geöffnet. Zum Zeitpunkt t₅ ist das Schaltgerät B geschlos­ sen, während Schaltgerät A voll geöffnet ist (AUS-Zustand, Endzustand).

Bei einer Einschaltung nach Fig. 2 ist zum Zeitpunkt t₁ das Schaltgerät A geöffnet, wäh­ rend Schaltgerät B geschlossen ist (AUS-Zustand, Ausgangszustand). Das Schaltgerät 8 öffnet sich zum Zeitpunkt t₂, so daß beide Schaltgeräte A, B geöffnet sind. Zum Zeit­ punkt t₃ ist das Schaltgerät B voll geöffnet, das Schaltgerät A ist geschlossen. Zum Zeitpunkt t₄ ist Schaltgerät B noch geöffnet, Schaltgerät A ist geschlossen. Zum Zeit­ punkt t₅ sind beide Schaltgeräte A, B geschlossen (EIN-Zustand, Endzustand).

Bei einer Ausschaltung nach Fig. 4 sind zum Zeitpunkt t₁ beide Schaltgeräte C, D ge­ schlossen (EIN-Zustand, Ausgangszustand). Das Schaltgerät D öffnet sich zum Zeit­ punkt t₂, während das Schaltgerät C geschlossen bleibt. Zum Zeitpunkt t3 ist das Schaltgerät D voll geöffnet, das Schaltgerät C ist noch geschlossen. Zum Zeitpunkt t₄ öffnet das Schaltgerät C. Zum Zeitpunkt t₅ sind beide Schaltgeräte voll geöffnet (AUS- Zustand, Endzustand).

Bei einer Einschaltung nach Fig. 4 sind zum Zeitpunkt t₁ beide Schaltgeräte C, D voll geöffnet (AUS-Zustand, Ausgangszustand). Das Schaltgerät C schließt sich zum Zeit­ punkt t₂, während das Schaltgerät D in voll geöffneter Stellung verbleibt. Zum Zeitpunkt t₃ ist das Schaltgerät C geschlossen, das Schaltgerät D ist noch voll geöffnet. Zum Zeitpunkt t₄ schließt auch das Schaltgerät D. Beide Schaltgeräte C, D sind zum Zeit­ punkt t₅ geschlossen (EIN-Zustand, Endzustand).

Die mindestens zwei Schaltgeräte werden vorzugsweise durch einen einzigen Antrieb angetrieben. Alternativ hierzu ist es jedoch auch möglich, zwei oder mehr Antriebe mit geeigneter elektrischer bzw. mechanischer Kopplung einzusetzen.

Claims (12)

1. Hochspannungsschaltgerät mit Serienschaltung von mindestens zwei Schaltgeräten (A, B, C, D), gekennzeichnet durch eine unterschiedliche Auslegung der Schaltgeräte derart, daß mindestens ein Schaltgerät (A, C) hinsichtlich der dielektri­ schen Beanspruchungen und mindestens ein Schaltgerät (B, D) hinsichtlich der Kurz­ schluß- bzw. Lichtbogenbeanspruchungen ausgelegt ist.

2. Hochspannungsschaltgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das hinsichtlich der dielektrischen Beanspruchungen ausgelegte Schaltgerät (A, C) eine Vakuumkammer oder ein Schaltgerät nach dem Löschprinzip der Gasarten SF6, N2, einer anderen Gasart oder einem Gemisch aus mindestens zwei verschiedenen Gasarten ist.

3. Hochspannungsschaltgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das hinsichtlich der Kurzschluß- bzw. Lichtbogenbeanspruchungen ausgelegte Schaltgerät (B, D) eine Vakuumschaltkammer ist.

4. Hochspannungsschaltgerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die zeitlichen Bewegungsabläufe der Schaltgeräte-Antriebe bzw. eines gemeinsamen Antriebes auf die unterschiedlichen Funktionsweisen der Schaftgeräte (A, B, C, D) abgestimmt sind.

5. Hochspannungsschaltgerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Hub bzw. Kammerhub der Schaltgeräte-Antriebe bzw. Schaltkammer-Antriebe verschieden eingestellt ist.

6. Verfahren zum Betrieb eines Hochspannungsschaltgerätes mit Serien­ schaltung von mindestens zwei Schaltgeräten (A, B), dadurch gekennzeichnet, daß im Kurzschlußfall nur ein hinsichtlich der Kurzschluß- bzw. Lichtbogenbeanspruchungen ausgelegtes Schaltgerät (B) und bei Schaltungen der Betriebsspannung und Blitzstoß­ spannung nur ein hinsichtlich der dielektrischen Beanspruchungen ausgelegtes Schalt­ gerät (A) geöffnet wird, während das jeweilige weitere Schaltgerät geschlossen bleibt.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das hinsichtlich der Kurzschluß- bzw. Lichtbogenbeanspruchungen ausgelegte Schaltgerät (B) sowohl im EIN-Zustand als auch im AUS-Zustand geschlossen bleibt und nur während eines dynamischen Übergangsbereiches beim Schaftvorgang impulsartig geöffnet wird, um den Lichtbogen löschen zu können.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das hinsichtlich der dielektrischen Beanspruchungen ausgelegte Schaltgerät (A) im EIN-Zustand und während des Löschvorganges geschlossen bleibt und zur Herstellung des AUS- Zustandes im Vergleich zum hinsichtlich der Kurzschluß- bzw. Lichtbogenbeanspru­ chungen ausgelegten Schaltgerät (B) zeitverzögert geöffnet wird.

9. Verfahren zum Betrieb eines Hochspannungsschaltgerätes mit Serien­ schaltung von mindestens zwei Schaltgeräten (C, D), dadurch gekennzeichnet, daß im Kurzschluß- bzw. Lichtbogenfall nur mindestens ein hinsichtlich der Kurzschluß- bzw. Lichtbogenbeanspruchung ausgelegtes Schaltgerät (D) geöffnet wird und zur Beherr­ schung der Betriebsspannung und der Blitzstoßspannung zusätzlich das andere Schaltgerät (C) zeitverzögert geöffnet wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß im Falle der Einschaltbewegung zuerst das mindestens eine zur Beherrschung der Betriebsspan­ nung und der Blitzstoßspannung ausgelegte Schaltgerät (C) und danach erst das min­ destens eine hinsichtlich der Kurzschluß- bzw. Lichtbogenbeanspruchung ausgelegte Schaltgerät (D) geschlossen wird.

11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewe­ gungsabläufe der mindestens zwei Schaltgeräte (C, D) unterschiedlich gestaltet sind.

12. Verfahren nach Anspruch 6 und/oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltstrecke des mindestens einen hinsichtlich der dielektrischen Beanspruchun­ gen ausgelegten Schaltgerätes (A, C) als sichtbare Trennstrecke ausgebildet ist.