DE102013224621A1

DE102013224621A1 - Schalteinrichtung sowie Ausschaltverfahren zum Betrieb einer Schalteinrichtung

Info

Publication number: DE102013224621A1
Application number: DE102013224621.8A
Authority: DE
Inventors: Lutz-Rüdiger Jänicke
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Priority date: 2013-11-29
Filing date: 2013-11-29
Publication date: 2015-06-03
Also published as: CN105745731A; WO2015078750A1; EP3050069B1; US10600603B2; CN105745731B; CA2931937A1; EP3050069A1; US20170018390A1; CA2931937C

Abstract

Eine Schalteinrichtung (1, 1a) weist eine erste konventionelle Schaltstelle (2, 2a) sowie eine zweite konventionelle Schaltstelle (3, 3a) auf, welche unter Zwischenschaltung einer nichtkonventionellen Schaltstelle (4, 4a) elektrisch in Reihe geschaltet sind.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schalteinrichtung aufweisend eine erste konventionelle Schaltstelle, eine zweite konventionelle Schaltstelle sowie eine nichtkonventionelle Schaltstelle.
Eine derartige Schalteinrichtung ist beispielsweise aus der Offenlegungsschrift DE 10 2011 005 905 A1 bekannt. Dort ist eine Schalteinrichtung beschrieben, welche als konventionelle Schaltstellen einen gasisolierten Leistungsschalter sowie einen Vakuumleistungsschalter aufweist. Elektrisch parallel zu dem Vakuumleistungsschalter ist eine Einrichtung zur Erzeugung eines Gegenstromes vorgesehen, welche einen Thyristor aufweist. Die Einrichtung zur Erzeugung eines Gegenstromes ist ihrem Aufbau nach eine nichtkonventionelle Schaltstelle.
Die bekannte Schalteinrichtung eignet sich insbesondere zum Schalten von Gleichströmen. Um einen Gleichstrom auszuschalten, wird mittels der Einrichtung zur Erzeugung eines Gegenstromes ein Gegenstrom auf dem zu unterbrechenden Gleichstrom aufgeprägt, um diesen zu unterbrechen.
Bei der Nutzung der bekannten Schalteinrichtung, insbesondere im Hoch- und Höchstspannungsbereich, d. h. bei Spannungen von mehreren tausend Volt und zu unterbrechenden Strömen von mehreren Kiloampere sind für die nichtkonventionelle Schaltstelle kostenintensive Baugruppen wie Thyristoren, IGBTs oder auch Leistungstransistoren einzusetzen. Konstruktionsbedingt müssen diese nichtkonventionellen Schaltstellen sowohl hinsichtlich ihrer Spannungsbelastbarkeit als auch ihrer Strombelastbarkeit auf den zu unterbrechenden Strom bzw. die treibende elektrische Spannung ausgelegt werden. Dies erfordert kostenintensive nichtkonventionelle Schaltstellen, so dass zu einem nicht unbeachtlichen Teil die Kosten der Schalteinrichtung durch die nichtkonventionelle Schaltstelle bestimmt sind.
Entsprechend ergibt sich als Aufgabe der Erfindung, eine Schalteinrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, welche bei hoher Betriebssicherheit eine Kostenreduktion verspricht.
Aufgabengemäß wird die Erfindung bei einer Schalteinrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass die erste konventionelle Schaltstelle, die zweite konventionelle Schaltstelle sowie die nichtkonventionelle Schaltstelle miteinander eine Reihenschaltung ausbilden.
Konventionelle Schaltstellen sind Schaltstellen, welche zur Herstellung eines elektrisch leitenden Strompfades relativ zueinander bewegbare Schaltkontaktstücke in galvanischen Kontakt bringen und umgekehrt während eines Unterbrechens eines Strompfades relativ zueinander bewegbare Schaltkontaktstücke voneinander entfernen, um ein elektrisches isolierendes Medium zwischen die Schaltkontaktstücke treten zu lassen. Im Gegensatz dazu wird unter nichtkonventionellen Schaltstellen eine Konstruktion verstanden, welche das Impedanzverhalten der Schaltstelle unabhängig von einer mechanischen Bewegung variiert. Unabhängig vom Schaltzustand der Schaltstelle bleibt eine physische Verbindung zwischen den zu trennenden Potentialen erhalten. Lediglich die Impedanz der Schaltstelle wird umgesteuert. Die Schaltstelle kann beispielsweise durch einen Halbleiter gebildet sein, welcher bedarfsweise in einen elektrisch leitenden Zustand oder einen elektrisch isolierenden Zustand versetzt wird. Da unter Nutzung von halbleitenden Bauteilen eine Durchschaltung bzw. Unterbrechung eines Strompfades durch einen Halbleiter selbst bewirkt wird, werden diese auch als Leistungshalbleiter bezeichnet. Nichtkonventionelle Schaltstellen sind beispielsweise Leistungselektroniken. Eine Leistungselektronik kann neben der eigentlichen Schaltstelle auch weitere Baugruppen umfassen, welche einer Steuerung der Impedanz der Schaltstelle dienen. Als nichtkonventionelle Schaltstellen können beispielsweise Thyristoren, GTO, IGCT, IGBT bzw. allgemein Leistungstransistoren usw. genutzt werden. Gegebenenfalls kann die nichtkonventionelle Schaltstelle auch über mehrere Halbleiterelemente verfügen und gegebenenfalls modular aufgebaut sein.
