DE102013208419A1

DE102013208419A1 - Verfahren und Vorrichtung zum reversiblen Schalten von Wechselströmen bei Mittel- und Hochspannung

Info

Publication number: DE102013208419A1
Application number: DE102013208419.6A
Authority: DE
Inventors: Harethe El Ouadhane
Original assignee: Schneider Electric Industries SAS
Current assignee: Schneider Electric Industries SAS
Priority date: 2013-05-07
Filing date: 2013-05-07
Publication date: 2014-11-13

Abstract

Bei einem Verfahren zum reversiblen Schalten von Wechselströmen bei Mittel- und Hochspannung werden zwei Vakuumschalter eingesetzt, die in Serie geschaltet sind, wobei parallel zu einem Vakuumschalter ein Parallelzweig mit einem ohmschen Widerstand vorgesehen ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum reversiblen Schalten von Wechselströmen bei Mittel- und Hochspannung, insbesondere von Kurzschlussströmen in Mittel- und Hochspannungsnetzen, unter Verwendung von einem ersten und einem zweiten Vakuumschalter, die in Serie geschaltet sind.
In Mittel- und Hochspannungsnetzen können insbesondere auf der Generatorseite hohe Kurzschlussströme entstehen, die allerdings in den meisten Fällen nur sehr kurz andauern. Kurzschlüsse in Energieverteilungsnetzen können vielfach temporären Ursprungs sein, z.B. kurzfristige Fehler in Freileitungssystemen bedingt durch Verschmutzung und Feuchtigkeit.
Zum Unterbrechen des Stromkreises bei Kurzschluss für den Mittel- und auch den Hochspannungsbereich sind aus dem Stand der Technik Vakuumschalter bekannt, die nach dem Erkennen eines Fehlerstromes durch geeignete Messeinrichtungen und durch Auswertung der Signale von einer Steuereinrichtung geöffnet werden.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, mit denen Wechselströme bei Mittel- und Hochspannung bei hohen Kurzschlussleistungen, wie z.B. bei generatornahen Kurzschlüssen, unterbrochen werden können oder mit denen der Einsatz von Vakuumschaltern vergleichsweise niedriger Leistungsklassen möglich ist, um hohe Kurzschlussströme reversibel zu schalten.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche.
Nach einem erfindungsgemäßen Verfahren zum reversiblen Schalten von Wechselströmen bei Mittel- und Hochspannung werden ein erster Vakuumschalter und ein zweiter Vakuumschalter in Serie geschaltet und bei Auftreten eines erkannten Fehlerstroms bzw. eines Kurzschlussstroms vorbestimmter Stärke wird zumindest der erste Vakuumschalter geöffnet. Über einen parallel zu dem ersten Vakuumschalter geschalteten Parallelzweig wird der Strom dann zu dem zweiten Vakuumschalter geleitet, wobei sich in dem Parallelzweig ausschließlich ein unveränderlicher, d.h. fest definierter ohmscher Widerstand befindet. Mit anderen Worten befinden sich in dem Parallelzweig mit Ausnahme des ohmschen Widerstandes keine weiteren Bauteile und der ohmsche Widerstand besitzt einen fixen Wert, der von Druck oder Temperatur weitgehend unabhängig ist. Der zweite Vakuumschalter besitzt keine parallele Beschaltung.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann der Wert des ohmschen Widerstands im Parallelzweig unter Berücksichtigung des maximal vorhandenen Kurzschlussstroms und des Schaltvermögens des zweiten Schalters ausgelegt werden. Der ohmsche Widerstand muss sich während des Ausschaltvorgangs stabil verhalten und besitzt nur die Funktion eines Dämpfers, der jedoch den Strom nicht vollständig unterdrücken darf. Aus diesem Grund ist ein fester, nicht veränderbarer Widerstand erforderlich, der einen geringen Widerstandswert, beispielsweise geringer 1 Ω besitzt.
Nach dem Erkennen eines Fehlerstroms kann im Idealfall der erste Vakuumschalter geöffnet werden, während der zweite Vakuumschalter als Hauptschalteinheit noch geschlossen bleibt. Spätestens nach dem ersten Nulldurchgang nach der Kontakttrennung des ersten Vakuumschalters kommutiert der Fehlerstrom vollständig auf den Parallelzweig. Nach der Kommutierung wird der Fehlerstrom durch den ohmschen Widerstand im Parallelzweig gedämpft. Hierdurch wird die erforderlich Schaltleistung für den zweiten Vakuumschalter wesentlich reduziert. Beim Öffnen des zweiten Vakuumschalters erfolgt die Löschung des Fehlerstroms im Idealfall nach dem ersten Nulldurchgang nach der Kommutierung. Der Fehlerstrom ist dann vollständig abgeschaltet.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in der Beschreibung, der Zeichnung sowie den Unteransprüchen beschrieben.
Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung können beide Vakuumschalter nach einer vorbestimmten Zeitdauer wieder geschlossen werden, um nach einem temporären Kurzschluss den Netzbetrieb wieder herzustellen. Hierbei kann es vorteilhaft sein, wenn beide Vakuumschalter annähernd gleichzeitig geschlossen werden, beispielsweise innerhalb eines vorbestimmten Zeitraums, der z.B. 300 µs beträgt. Bei dieser Ausführungsform können beide Vakuumschalter mit einem gemeinsamen Antrieb betätigt werden.
Wenn vermutet werden muss, dass ein Fehler noch nicht behoben werden konnte und während des Einschaltens auf dem noch vorhandenen Kurzschluss wieder ein Fehlerstrang fließt, so können nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform beide Vakuumschalter nacheinander geschlossen werden, wobei zuerst der zweite Vakuumschalter und anschließend der erste Vakuumschalter geschlossen werden kann. Nach Schließen des zweiten Vakuumschalters wird der Einschaltstrom durch den ohmschen Widerstand im Parallelzweig gedämpft. Nach dem Einschalten des zweiten Vakuumschalters kann anschließend der erste Vakuumschalter geschlossen werden.
Wenn der zweite Vakuumschalter so gewählt wird, dass er eine geringere Kurzschlussleistung als der erste Vakuumschalter besitzt, können für vorbestimmte Kurzschlussleistungen kostengünstige Lösungen angeboten werden. Wenn allerdings zwei Vakuumschalter mit gleicher Kurzschlussleistung eingesetzt werden, ist es umgekehrt möglich, höhere Kurzschlussleistungen zu schalten.
Grundsätzlich können im Kurzschlussfall beide Vakuumschalter gleichzeitig geöffnet werden oder der zweite Vakuumschalter wird erst nach dem ersten Vakuumschalter geöffnet. Bei Auftreten eines hohen Kurzschlussstroms und bei gleichzeitigem Öffnen der beiden Vakuumschalter fließt der Strom im ersten Vakuumschalter zunächst zumindest bis zum ersten Nulldurchgang weiter und auch im zweiten Vakuumschalter kann es vorkommen, dass der Lichtbogen dort zunächst nicht gelöscht wird. Wenn allerdings der Lichtbogen im ersten Vakuumschalter gelöscht worden ist, so fließt ein durch den ohmschen Widerstand reduzierter Kurzschlussstrom durch den Parallelzweig zum zweiten Vakuumschalter, der dann nach Löschen des Lichtbogens den Stromfluss vollständig unterbricht.
Das Öffnen und Schließen der Vakuumschalter kann auf bekannte Weise durch eine Steuereinrichtung erfolgen, wobei für die Betätigung der Vakuumschalter ein gemeinsamer Antrieb oder getrennte Antriebe vorgesehen werden können.
Eine Vorrichtung zur Durchführung der vorstehend beschriebenen Verfahren und zum reversiblen Schalten von Wechselströmen in der Mittel- und Hochspannung umfasst einen ersten und zweiten Vakuumschalter, die in Serie geschaltet sind sowie einen parallel zu dem ersten Vakuumschalter geschalteten Parallelzweig, in dem sich ausschließlich ein unveränderlicher ohmscher Widerstand befindet.
Zum Öffnen und Schließen der Vakuumschalter kann eine Schalteinrichtung vorgesehen werden, die bei Auftreten eines Kurzschlussstroms vorbestimmter Stärke zumindest den ersten Vakuumschalter öffnet, anschließend oder gleichzeitig auch den zweiten Vakuumschalter öffnet und die bevorzugt nach einer vorbestimmten Zeitdauer beide Vakuumschalter wieder schließt.
Als ohmscher Widerstand wird bevorzugt ein passiver Festwiderstand eingesetzt, der sich mit Druck oder Temperatur nur unwesentlich verändert. Die Verwendung eines solchen passiven Festwiderstandes besitzt den Vorteil, dass die erforderlichen Nulldurchgänge für die Stromunterbrechung im Kurzschlussfall früher erfolgen, da die Gesamtkurve des zeitlichen Stromverlaufs nach unten wandert. Weiterhin wird die thermische Belastung der Vakuumkammern in den Vakuumschaltern wesentlich reduziert und auch die Gleichspannungskomponente klingt im Kurzschlussfall schneller ab.
Nachfolgend wird die Erfindung rein beispielhaft anhand einer vorteilhaften Ausführungsform und unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum reversiblen Schalten von Wechselströmen bei Mittel- und Hochspannung;
2 ein Schaltdiagramm der Vorrichtung von 1; und
3 ein Strom-Zeit-Diagramm.
Die in 1 dargestellte Vorrichtung zum reversiblen Schalten von Wechselströmen bei Mittel- und Hochspannung umfasst einen ersten Vakuumschalter S1 und einen zweiten Vakuumschalter S2, die zwischen zwei Stromanschlüssen 10 und 12 in Serie geschaltet sind. Parallel zu dem ersten Vakuumschalter S1 ist ein Parallelzweig P geschaltet, in dem sich ausschließlich ein unveränderlicher ohmscher Widerstand R befindet.
