DE102006024991A1

DE102006024991A1 - Verfahren zur Löschung eines Störlichtbogens innerhalb einer Mittel- und Hochspannungsschaltanlage, sowie Kurzschlusseinrichtung selbst

Info

Publication number: DE102006024991A1
Application number: DE102006024991A
Authority: DE
Inventors: Dietmar Dr.-Ing. Gentsch; Harald Dr.-Ing. Fink
Original assignee: ABB Technology AG
Current assignee: ABB Technology AG
Priority date: 2006-05-30
Filing date: 2006-05-30
Publication date: 2007-12-06
Also published as: CN101454859A; US20090120773A1; DE202006020625U1; CN101454859B; HK1133950A1; EP2030212A1; WO2007137780A1; EP2030212B1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Löschung eines Störlichtbogens in einer Mittel- und Hochspannungsschaltanlage, bei welcher mindestens ein Kurzschlusselement zwischen die Phasen einer Drehstromverteilung geschaltet wird, gemäß Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 3. Um hierbei eine zuverlässige Störlichtbogenlöschung vorzunehmen, ist erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass mittels Sensoren der Störlichtbogen erfasst und das Kurzschlussschaltelement mittels einer direkt am Kurzschlussschaltelement einwirkenden Sprengladung auf eine mit den Drehstromleitern verbundene zum Kurzschlussschaltelement komplementär ausgebildete konische Kontaktstruktur geschossen wird, derart, dass mit Hilfe der komplementären Konturen von Kurzschlussschaltelement und Drehstromleitern ein selbsthemmendes Verharren in der Kurzschlussstellung unter Verzicht einer Haltekraft erreicht wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Löschung eines Störlichtbogens in einer Mittel- und Hochspannungsschaltanlage, bei welcher mindestens ein Kurzschlusselement zwischen die Phasen einer Drehstromverteilung geschaltet wird, gemäß Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 3.
Mittelspannungs-Schaltanlagen haben die Aufgabe, den Energiefluss zu verteilen und eine sichere Betriebsführung zu gewährleisten. Ein Störlichtbogen, der innerhalb einer Schaltanlage entsteht, erzeugt aufgrund seiner Temperatur einen starken Druckanstieg des Gases in einem Zeitraum von wenigen Millisekunden, was zu einer Zerstörung der Schaltanlage durch Explosion führen kann. Daher werden Maßnahmen getroffen, damit der Druck möglichst schnell abgebaut wird.
Die Entstehung von Lichtbögen kann durch geeignete Bauweise sehr stark eingeschränkt werden, beispielsweise durch eine innere Unterteilung des Schaltfeldes (Schottung). Zu diesem Zweck besitzen die einzelnen Schaltfelder einer Schaltanlage Druckentlastungsöffnungen oder Druckentlastungskanäle, über die das Gas in die Umgebung abströmen kann. Die Auswirkungen eines Störlichtbogens lassen sich indessen in erster Linie durch eine Verringerung der Lichtbogendauer begrenzen.
Bekannt sind solche ausschließlich dreiphasige Kurzschließer, die unter Luft oder SF6 schalten. In jedem Fall vermindert sich infolge des hohen Einschaltstromes bei wiederholtem Schalten das Schalt- und Isoliervermögen. Bei Einsatz einer Vakuumschaltkammer dagegen bleiben diese elektrischen Eigenschaften mit zunehmender Schaltspielzahl praktisch unverändert.
In den von der ABB AG gefertigten Schaltanlagen werden zum Personenschutz Kapselungen eingesetzt, die beim Auftreten eines inneren Fehlers einen ausreichenden Schutz bieten (z.B. bei der Ausbildung eines Lichtbogens in einem Gasraum (Störlichtbogen)). Der durch einen auftretenden Störlichtbogen entstehender Energiefluss wird innerhalb der Anlage gesteuert und verteilt. Dazu werden diese Kapselungen entsprechend druckfest ausgeführt. Gegen ein An- bzw. Durchschmelzen einer Kapselung werden ausreichende Maßnahmen ergriffen, die eine Lichtbogenfestigkeit der Einrichtung und damit eine sichere Betriebsführung einer Schaltanlage gewährleisten.