In einer Reihenschaltung bildet eine Gruppe von Schaltstellen eine elektrisch leitende Bahn aus, welche sich von einem Punkt A zu einem Punkt B erstreckt, wobei jede der Schaltstellen elektrisch hintereinander geschaltet ist. Die Reihenschaltung von Schaltstellen ist Teil einer Schaltstrecke der elektrischen Schalteinrichtung. Dadurch ist die Möglichkeit gegeben, dass eine zwischen den Punkten A und B zu haltende Spannung, die bei einem Ausschaltvorgang zu beherrschen ist, auf eine Vielzahl von Schaltstellen aufgeteilt wird. In einem Idealfall stellt sich eine Spannungsverteilung über den Schaltstellen so ein, dass über jeder der Schaltstellen annähernd der gleiche Spannungsfall auftritt und somit jede der Schaltstellen nur für einen Bruchteil der gesamt zu beherrschenden Spannung auszulegen ist. Die Schalteinrichtung kann dazu entsprechende Steuermittel wie beispielsweise Steuerwiderstände aufweisen, um eine möglichst gleichmäßige Spannungsverteilung zu erreichen. Bei der Verwendung einer ersten und einer zweiten jeweils konventionellen Schaltstelle sowie einer nichtkonventionellen Schaltstelle stellt sich der Fall beispielsweise so dar, dass über jeder der Schaltstellen annähernd ein Drittel der durch die Schaltstrecke der Schalteinrichtung zu beherrschenden elektrischen Spannung abfällt. Bedarfsweise kann jedoch auch vorgesehen sein, dass eine abweichende Spannungsverteilung je nach Auslegung der einzelnen Schaltstellen angestrebt wird, so dass beispielsweise eine der Schaltstellen in höherem Maße belastet wird, wodurch eine andere Schaltstelle entlastet wird. Zur Reduzierung der Belastung der Schaltstellen ist es beispielsweise weiter möglich, die Anzahl der konventionellen Schaltstellen zu erhöhen, aber es besteht auch die Möglichkeit, die Anzahl der nichtkonventionellen Schaltstellen zu erhöhen.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung kann vorsehen, dass die nichtkonventionelle Schaltstelle in der Reihenschaltung zwischen der ersten konventionellen Schaltstelle und der zweiten konventionellen Schaltstelle liegt.
Eine Anordnung der nichtkonventionellen Schaltstelle zwischen einer ersten und einer zweiten konventionellen Schaltstelle ermöglicht bzw. unterstützt eine gleichmäßige Verteilung der Gesamtspannung auf die einzelnen Schaltstellen. Insbesondere bei Ausschaltvorgängen kann die nichtkonventionelle Schaltstelle durch vor und nach ihr liegende konventionelle Schaltstellen vor Überlastungen geschützt werden. So ist es beispielsweise möglich, dass in den konventionellen Schaltstellen ein Zünden eines Ausschaltlichtbogens im Zuge einer Unterbrechung eines Stromes erwünscht ist, wodurch aufgrund der sich einstellenden Lichtbogenspannung und der sich erhöhenden Gesamtimpedanz in der Reihenschaltung der Schalteinrichtung eine Belastung an der nichtkonventionellen Schaltstelle reduziert wird. So ist ein Zünden eines Ausschaltlichtbogens zumindest in einer, insbesondere in der Mehrzahl bzw. allen konventionellen Schaltstellen von Vorteil, um die Impedanz der Schaltstrecke der Schalteinrichtung während eines Ausschaltvorganges zu erhöhen und ein Unterbrechen des über den/die Ausschaltlichtbogen/-bögen fließenden elektrischen Stromes zu unterstützen. Damit ist es möglich, die nichtkonventionelle Schaltstelle in ihrer Dimensionierung zu reduzieren, so dass diese lediglich einen durch die Lichtbögen bereits reduzierten Gleichstrom zu unterbrechen braucht. Entsprechend ergibt sich eine kostengünstige nichtkonventionelle Schaltstelle, wodurch die Gesamtkostensituation für die Schalteinrichtung verbessert wird.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung kann vorsehen, dass eine Vielzahl von konventionellen Schaltstellen in Reihe verschaltet ist und die nichtkonventionelle Schaltstelle die Vielzahl von konventionellen Schaltstellen in annähernd gleiche Gruppen von konventionellen Schaltstellen unterteilt.
