-
Die Erfindung betrifft einen Mittel- oder Hochspannungs-Schalter, insbesondere Freiluft-Mittel- oder Hochspannungs-Schalter, mit (i) einer Schaltstrecke, in der zwei Schaltvorrichtungen seriell verschaltet sind, (ii) einem Getriebe, (iii) einem Schaltelement zum Ansteuern der Schaltvorrichtungen über das Getriebe, und (iv) einem Antrieb zum Antreiben des Schaltelements.
-
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Verwendung eines derartigen Mittel- oder Hochspannungs-Schalters.
-
Ein Mittel- oder Hochspannungs-Schalter der eingangs erwähnten Art ist aus der Druckschrift
DE 10 2016 202 764 A1 bekannt, wo er als Leistungsschalter bezeichnet wird. Die Druckschrift zeigt einen Freiluft- Hochspannungs-Schalter, mit einer Schaltstrecke, die zwei seriell verschaltete Schaltkammern mit je einer Schaltvorrichtung umfasst, mit einem Getriebe, mit einer Schaltstange als Schaltelement zum Ansteuern der Schaltvorrichtungen über das Getriebe, sowie mit einem Antrieb zum Antreiben der Schaltstange. Neben dieser Schaltstrecke weist der in dieser Druckschrift diskutierte Hochspannungs-Schalter weiterhin eine auf gleiche Weise angesteuerte weitere Schaltstrecke auf.
-
Im Mittel- oder Hochspannungsbereich gibt es diverse Anwendungen für Schaltstrecken mit zwei seriell verschalteten Schaltvorrichtungen. Eine davon ist eine Gleichstrom-Schalteinrichtung zum Unterbrechen eines entlang eines Mittel- oder Hochspannungs-Strompfades fließenden elektrischen Gleichstroms. Die Druckschrift
DE 10 2013 213 602 A1 zeigt eine solche Gleichstrom-Schalteinrichtung.
-
Es ist die Aufgabe der Erfindung Maßnahmen anzugeben, durch die sich neue Einsatzmöglichkeiten für einen Mittel- oder Hochspannungs-Schalter, insbesondere im Zusammenhang mit einer Gleichstrom-Schalteinrichtung zum Unterbrechen eines elektrischen Gleichstroms, ergeben.
-
Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
-
Bei dem erfindungsgemäßen Mittel- oder Hochspannungs-Schalter, insbesondere Freiluft-Mittel- oder Hochspannungs-Schalter, mit einer Schaltstrecke, in der zwei Schaltvorrichtungen seriell verschaltet sind, mit einem Getriebe, mit einem Schaltelement zum Ansteuern der Schaltvorrichtungen über das Getriebe, und mit einem Antrieb zum Antreiben des Schaltelements, ist vorgesehen, dass das Getriebe derart ausgestaltet ist, dass das Schaltelement beim Ansteuern der Schaltvorrichtungen für einen Schaltprozess des Mittel- oder Hochspannungs-Schalters immer eine der beiden Schaltvorrichtungen zum Öffnen und die jeweils andere zum Schließen ansteuert.
-
Eine mögliche Verwendung für einen derartigen Mittel- oder Hochspannungs-Schalter ist die Verwendung in einer Gleichstrom-Schalteinrichtung zum Unterbrechen eines entlang eines Mittel- oder Hochspannungs-Strompfades fließenden elektrischen Gleichstroms, mit einer in diesem Strompfad verschaltbaren ersten Schalteinheit, mit einem Schaltungsmodul zum Erzwingen eines Strom-Nulldurchgangs in der ersten Schalteinheit und mit einer zweiten Schalteinheit zum Zuschalten der Gleichstrom-Schalteinrichtung oder zumindest des Schaltungsmoduls in den Mittel- oder Hochspannungs-Strompfad, wobei die erste Schaltvorrichtung des vorstehend genannten Mittel- oder Hochspannungs-Schalters die erste Schalteinheit und dessen zweite Schaltvorrichtung die zweite Schalteinheit bildet.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Getriebe derart ausgestaltet ist, dass das Ansteuern der Schaltvorrichtungen ein Schließen der zweiten Schaltvorrichtung vor dem Öffnen der ersten der Schaltvorrichtungen bewirkt. Im Rahmen der beschriebenen Anwendung in der Gleichstrom-Schalteinrichtung gibt es für diese Schaltreihenfolge Bedarf.