In einzelnen Anwendungen werden bereits Kurzschließsysteme eingesetzt, die sich in der Regel auf einphasige Systeme beziehen (z.B. gegen Erde oder zwischen den Phasen eingesetzt) oder auch dreiphasig ausgeführt sind.
Aus der DE19746809A1 ist ein Kurzschließer für eine Störlichtbogen-Schutzvorrichtung zur Verwendung in Anlagen zur Verteilung elektrischer Energie mit einem Gasgenerator und ein direkt von dem Gasgenerator angetriebenes kurzschließendes Element bekannt, wobei das kurzschließende Element aus einem Kurzschließerkolben mit mindestens einem zylindrischen und einem konischen Abschnitt besteht, soll innerhalb einer Millisekunde einen prellungsfreien Schaltvorgang ermöglichen und hohe Ströme, beispielsweise 100 kA, über mehrere 100 ms, vorzugsweise 500 ms, übertragen. Dies wird dadurch erreicht, dass der Kurzschließerkolben aus einem vorderen zylindrischen Abschnitt besteht, der in eine ebenfalls zylindrische Bohrung eines kurzzuschließenden Teils stoßartig bewegt wird und dass der vordere zylindrische Abschnitt gegenüber der Bohrung mit einer Spielpassung versehen ist.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Kurzschlussschalteinrichtung der gattungsgemäßen Art dahingehend zu verbessern, dass ein Lichtbogen in der Kurzschlussschalteinrichtung sicher verhindert, und der so zu löschende Störlichtbogen in der Mittel- oder Hochspannungsschaltanlage sicher kommuitiert werden kann.
Die gestellte Aufgabe wird im Hinblick auf ein Verfahren der gattungsgemäße Art erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmal des Anspruches 1 gelöst,
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens ist im abhängigen Anspruch 2 angegeben.
Hinsichtlich einer Kurzschlussschalteinrichtung gemäß Oberbegriff des Patentanspruches 3, ist die gestellte Aufgabe erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 3 gelöst.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den übrigen abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Hinsichtlich des Verfahrens besteht der Kern der Erfindung darin, dass mittels Sensoren der Störlichtbogen erfasst und das Kurzschlussschaltelement mittels einer direkt am Kurzschlussschaltelement einwirkenden Sprengladung auf eine mit den Drehstromleitern verbundene zum Kurzschlussschaltelement komplementär ausgebildete konische Kontaktstruktur geschossen wird, derart, dass mit Hilfe der komplementären Konturen von Kurzschlussschaltelement und Drehstromleitern ein selbsthemmendes Verharren in der Kurzschlussstellung unter Verzicht einer Haltekraft erreicht wird.
Bekannte Kurzschließer schalten im Zusammenwirken mit dem vorgeordneten Leistungsschalter zu langsam. Zumeist sind sie außerdem durch ihren dreiphasigen Aufbau technisch zu kompliziert und kostenintensiv. In allen drei Phasen verbinden diese Kurzschließer beim Schaltvorgang die zuvor spannungsführende Strombahn mit Erde oder auch zwischen den einzelnen Phasen. Dies wiederum erfordert eine kompakte, aufwendige Erdstrombahn zum kurzzeitigen Führen des zumeist hohen Fehlerstromes. Des Weiteren vermindern sich strombedingt sowohl Schalt- als auch Isoliervermögen während der Lebensdauer.
Ausserdem ist die zylindriche Ausführung, bei der Kurzschlussschaltelement und Gegenkontakt wobei diese sogar bis auf eine Spielfassung aufeinander abgestimmt sind, technisch zu schwierig. Durch normale Lagerspiele oder Abweichungen bei der Zündung kommt es zu einem nicht zielgerechten Schuß und die zu genau bemaßte Zylinderkontur setzt am Gegenkontakt bei Abweichung nur 10tel Milimeter am Rand auf, der Kontakt kann nicht mehr richtig schließen und es entsteht ein erheblicher Lichtbogen.