Eine Vielzahl von konventionellen Schaltstellen weist zumindest eine erste und eine zweite nichtkonventionelle Schaltstelle auf. Durch eine Anordnung der nichtkonventionellen Schaltstelle zwischen den beiden konventionellen Schaltstellen ist eine Unterteilung der konventionellen Schaltstellen in eine erste und in eine zweite Gruppe vorgenommen. Eine derartige Gruppierung der konventionellen Schaltstellen unterstützt die Wirksamkeit der nichtkonventionellen Schaltstelle. Insbesondere bei einer Erhöhung der Anzahl von konventionellen Schaltstellen auf mehr als zwei Schaltstellen kann sich die Gesamtspannung über die Schaltstellen der Schalteinrichtung entsprechend verteilen und die Spannungsbelastung der einzelnen Schaltstelle reduzieren. Die nichtkonventionelle Schaltstelle ist vor einer Spannungsüberlastung durch eine Spannungsverteilung durch eine Vielzahl von konventionellen Schaltstellen geschützt. Vorteilhaft sollten die Gruppen gleichartige Impedanzen aufweisen, so dass sich eine symmetrische Spannungsverteilung zwischen den Gruppen ergibt. Erhöht man die Anzahl der konventionellen Schaltstellen beispielsweise auf zehn oder mehrere zehn konventionelle Schaltstellen, so wird die Spannungsbelastung der einzelnen Schaltstellen jeweils reduziert, wodurch die Spannungsverteilung über der nichtkonventionellen Schaltstelle ebenfalls reduziert ist. Eine Aufteilung in entsprechende Gruppen hilft es, Asymmetrien in der Spannungsverteilung auszugleichen und so eine Überlastung der einzelnen Schaltstellen zu verhindern. In Summe sollte vorteilhaft in jeder der Gruppen eine gleiche Spannungsbelastung im Ausschaltfalle vorliegen. Eine derartige symmetrische Spannungsverteilung kann zusätzlich durch eine Steuerung der Spannungsverteilung, beispielsweise durch Steuerwiderstände, unterstützt werden.
Die Anzahl der konventionellen Schaltstellen sollte bevorzugt eine gradzahlige Anzahl sein, wobei in den Gruppen jeweils die gleiche Anzahl von konventionellen Schaltstellen angeordnet ist. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass je nach Ausführung der konventionellen Schaltstellen unterschiedliche Anzahlen von konventionellen Schaltstellen in den Gruppen enthalten sind, so dass beispielsweise die Spannungsverteilung über den Schaltstellen in verbesserter Weise gesteuert werden kann, insbesondere eine gleichmäßige Verteilung der Spannungsbelastung auf alle Schaltstellen erreicht wird.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung kann vorsehen, dass zumindest eine der konventionellen Schaltstellen eine Vakuumschaltkammer aufweist.
Eine Vakuumschaltkammer begrenzt einen evakuierten Raum, in welchem beispielsweise relativ zueinander bewegbare Schaltkontaktstücke angeordnet sind. Die einzelnen Schaltkontaktstücke werden während eines Ausschaltvorganges voneinander entfernt, wobei zwischen den Schaltkontaktstücken innerhalb des evakuierten Raumes ein Ausschaltlichtbogen gezündet werden kann. Vorteilhafterweise sollten die konventionellen Schaltstellen gleichartig aufgebaut sein, so dass sich eine gleichmäßige Verteilung der zu beherrschenden Spannungen über den einzelnen Schaltstellen einstellen kann.