Die vorstehend beschriebene Vorrichtung kommt mit nur einem einzigen passiven Bauteil aus und ermöglicht ein reversibles Schalten von Wechselströmen auch bei nur sehr kurzzeitigen Stromunterbrechungen. Für die Auslegung der beiden Vakuumschalter sind folgende Faktoren zu berücksichtigen: Der erste Vakuumschalter muss nach dem Öffnen der Kontakte und noch vor dem Kommutieren des Stroms auf den Parallelzweig den gesamten Fehlerstrom thermisch beherrschen. Dies bedeutet, dass bis zur Kommutierung ein Lichtbogen in der ersten Vakuumkammer mit der vollen Kurzschlussleistung brennt und von dem Vakuumschalter beherrscht werden muss. Allerdings sind die dielektrischen Anforderungen aufgrund des Parallelzweigs für diesen Vakuumschalter geringer.
Nach der Kommutierung wird der Fehlerstrom durch den ohmschen Widerstand im Parallelzweig gedämpft und die thermischen Anforderungen für den zweiten Vakuumschalter sind geringer. Die Auslegung des zweiten Vakuumschalters kann daher im Vergleich zum ersten Vakuumschalter mit einer geringeren thermischen Festigkeit erfolgen. Die Isolationsfestigkeit des zweiten Vakuumschalters muss jedoch im geöffneten Zustand auf die volle Bemessungsspannung ausgelegt sein.
2 zeigt ein schematisches Schaltdiagramm der Vorrichtung von 1, wobei zusätzlich zu den Bauteilen von 1 eine Schalteinrichtung 14 vorgesehen ist, mit der bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel mit Hilfe eines gemeinsamen Antriebs 16 beide Vakuumschalter S1 und S2 gleichzeitig betätigt werden können. Alternativ ist es möglich, getrennte Antriebe für die Vakuumschalter S1 und S2 vorzusehen. Um eine Betätigung des Antriebs zu initiieren, wird mit Hilfe einer Strommesseinrichtung 18 der zwischen den Stromanschlüssen 10 und 12 fließende Strom gemessen und mit Hilfe der Schalteinrichtung 14 ausgewertet. Übersteigt der gemessene Strom einen vorbestimmten Grenzwert, so betätigt die Schalteinrichtung 14 den Antrieb 16.
Die vorteilhaften Auswirkungen der Erfindung lassen sich in dem in 3 dargestellten Strom-Zeit-Diagramm nachvollziehen, das den zwischen den Stromanschlüssen 10 und 12 fließenden Kurzschlussstrom über der Zeit darstellt, wobei zum Zeitpunkt t = 0 der Schalter S1 geöffnet wird. Zum Zeitpunkt t1 besteht die erste Kommutierungsmöglichkeit für den Strom auf den Parallelzweig P. Zum Zeitpunkt t2 erfolgt die endgültige Kommutierung. Der gestrichelt dargestellte Stromverlauf V1 stellt den Strom mit Lichtbogenspannung und Kommutierungswiderstand R dar. Der Verlauf V2 mit wesentlich höherer Amplitude stellt den Stromverlauf ohne Kommutierung jedoch mit Lichtbogenspannung dar. Wie weiterhin zu erkennen ist, erfolgt der erforderliche Nulldurchgang für die Stromunterbrechung im Kurzschlussfall um den Zeitraum t früher, wenn ein Parallelzweig mit ohmschem Widerstand verwendet wird, da die Gesamtkurve nach unten gedrückt wird. Die Gleichspannungskomponente klingt sehr schnell ab und geht bereits nach etwa 80 bis 100 ms auf nahezu Null zurück.
In dem nachfolgenden Beispiel sei nochmals verdeutlicht, dass mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung durch Verwendung von zwei handelsüblichen Vakuumschaltern eine außerordentlich hohe Schaltleistung im Kurzschlussfall erzielt werden kann:
Wenn man beispielsweise davon ausgeht, dass eine Anforderung besteht, bei einer Spannung von 17 kV und einem Kurzschlussstrom von 63 kA eine Ausschaltarbeit von 1800 As zu leisten, so könnte ein Schalter mit einer Spannungsfestigkeit von 17 kV, einem Kurzschlussstrom von 31,5 kA und einer Ausschaltarbeit von 1060 As nicht ordnungsgemäß schalten. Genauso wenig wäre die Aufgabe mit einem Vakuumschalter zu lösen, der eine Spannungsfestigkeit von 7,2 kV jedoch einen Kurzschlussstrom von 63 kA und eine Ausschaltarbeit von 1600 As besitzt. Auch mit einer Reihenschaltung zweier derartiger Vakuumschalter wäre die Aufgabe nicht zu lösen. Wenn allerdings die vorstehend beschriebene erfindungsgemäße Anordnung mit einem ohmschen Widerstand verwendet wird, so kann mit zwei Vakuumschaltern, die wie vorstehend beschrieben dimensioniert sind, die Schaltaufgabe ohne weiteres gelöst werden, wobei die Lösung trotz Verwendung von zwei Schaltern aufgrund deren geringerer Leistungsfähigkeit insgesamt kostengünstiger ist.