Die Erfindung löst dabei zwei wesentliche technische Probleme. Zum einen wird durch die sensorische also letztendlich elektronische Störlichtbogenerfassung eine kurze Reaktionszeit gewährleistet. Zum anderen wird durch die entsprechend komplementär konturierten Kontaktstellen erreicht, dass nach dem Zünden der Sprengladung und Beschleunigen des Kurzschlussschaltelementes nicht nur der Kurzschlusskontakt möglichst schnelle erreicht wird, sondern auch gehalten wird. Durch eine komplementäre Strukturierung wird verhindert, dass nach Anprallen des Kurzschlussschaltelementes dasselbe abprallen kann und dabei wieder einer Lichtbogen erzeugt. Vielmehr wird durch die komplementäre Strukturierung ein lichtbogenfreier Kurzschlusskontakt gewährleistet.
Dabei ist vorteilhaft ausgestaltet, das Kurzschlussschaltelement innerhalb einer Zeit T ≤ 10 millisekunden zu betätigen.
Im Hinblick auf eine Kurzschlussschalteinrichtung der gattungsgemäßen Art, besteht der Kern der Erfindung darin, dass das Kurzschlussschaltelement mit einem Aussenkonus und die mit dem Drehstromleiter elektrisch verbundene Kontaktstruktur mit einer entsprechend komplementären Konusöffnung versehen ist.
Diese konkrete komplementäre Strukturierung von Aussenkonus und Innenkonus bewirkt, dass der Aussenkonus des Kurzschlussschaltelementes mittels Sprengladung in die Konusöffnung des Gegenkontaktes hineinschießt und dort ohne zusätzlich notwendigen Haltekräfte im Kontaktzustand festhält. Diese Eigenschaft sei hier weiter als Selbsthemmung bezeichnet. Dadurch dass sich die Kontaktstelle so nicht mehr lösen kann, wird auch ein Lichtbogen verhindert.
In vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass der Flankenwinkel des Konus bzw der Konusöffnung zwischen 2° und 60° liegt.
In diesem definitiven Bereich der Konusausformung ist die besagte Selbsthemmung gewährleitet, die ein Rückprallen des konischen Kurzschlusskontaktes aus der konischen Öffnung auf sichere Weise verhindert.
Weiterhin ist vorteilhaft ausgestaltet, dass ein Kurzschlussschaltelement und eine Kontaktstruktur innerhalb einer Vakuumkammer angeordnet und eine einphasige Kurzschlusschalteinrichtung ergeben. Dies ergibt eine kompakte aber auch sichere Bauform.
Weiterhin ist vorteilhaft ausgestaltet, dass jeweils ein Kurzschlussschaltelement und eine Kontaktstruktur zwischen jeweils zwei Phasen des Drehstromleiternetzes geschaltet ist.
Eine andere Variant besteht darin, dass jeweils ein Kurzschlussschaltelement und eine Kontaktstruktur pro Phase des Drehstromleiternetzes vorgesehen ist, und dass die 3 Kontaktstrukturen zu einem Sternpunkt elektrisch zusammengeschaltet sind.
Der Sternpunkt kann dabei geerdet sein.
In letzter vorteilhafter Ausgestaltung ist die Kurzschlussschalteinrichtung mit mindestens einen Sensor versehen, der im Bereich der Schaltelemente der Mittel- oder Hochspannungsschaltanlage angeordnet ist und zur Erfassung eines Störlichtbogens dient, über welchen innerhalb einer Zeit T ≤ 10 ms eine Zündeinrichtung der Kurzschlussschalteinrichtung betätigbar ist.
Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und nachfolgend näher beschrieben.
Der Kurzschließer wird innerhalb einer Schaltanlage bestehend aus einem oder mehreren Schaltfeldern direkt im Strompfad der Einspeisung angeordnet. Beim Schaltvorgang schließt er (im Fehlerfall) die Phasen dahingehend „kurz", dass sich der Stromkreis parallel zum Einspeiseschalter schließt und ein eventuell in einem Abgangsfeld entstandener Lichtbogen umgehend gelöscht wird.