Es kann beispielsweise vorgesehen sein, dass bei einer Bemessungsspannung von 350.000 Volt zwei Gruppen von je zehn konventionellen Schaltstellen Verwendung finden, wobei eine erste Gruppe von zehn konventionellen Schaltstellen vor einer nichtkonventionell Schaltstelle und eine zweite Gruppe von zehn konventionellen Schaltstellen hinter einer nichtkonventionellen Schaltstelle in Reihenschaltung verschaltet sind. Bei einer idealen Spannungsverteilung würde sich an jeder Schaltstelle beispielsweise eine Bemessungsspannung von 17.500 Volt ergeben. Unter realen Bedingungen sollte von einer Spannungsversteuerung ausgegangen werden, so dass die konventionellen Schaltstellen beispielsweise auf mindestens 20.000 Volt Bemessungsspannung ausgelegt sein sollten. Für diese 20.000 Volt sind vergleichsweise kurze Kontakthübe in dem evakuierten Raum einer Vakuumschaltkammer nötig, so dass in Verbindung mit vergleichsweise schnellen Antrieben auch ein schnelles Schalten eines elektrischen Stromes durch die Schalteinrichtung möglich ist. Dabei wird die nichtkonventionelle Schaltstelle aufgrund der Reihenschaltung und Anordnung zwischen den beiden Gruppen von konventionellen Schaltstellen ebenfalls auf 20.000 Volt ausgelegt. Wie man an diesem Beispiel erkennt, ist durch die Reihenschaltung von mehreren konventionellen Schaltstellen, insbesondere vor und hinter einer nichtkonventionellen Schaltstelle die Möglichkeit geben, Leistungshalbleiter mit reduzierten Bemessungsspannungen zu verwenden.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Ausschaltverfahren zum Betrieb einer Schalteinrichtung anzugeben, wobei die Schalteinrichtung eine erste konventionelle und eine zweite konventionelle Schaltstelle sowie eine nichtkonventionelle Schaltstelle aufweist, wobei die beiden konventionellen Schaltstellen und die nichtkonventionelle Schaltstelle in einer Reihenschaltung verschaltet sind. Aufgabengemäß wird dies bei einem Ausschaltverfahren der vorstehend genannten Art dadurch gelöst, dass zunächst die konventionellen Schaltstellen ausgeschaltet werden und darauf folgend die nichtkonventionelle Schaltstelle ausgeschaltet wird.
Das Ausschaltverfahren ist insbesondere zur Unterbrechung von Gleichströmen, welche von einer Gleichspannung getrieben sind, geeignet. Vor einem Beginn des Ausschaltverfahrens befinden sich sämtliche konventionellen und die nichtkonventionelle Schaltstelle in einem durchgeschalteten Zustand, d. h. die auszuschaltende Schalteinrichtung befindet sich im Einschaltzustand und weist einen Strompfad niederer Impedanz auf. Zum Initiieren eines Ausschaltens wird zunächst ein Unterbrechen der konventionellen Schaltstellen vorgenommen, wobei die nichtkonventionelle Schaltstelle weiterhin in ihrem EIN-Zustand verharrt. Folglich wird insbesondere bei einem Unterbrechen eines Gleichstromes zumindest in einer der konventionellen, bevorzugt jedoch in allen konventionellen Schaltstellen in Folge einer Kontakttrennung ein Ausschaltlichtbogen zwischen den jeweiligen Schaltkontaktstücken gezündet. Bevorzugt kann dies jeweils innerhalb eines evakuierten Raumes erfolgen. Für die Bewegung der relativ zueinander bewegbaren Schaltkontaktstücke der konventionellen Schaltstellen wird ein endliches Zeitintervall benötigt. Bereits während eines Ausschaltvorganges, d. h. vor einem Erreichen der Endlagen der relativ zueinander bewegbaren Schaltkontaktstücke der konventionellen Schaltstellen, kann die dielektrische Festigkeit der einzelnen Schaltstellen, insbesondere in Summe, bereits ausreichen, um eine ausreichende Spannungsfestigkeit (der Schaltstrecke) an der Schalteinrichtung, beispielsweise gegenüber einer so genannten wiederkehrenden Spannung zu erreichen. Eine wiederkehrende Spannung ist eine Spannung, die aufgrund von Netzimpedanzen, Schwingungsvorgängen oder ähnlichen Vorgängen während eines Ausschaltvorganges über der Schaltstrecke der Schalteinrichtung einstellt und gegebenenfalls einen höheren Betrag erreichen kann als die Bemessungsspannung der Schalteinrichtung. Zeitlich folgend zum Ausschalten der konventionellen Schaltstellen erfolgt ein Ausschaltimpuls der nichtkonventionellen Schaltstellen. Die nichtkonventionelle Schaltstelle wird gesperrt, so dass die nichtkonventionelle Schaltstelle den zu unterbrechenden Strom unterbricht und damit die in den einzelnen konventionellen Schaltstellen brennenden Ausschaltlichtbögen löscht. Mit dem Sperren der nichtkonventionellen Schaltstelle steigt in Folge des unterbrochenen elektrischen Stromes die wiederkehrende Spannung über der nichtkonventionellen Schaltstelle an. Um ein Rückzünden des elektrischen Stromes zu verhindern, übernimmt die nichtkonventionelle Schaltstelle die Spannungshaltung an der Schalteinrichtung so lange, bis die nichtkonventionellen Schaltstellen nach dem Erlöschen der Ausschaltlichtbögen eine ausreichende Spannungsfestigkeit aufweisen, um eine Potentialtrennung an der Schalteinrichtung sicherzustellen.