Claims

Verfahren zum reversiblen Schalten von Wechselströmen bei Mittel- und Hochspannung unter Verwendung von einem ersten und einem zweiten Vakuumschalter, die in Serie geschaltet sind, wobei – bei Auftreten eines Kurzschlussstromes vorbestimmter Stärke zumindest der erste Vakuumschalter geöffnet wird, – der Strom über einen parallel zu dem ersten Vakuumschalter geschalteten Parallelzweig zu dem zweiten Vakuumschalter geleitet wird, wobei sich in dem Parallelzweig ausschließlich ein unveränderlicher ohmscher Widerstand befindet, und – anschließend an das oder gleichzeitig mit dem Öffnen des ersten Vakuumschalters auch der zweite Vakuumschalter geöffnet wird
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nach einer vorbestimmten Zeitdauer beide Vakuumschalter wieder geschlossen werden.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass beide Vakuumschalter annähernd gleichzeitig geschlossen werden.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zuerst der zweite Vakuumschalter und anschließend der erste Vakuumschalter geschlossen wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als erster Vakuumschalter ein solcher verwendet wird, der eine geringere Spannungsfestigkeit wie der zweite Vakuumschalter besitzt.
Verfahren nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als zweiter Vakuumschalter ein solcher verwendet wird, der eine geringere Kurzschlussleistung wie der erste Vakuumschalter besitzt.
Vorrichtung zum reversiblen Schalten von Wechselströmen bei Mittel- und Hochspannung und zur Durchführung des Verfahrens nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, umfassend – einen ersten und einen zweiten Vakuumschalter (S1, S2), die in Serie geschaltet sind, und – einen parallel zu dem ersten Vakuumschalter (S1) geschalteten Parallelzweig (P), in dem sich ausschließlich ein unveränderlicher ohmscher Widerstand (R) befindet.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schalteinrichtung (14) vorgesehen ist, die bei Auftreten eines Kurzschlussstromes vorbestimmter Stärke zumindest den ersten Vakuumschalter (S1) öffnet, die anschließend oder gleichzeitig auch den zweiten Vakuumschalter (S2) öffnet, und die nach einer vorbestimmten Zeitdauer beide Vakuumschalter (S1, S2) wieder schließt.
Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass zum Betätigen beider Vakuumschalter ein gemeinsamer Antrieb vorgesehen ist.
Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 7, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der ohmsche Widerstand (R) einen Wert zwischen 10 und 10000 mOhm, vorzugsweise zwischen 100 und 300 mOhm besitzt.
Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Vakuumschalter (S2) eine geringere Kurzschlussleistung wie der erste Vakuumschalter (S1) besitzt.
Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Vakuumschalter (S1) eine geringere Spannungsfestigkeit wie der zweite Vakuumschalter (S2) besitzt.