Hervorzuheben ist, dass der Kurzschließer aus nur „einer dreiphasigen" (1) oder auch aus „mehreren einzelnen" Vakuumschaltkammern (2) bestehen kann. Werden die einzelnen „mehrere" (z.B. 3 Stück) Vakuumschaltkammern sternförmig verschaltet, so kann der Sternpunkt geerdet werden. Im geerdeten Fall ist der Einsatz einer aufwendigeren Erdstrombahn innerhalb einer Schaltanlage erforderlich. Der Einsatz der Vakuumtechnik sichert eine stromunabhängige, gleich bleibende Funktionalität während der gesamten Lebensdauer.
Durch die drastische Reduzierung der Lichtbogenzeit, d.h. durch die erhebliche Verminderung der mechanischen und thermischen Belastung innerhalb einer Schaltanlage im Fehlerfall können kostengünstige, kompakte Schaltfelder und Komponenten entwickelt und gefertigt werden. Die Erfindung findet in luft- oder gasisolierten Mittelspannungs-Schaltanlagen der "primary and secondary distribution" Anwendung.
Es wird eine Einrichtung zum Löschen eines Störlichtbogens in einer geschlossenen oder offenen Schaltanlage beschrieben, die besonders aufgrund eines Phasenkurzschlusses zwischen den Phasen (R, S; S, T) mit „zwei" Vakuumschaltkammern bzw. mit „einer" Vakuumschaltkammer die drei Phasen (R, S und T) im Fehlerfall miteinander kurzschließt. Beim Auftreten eines Fehlers, im vorliegenden Fall eines Störlichtbogens, schließen die beiden Vakuumschaltkammern oder die „dreiphasige" Vakuumschaltkammer, in die damit der Strom des Störlichtbogens kommutiert. Erreicht wird das durch den Einsatz einer Sprenghülse (Sprengsatzes), welche auf einer Seite einer Vakuumschaltkammer angeordnet ist und welche nach dem Zünden den beweglich ausgeführten Leiter in Richtung des Festkontaktes beschleunigt. Für eine feste Verbindung der beiden Leiter nach dem Einschalten der Einheit (Kurzschließen) werden die beiden Leiterkontaktstücke (Schalt- und Festkontaktstück) zum einen konisch und zum anderen in Tulpenform ausgeführt, so dass nach dem Einschalten so genannte „Selbsthemmung" auftritt und die beiden Bauteile im geschlossenen Zustand verbleiben. Eine dauerhaft anliegende Andruckkraft im eingeschalteten Zustand ist nicht erforderlich.
Besteht der Kurzschließer aus nur „einer" Vakuumschaltkammer enthält diese Vakuumschaltkammer die drei Leiter der Phasen (R, S und T), der Aufbau entspricht einer Sternform. Jedoch kann der Sternpunkt bei dieser Anordnung nicht geerdet ausgeführt sein. Die Einrichtung ist so ausgeführt, dass zwei Leiter fest in eine Vakuumschaltkammer eingebaut sind und ein Leiter „Normal" (senkrecht dazu) zu den beiden Leitern steht und beweglich ausgeführt ist. Der beweglich ausgeführte Leiter wird mit einer Sprenghülse (nach deren Explosion) in Richtung der beiden anderen Leiter beschleunigt und verursacht den dreiphasigen Kurzschluss in der Einrichtung. Auch diese Vakuumschaltkammer enthält Kontaktstücke die zur Selbsthemmung nach dem Kurzschließen in der eingeschalteten (kurzgeschlossenen) Position verbleiben.