Nach dem Erlöschen der Ausschaltlichtbögen nimmt die Spannungsfestigkeit der konventionellen Schaltstellen zu. Die nichtkonventionelle Schaltstelle braucht so nur in einem Anfangsintervall des Anstieges der wiederkehrenden Spannung die Potentialtrennung an der elektrischen Schalteinrichtung zu beherrschen. Nach einer kurzen Rekombinationszeit der sich bereits geöffneten konventionellen Schaltstellen und den dort gerade erloschenen Lichtbögen verteilt sich die wiederkehrende Spannung über der Reihenschaltung aus konventionellen Schaltstellen und nichtkonventioneller Schaltstelle. Vorteilhaft an diesem Ausschaltverfahren ist, dass die nichtkonventionelle Schaltstelle nur während der Rekombinationszeit der konventionellen Schaltstrecke allein die wiederkehrende Spannung beherrschen muss. Während dieser Zeit nimmt die wiederkehrende Spannung zu. Die sich dabei einstellende Spannungsbeanspruchung sollte deutlich kleiner sein als die jeweilige Bemessungsspannung der nichtkonventionellen Schaltstelle. Das obenstehend genannte Ausführungsbeispiel aufnehmend, kann man davon ausgehen, dass die Bemessungsspannung der nichtkonventionellen Schaltstelle von 20.000 Volt nicht überschritten wird, da mit dem Erreichen des Betrages der Bemessungsspannung der nichtkonventionellen Schaltstelle durch die wiederkehrende Spannung die konventionellen Schaltstellen die Spannungshaltung bereits übernommen haben.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung kann vorsehen, dass bei einem Ausschalten der konventionellen Schaltstellen in zumindest einer der konventionellen Schaltstellen ein Lichtbogen gezündet wird.
Wird ein Lichtbogen in einer konventionellen Schaltstelle gezogen, so wird die Impedanz der Gesamtschaltstrecke der Schalteinrichtung bereits erhöht. Über der konventionellen Schaltstelle stellt sich eine so genannte Lichtbogenspannung ein. Dadurch wird ein Ausschalten des (über den Lichtbogen) fließenden Stromes durch die nichtkonventionelle Schaltstelle unterstützt.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung kann vorsehen, dass bis zu einem Verfestigen der konventionellen Schaltstellen eine Potentialtrennung durch die nichtkonventionelle Schaltstelle aufrecht erhalten wird.
Die konventionellen Schaltstellen benötigen aufgrund des brennenden Lichtbogens und der damit verbundenen Kontamination zum Verfestigen einer Isolierstrecke zwischen den Schaltkontaktstücken ein endliches Zeitintervall. Dadurch wird die Spannungsfestigkeit zwischen den Schaltkontaktstücken der konventionellen Schaltstellen innerhalb dieses Zeitintervalles verbessert. Das Verfestigen der konventionellen Schaltstellen kann dabei beispielsweise innerhalb von Bruchteilen einer Sekunde erfolgen. Während dieser Bruchteile einer Sekunde ist die nichtkonventionelle Schaltstelle dafür vorgesehen, die Spannungsfestigkeit der Schalteinrichtung, insbesondere bei einem Ansteigen einer wiederkehrenden Spannung, zu beherrschen und ein Wiederzünden eines Lichtbogens bzw. ein erneutes Fließen eines elektrischen Stromes zu verhindern.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung kann vorsehen, dass ein brennender Lichtbogen in einer konventionellen Schaltstelle durch die nichtkonventionelle Schaltstelle gelöscht wird.
Durch das Brennen eines Lichtbogens in einer konventionellen Schaltstelle wird während eines Schaltvorganges, insbesondere Ausschaltvorganges, an der Schalteinrichtung die Schaltstrecke der Schalteinrichtung bereits zu einem endgültigen Unterbrechen des Stromes vorbereitet. Durch den brennenden Lichtbogen wird die Impedanz der Schaltstrecke der Schalteinrichtung bereits erhöht, wobei ihre Impedanz noch nicht derart groß ist, dass eine vollständige Unterbrechung eines elektrischen Stromes erfolgt. Eine vollständige Unterbrechung des elektrischen Stromes wird durch ein Sperren der nichtkonventionellen Schaltstrecke hervorgerufen, so dass auch ein in der konventionellen Schaltstelle brennender Lichtbogen erlischt.
Weiterhin kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass die konventionellen Schaltstellen nahezu zeitgleich einen Ausschaltimpuls erhalten.
Ein nahezu zeitgleiches Auslösen der konventionellen Schaltstellen bewirkt ein annähernd synchrones Bewegen der relativ zueinander bewegbaren Schaltkontaktstücke. Entsprechend kommt es vorteilhaft nahezu zeitgleich in allen konventionellen Schaltstellen zu einem Zünden eines Lichtbogens, wodurch ein annähernd zeitgleiches Erhöhen der Impedanz der Schaltstrecke der Schalteinrichtung erzielt wird. Jeder Lichtbogen wird von einer entsprechenden Lichtbogenspannung getrieben, wobei die Impedanz des brennenden Lichtbogens als höher eingeschätzt werden kann als die Impedanz der konventionellen Schaltstellen im eingeschalteten Zustand.
Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch in einer Zeichnung gezeigt und nachfolgend näher beschrieben. Dabei zeigen die:
1: eine Verschaltung mehrerer konventioneller Schaltstellen und einer nichtkonventionellen Schaltstelle, die
2: eine Vorrichtung mit einer ersten konventionellen Schaltstelle, einer zweiten konventionellen Schaltstelle sowie einer nichtkonventionellen Schaltstelle und die
3: ein Diagramm.
Das Schaltbild nach 1 zeigt eine Schalteinrichtung 1, welche dem Unterbrechen eines Strompfades zwischen einem Punkt A und einem Punkt B dient. Die elektrische Schalteinrichtung 1 ist vorzugsweise zum Schalten eines Gleichstromes, welcher von einer Gleichspannung getrieben wird, ausgelegt. Die elektrische Schalteinrichtung 1 weist eine erste konventionelle Schaltstelle 2 sowie eine zweite konventionelle Schaltstelle 3 auf. Weiterhin weist die Schalteinrichtung 1 eine nichtkonventionelle Schaltstelle 4 auf. Die nichtkonventionelle Schaltstelle 4 ist elektrisch in Reihe zwischen der ersten konventionellen Schaltstelle 2 und der zweiten konventionellen Schaltstelle 3 angeordnet. Vorliegend sind n erste konventionelle Schaltstellen 2 sowie n zweite konventionelle Schaltstellen 3 vorgesehen. Beispielsweise können zehn erste konventionelle Schaltstellen 2 sowie zehn zweite konventionelle Schaltstellen 3 vorgesehen sein. Die ersten konventionellen Schaltstellen 2 sind sämtlichst elektrisch in Reihe geschaltet, wobei die ersten konventionellen Schaltstellen 2, welche auf der einen Seite der nichtkonventionellen Schaltstelle 4 liegen, eine erste Gruppe 5 von konventionellen Schaltstellen 2 bilden. Die zweiten konventionellen Schaltstellen 3 bilden eine zweite Gruppe 6 von konventionellen Schaltstellen 3. Innerhalb jeder der beiden Gruppen 5, 6 sind die jeweiligen ersten bzw. zweiten konventionellen Schaltstellen 2, 3 in Reihe verschaltet. Dadurch, dass die erste und die zweite Gruppe 5, 6 von konventionellen Schaltstellen 2, 3 in Reihe zu der nichtkonventionellen Schaltstelle 4 verschaltet sind, ergibt sich eine Reihenschaltung von konventionellen Schaltstellen 2, 3 sowie einer zwischengeschalteten nichtkonventionellen Schaltstelle 4. Die vorliegende nichtkonventionelle Schaltstelle 4 kann ihrerseits ebenfalls modular aufgebaut sein und beispielsweise einen Leistungshalbleiter aufweisen. Die nichtkonventionelle Schaltstelle 4 kann beispielsweise Thyristoren, IGBTs, Leistungstransistoren usw. auf Halbleiterbasis aufweisen.
Die 2 zeigt eine Schalteinrichtung 1a, welche eine nichtkonventionelle Schaltstelle 4a, eine erste konventionelle Schaltstelle 2a sowie eine zweite konventionelle Schaltstelle 3a aufweist. Vorliegend sind die beiden konventionellen Schaltstellen 2a, 3a als Vakuumschaltröhren ausgebildet, die jeweils ein ortsfestes Schaltkontaktstück 7 und ein relativ zum ortsfesten Schaltkontaktstück 7 beweglich gelagertes bewegbares Schaltkontaktstück 8 aufweisen. Die Vakuumschaltröhren weisen jeweils einen Röhrenkörper 9 auf, welcher fluiddicht ausgeführt und in seinem Inneren evakuiert ist. Das jeweilige bewegbare Schaltkontaktstück 8 ragt durch den jeweiligen Röhrenkörper 9 fluiddicht hindurch und ist relativ zum Röhrenkörper 9 sowie zum jeweiligen ortsfesten Schaltkontaktstück 7 bewegbar. Mit dem jeweiligen bewegbaren Schaltkontaktstück 8 ist jeweils eine Antriebseinrichtung 10 verbunden, welche eine Bewegung auf das bewegbare Kontaktstück 8 einkoppeln kann. Die beiden ortsfesten Kontaktstücke 7 der beiden konventionellen Schaltstellen 2a, 3a sind ihrerseits jeweils mit einem Anschluss der nichtkonventionellen Schaltstelle 4a verbunden. An den bewegbaren Kontaktstücken 8 ist über eine Gleitkontaktanordnung ein Abgreifen von Kontaktierungspunkten A, B der Schalteinrichtung 1a vorgesehen. Im Ausführungsbeispiel nach 2 ist die Verwendung genau einer ersten konventionellen Schaltstelle 2a und genau einer zweiten konventionellen Schaltstelle 3a vorgesehen. Zwischen den beiden konventionellen Schaltstellen 2a, 3a ist die Anordnung einer nicht konventionellen Schaltstelle 4a vorgesehen. Darüber hinaus können auch weitere erste bzw. weitere zweite konventionelle Schaltstellen 2a, 3a vorgesehen sein, die gegebenenfalls baugleich, gegebenenfalls jedoch auch abweichende Bauformen aufweisen.
Die 3 zeigt ein Diagramm, in welchem ein Graph 11 den zeitlichen Verlauf eines auszuschaltenden Gleichstromes zeigt. Ein Graph 12 symbolisiert die Spannungsfestigkeit der konventionellen Schaltstellen 2a, 3a. Ein Graph 13 zeigt schematisch den Verlauf der wiederkehrenden Spannung nach Unterbrechung des Gleichstromes an. Ein Graph 14 zeigt den Verlauf der Spannungsfestigkeit der nicht konventionellen Schaltstelle 4a an.
Zum Zeitpunkt t₀ ist bereits ein Ausschaltsignal an die konventionellen Schaltstellen 2a, 3a ergangen. Die konventionellen Schaltstellen 2a, 3a sind bereits geöffnet. Der zu unterbrechende Gleichstrom fließt zunächst weiter. Da der Gleichstrom in der Reihenschaltung der Schalteinrichtung 1a befindlich ist, werden in den konventionellen Schaltstellen 2a, 3a Lichtbögen gezündet. Die nichtkonventionelle Schaltstelle 4a befindet sich gerade noch in ihrem Einschaltzustand, d. h. die nichtkonventionelle Schaltstelle 4a weist ein niederimpedantes Verhalten auf. Durch das Brennen der Lichtbögen in den konventionellen Schaltstellen 2a, 3a wird die Impedanz der Schalteinrichtung 1a gegenüber ihrem eingeschalteten Zustand zunächst erhöht. Nachdem die konventionellen Schaltstellen 2a, 3a geöffnet sind, erfolgt auch ein Sperren der nichtkonventionellen Schaltstelle 4a, wobei sich die Impedanz der nichtkonventionellen Schaltstelle erhöht. Der zu unterbrechende Gleichstrom (Graph 11) wird gegen Null gedrückt und durch die nichtkonventionelle Schaltstelle 4a unterbrochen (Zeitpunkt t₁). Mit Unterbrechung des Gleichstromes erlischt auch jeglicher Lichtbogen in jeglicher konventioneller Schaltstelle 2a, 3a. Der Gleichstrom wird zum Zeitpunkt t₁ unterbrochen. Darauf folgend weist er einen Betrag von null Ampere (Graph 11) auf. Mit dem Unterbrechen des elektrischen Gleichstromes zum Zeitpunkt t₁ erlöschen auch die Lichtbögen in den konventionellen Schaltstellen 2a, 3a. Durch die thermische Einwirkung der Lichtbögen in den konventionellen Schaltstellen 2a, 3a sind die Isolierstrecken verunreinigt und erreichen noch nicht ihre volle Isolationsfestigkeit. Die Spannungsfestigkeit (Graph 12) der konventionellen Schaltstelle 2a, 3a ist noch nicht gegeben. Während des Zeitintervalles Δt zwischen den Zeitpunkten t₁ und t₂ verfestigen sich die konventionellen Schaltstellen 2a, 3a. Nach erfolgter Verfestigung steigt die Spannungsfestigkeit der konventionellen Schaltstellen 2a, 3a an (Graph 12).
Unmittelbar mit dem Unterbrechen des Gleichstromes übernimmt die nichtkonventionelle Schaltstelle 4a die Spannungshaltung an der elektrischen Schalteinrichtung 1a. Die sich mit Unterbrechung des Gleichstromes (t₁) einstellende wiederkehrende Spannung (Graph 13) steigt an.
Zum Ende des Zeitintervalles Δt nimmt die Spannungsfestigkeit (Graph 12) der konventionellen Schaltstellen 2a, 3a schneller zu als die wiederkehrende Spannung (Graph 13) zunimmt.
So ergibt sich zum Zeitpunkt t₃ ein Zustand, in welchem die Spannungsfestigkeit der konventionellen Schaltstellen 2a, 3a größer ist als der Betrag der wiederkehrenden Spannung. Ab diesem Zeitpunkt wären die konventionellen Schaltstellen 2a, 3a in der Lage, die Spannungshaltung an der Schalteinrichtung 1a zu übernehmen.