In der 1 ist eine „dreiphasige" Kurzschließer-Vakuumschaltkammer (VK) mit den Leitern R; S; T 8 und 5 dargestellt, die neben den beiden fest in die VK eingelöteten Zuleitungen 8 eine bewegliche Zuleitung 5 aufweist. Auf der beweglichen Zuleitung 5 befindet sich außerhalb des Vakuums 6 und oberhalb des Deckels 4 ein Kolben 2, der wie gezeigt ausgeführt sein kann. Oberhalb des Kolbens befindet sich ein Sprengsatz 1, der den Kolben 2 an der oberen Position hält, so dass die Kontaktstücke 7 und 8 auf Abstand gehalten werden. Eine weitere Möglichkeit den Kolben 2 an dieser Position zu halten kann durch einen Draht oder auch Stab zwischen Kolben und Deckel 3 erreicht werden. Im Fehlerfall wird der Sprengsatz 1 nach dem Detektieren (Lichtsensor + Elektronikauswerteeinheit + Auslösung → Zündausgang) und Auslösen zur Explosion gebracht. In dem Druckraum, hier als ein druckfester Deckel 3 ausgeführt, wird der Kolben zusammen mit der beweglichen Zuleitung 5 in die VK hinein beschleunigt. Die Isolation zwischen den beiden Leitern übernimmt ein Isolator 9. Dabei wird die Kontaktstelle 7 und 8 sehr rasch geschlossen. Das Zuleitungskontaktstück 7 ist entsprechend konisch ausgeführt, so dass nach dem Einschalten (dem Schließen der Kontaktstücke) die Kontaktstücke aufgrund der mechanischen Selbsthemmung in der eingeschalteten Position sicher verharren. Die Vakuumdichtigkeit kann wie hier dargestellt über einen Balg erreicht werden. Die Stromübertragung auf der beweglichen Seite lässt sich durch ein Multikontaktgleitsystem oder auch über eine Strombandlösung realisieren.
In der 2 ist die einphasige Kurzschließer-Vakuumschaltkammer (VK) 9, die zwischen die drei Leitern R, S; und S; T geschaltet werden kann, dargestellt. Des Weiteren besteht die Möglichkeit, dass je Phase eine Vakuumschaltkammer 9 angeordnet wird. Dabei kann der entstehende Sternpunkt offen aber auch geerdet geschaltet ausgeführt werden kann. Die VK 9 weist neben einer fest eingelöteten Zuleitung 1 mit einem Kontaktbereich 8 eine bewegliche Zuleitung 5 auf. Die Isolation zwischen den beiden Leitern übernimmt ein Isolator 9. Auf der beweglichen Zuleitung 5 mit einem konisch ausgeführten Kontaktbereich 7 befindet sich außerhalb des Vakuums und oberhalb des Deckels 4 ein Kolben 2, der wie gezeigt ausgeführt sein kann. Oberhalb des Kolbens 2 befindet sich ein Sprengsatz 1, der den Kolben an der oberen Position hält, so dass die Kontaktstücke im Vakuum 6 auf Abstand gehalten werden. Eine weitere Möglichkeit den Kolben an dieser Position zu halten kann durch einen Draht oder auch Stab zwischen Kolben und Deckel 3 erreicht werden. Im Fehlerfall wird der Sprengsatz 1 nach dem Detektieren (Lichtsensor + Elektronikauswerteeinheit + Auslösung → Zündausgang) und Auslösen zur Explosion gebracht. In dem Druckraum, hier als ein druckfester Deckel ausgeführt, wird der Kolben zusammen mit der beweglichen Zuleitung in die VK hinein beschleunigt. Dabei wird die Kontaktstelle sehr rasch geschlossen. Das Zuleitungskontaktstück ist entsprechend konisch ausgeführt, so dass nach dem Einschalten (dem Schließen der Kontaktstücke) die Kontaktstücke aufgrund der mechanischen Selbsthemmung in der eingeschalteten Position sicher verharren. Die Vakuumdichtigkeit kann wie hier dargestellt über einen Balg erreicht werden. Die Stromübertragung auf der beweglichen Seite lässt sich durch ein Multikontaktgleitsystem oder auch über eine Strombandlösung realisieren.
In 3 ist das Schaltbild mit den drei Phasen R; S; T; dargestellt. Zum Schutz befindet sich im Bereich der drei Phasen der „dreiphasigen" Kurzschließer 1, der nach 1 ausgeführt und mit den drei Phasen verbunden ist. Tritt ein Störlichtbogen 3 zwischen den Phasen oder zur Erde hin auf, wird der Lichtbogen z.B. optisch detektiert und über die Steuereinheit 2 wird die Sprenghülse in der VK 1 zur Explosion gebracht. Nach dem Schließen der Kontaktstücke kommutiert der Strom in die VK 1 und der Störlichtbogen 3 verlischt.
In 4 ist das Schaltbild mit den drei Phasen R; S; T; dargestellt. Zum Schutz befinden sich zwischen den drei Phasen „einphasige" Kurzschließer 1, der nach 2 ausgeführt und mit den Phasen (R, S; S, T) verbunden ist. Tritt ein Störlichtbogen 3 zwischen den Phasen oder zur Erde hin auf, wird der Lichtbogen z.B. optisch detektiert und über die Steuereinheit 2 wird die Sprenghülse in der VK 1 zur Explosion gebracht. Nach dem Schließen der Kontaktstücke kommutiert der Strom in die VK 1 und der Störlichtbogen 3 verlischt.

Claims

Verfahren zur Löschung eines Störlichtbogens in einer Mittel- und Hochspannungsschaltanlage, bei welcher mindestens ein Kurzschlussschaltelement zwischen die Phasen einer Drehstromverteilung geschaltet wird, dadurch gekennzeichnet, dass mittels Sensoren der Störlichtbogen erfasst und das Kurzschlussschaltelement mittels einer direkt am Kurzschlussschaltelement einwirkenden Sprengladung auf eine mit den Drehstromleitern verbundene zum Kurzschlussschaltelement komplementär ausgebildete konische Kontaktstruktur geschossen wird, derart, dass mit Hilfe der komplementären Konturen von Kurzschlussschaltelement und Drehstromleitern ein selbsthemmendes Verharren in der Kurzschlussstellung unter Verzicht einer Haltekraft erreicht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kurzschlussschaltelement innerhalb einer Zeit T ≤ 10 ms ab Auftreten des Störlichtbogens generiert wird.
Kurzschlussschalteinrichtung für eine Mittel- oder Hochspannungseinrichtung, bei welchem das Kurzschlussschaltelement mit einer Betätigungs-Sprengladung versehen ist, über welche das Kurzschlussschaltelement auf die Drehstromleiterstruktur beschleunigbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Kurzschlussschaltelement mit einem Aussenkonus und die mit dem Drehstromleiter elektrisch verbundene Kontaktstruktur mit einer entsprechend komplementären Konusöffnung versehen ist.
Kurzschlussschalteinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Flankenwinkel des Konus bzw der Konusöffnung zwischen 2° und 60° liegt.
Kurzschlussschalteinrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kurzschlussschaltelement und eine Kontaktstruktur innerhalb einer Vakuumkammer angeordnet und eine einphasige Kurzschlusschalteinrichtung ergeben.
Kurzschlussschalteinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils ein Kurzschlussschaltelement und eine Kontaktstruktur zwischen jeweils zwei Phasen des Drehstromleiternetzes geschaltet ist.
Kurzschlussschalteinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils ein Kurzschlussschaltelement und eine Kontaktstruktur pro Phase des Drehstromleiternetzes vorgesehen ist, und dass die 3 Kontaktstrukturen zu einem Sternpunkt elektrisch zusammengeschaltet sind.
Kurzschlussschalteinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Sternpunkt geerdet ist.
Kurzschlussschalteinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurzschlusseinrichtung mindestens einen Sensor umfasst, der im Bereich der Schaltelemente der Mittel- oder Hochspannungsschaltanlage angeordnet ist und zur Erfassung eines Störlichtbogens dient, über welchen innerhalb einer Zeit T ≤ 10 ms eine Zündeinrichtung der Kurzschlussschalteinrichtung betätigbar ist.