Zum Zeitpunkt t₄ übersteigt die Spannungsfestigkeit der konventionellen Schaltstellen 2a, 3a auch die Spannungsfestigkeit der nichtkonventionellen Schaltstelle 4a. Die Spannungsfestigkeit der nichtkonventionellen Schaltstelle 4a braucht nunmehr nicht mehr zu steigen, d. h. die nichtkonventionelle Schaltstelle 4a kann derart ausgelegt sein, dass mit einer weiter zunehmenden Spannungsfestigkeit der konventionellen Schaltstellen 2a, 3a die Spannungsfestigkeit der nichtkonventionellen Schaltstelle 4a nicht mehr zunehmen muss. Entsprechend ist die Möglichkeit gegeben, kostengünstige nichtkonventionelle Schaltstellen 4a einzusetzen. Durch eine Überlappung im Zeitintervall t₃ bis t₄ und einer weiterhin ansteigenden Spannungsfestigkeit der nichtkonventionellen Schaltstelle 4a ist eine zusätzliche Sicherheit geschaffen, um eine ausreichende Spannungsfestigkeit der Schalteinrichtung 1a während eines Ausschaltvorganges zu erzielen.
Die elektrische Schalteinrichtung 1a wird nach einem Unterbrechen des elektrischen Gleichstromes mit einer wiederkehrenden Spannung (Graph 13) beaufschlagt. Mit dem Unterbrechen des Gleichstromes stellt sich über der elektrischen Schalteinrichtung 1a eine wiederkehrende Spannung ein. Diese wiederkehrende Spannung (Graph 13) ist jedoch nicht ausschließlich von der ursprünglich treibenden Spannung bestimmt, sondern es können während eines Schaltvorganges auch transiente Vorgänge auftreten, welche die wiederkehrende Spannung 13 zusätzlich vergrößern. Es kann auch zu Einschwingvorgängen kommen, welche die wiederkehrende Spannung beispielsweise nach Art einer E-Funktion ansteigen lassen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102011005905 A1 [0002]

Claims

Schalteinrichtung (1, 1a) aufweisend eine erste konventionelle Schaltstelle (2, 2a), eine zweite konventionelle Schaltstelle (3, 3a) sowie eine nichtkonventionelle Schaltstelle (4, 4a), dadurch gekennzeichnet, dass die erste konventionelle Schaltstelle (2, 2a), die zweite konventionelle Schaltstelle (3, 3a) sowie die nichtkonventionelle Schaltstelle (4, 4a) miteinander eine Reihenschaltung ausbilden.
Schalteinrichtung (1, 1a) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die nichtkonventionelle Schaltstelle (4, 4a) in der Reihenschaltung zwischen der ersten konventionellen Schaltstelle (2, 2a) und der zweiten konventionellen Schaltstelle (3, 3a) liegt.
Schalteinrichtung (1, 1a) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl von konventionellen Schaltstellen (2, 2a, 3, 3a) in Reihe verschaltet ist und die nichtkonventionelle Schaltstelle (4, 4a) die Vielzahl von konventionellen Schaltstellen (2, 2a, 3, 3a) in annähernd gleiche Gruppen (5, 6) von konventionellen Schaltstellen (2, 2a, 3, 3a) unterteilt.
Schalteinrichtung (1, 1a) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der konventionellen Schaltstellen (2, 2a, 3, 3a) eine Vakuumschaltkammer aufweist.
Ausschaltverfahren zum Betrieb einer Schalteinrichtung (1, 1a) aufweisend eine erste konventionelle Schaltstelle (2, 2a) und eine zweite konventionelle Schaltstelle (3, 3a) sowie eine nichtkonventionelle Schaltstelle (4, 4a), wobei die beiden konventionellen Schaltstellen (2, 2a, 3, 3a) und die nichtkonventionelle Schaltstelle (4, 4a) in einer Reihenschaltung verschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst die konventionellen Schaltstellen (2, 2a, 3, 3a) ausgeschaltet werden und darauf folgend die nichtkonventionelle Schaltstelle (4, 4a) ausgeschaltet wird.
Ausschaltverfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Ausschalten der konventionellen Schaltstellen (2, 2a, 3, 3a) in zumindest einer der konventionellen Schaltstellen (2, 2a, 3, 3a) ein Lichtbogen gezündet wird.
Ausschaltverfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass bis zu einem Verfestigen der konventionellen Schaltstellen (2, 2a, 3, 3a) eine Potentialtrennung durch die nichtkonventionelle Schaltstelle (4, 4a) aufrecht erhalten wird.
Ausschaltverfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein brennender Lichtbogen in einer konventionellen Schaltstelle (2, 2a, 3, 3a) durch die nichtkonventionelle Schaltstelle (4, 4a) gelöscht wird.
Ausschaltverfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die konventionellen Schaltstellen (2, 2a, 3, 3a) nahezu zeitgleich einen Ausschaltimpuls erhalten.