-
Alternativ ist -ebenfalls bevorzugt- vorgesehen, dass das Getriebe derart ausgestaltet ist, dass das Ansteuern der Schaltvorrichtungen ein Schließen der zweiten Schaltvorrichtung nach dem Öffnen der ersten der Schaltvorrichtungen bewirkt. Im Rahmen der beschriebenen Anwendung in der Gleichstrom-Schalteinrichtung gibt es auch für diese Schaltreihenfolge Bedarf.
-
Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass das Getriebe derart ausgestaltet ist, dass das Ansteuern der Schaltvorrichtungen ein Schließen der zweiten Schaltvorrichtung wahlweise vor oder nach dem Öffnen der ersten der Schaltvorrichtungen bewirkt.
-
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die erste der Schaltvorrichtungen als Kommutierungsschalter und die zweite der Schaltvorrichtungen als Trennschalter ausgebildet. Im Rahmen der beschriebenen Anwendung in der Gleichstrom-Schalteinrichtung haben die Schaltvorrichtungen in der Regel genau diese Funktion. Näheres ist beispielsweise der technischen Broschüre TB 683 2017 A3/B4-34 „Technical requirements and specifications of state-of-the-art HVDC switching equipment“ des CIGRE (CIGRE: Conseil International des Grands Reseaux Electriques) zu entnehmen.
-
Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Schaltstrecke zwei seriell verschaltete Schaltkammern, insbesondere Vakuum-Schaltkammern, aufweist, wobei in jeder der Schaltkammern je eine der Schaltvorrichtungen angeordnet ist. Eine solche Ausgestaltung der Schaltstrecke hat sich bewährt und ist beispielsweise aus der eingangs erwähnten Druckschrift
DE 10 2016 202 764 A1 bekannt.
-
Schließlich ist bevorzugt vorgesehen, dass der Mittel- oder Hochspannungs-Schalter weiterhin einen elektrischen Anschluss für eine Spannungszuführung zur Schaltstrecke zwischen den beiden Schaltvorrichtungen, insbesondere zwischen den beiden Schaltkammern, aufweist.
-
Weiterhin betrifft die Erfindung die Verwendung eines vorstehend genannten Mittel- oder Hochspannungs-Schalters in einer Gleichstrom-Schalteinrichtung zum Unterbrechen eines entlang eines Mittel- oder Hochspannungs-Strompfades fließenden elektrischen Gleichstroms.
-
Die Erfindung betrifft weiterhin die Verwendung des vorstehend genannten Mittel- oder Hochspannungs-Schalters in einer Gleichstrom-Schalteinrichtung zum Unterbrechen eines entlang eines Mittel- oder Hochspannungs-Strompfades fließenden elektrischen Gleichstroms 10.
-
Schließlich betrifft die Erfindung eine Gleichstrom-Schalteinrichtung zum Unterbrechen eines entlang eines Mittel- oder Hochspannungs-Strompfades fließenden elektrischen Gleichstroms, mit
- - einer in diesem Strompfad verschaltbaren ersten Schalteinheit,
- - einem Schaltungsmodul zum Erzwingen eines Strom-Nulldurchgangs in der ersten Schalteinheit,
- - einer zweiten Schalteinheit zum Zuschalten der Gleichstrom-Schalteinrichtung oder zumindest des Schaltungsmoduls in den Mittel- oder Hochspannungs-Strompfad, und
- - einen vorstehend genannten Mittel- oder Hochspannungs-Schalter, dessen erste Schaltvorrichtung die erste Schalteinheit und dessen zweite Schaltvorrichtung die zweite Schalteinheit bildet.
-
Im Allgemeinen lassen sich Schalteinheiten für diese Mittel- oder Hochspannungsanwendung in drei Kategorien einteilen: Halbeiterschalter (z.B. mit GTOs, IGBTs etc.), mechanische Schalteinheiten und hybride Schalteinheiten. Dabei lassen sich mechanische Schalteinheiten für höhere Spannungsebenen (keine Bahnanwendungen mit Löschkammerschaltern oder Schaltern mit Lichtbogenhörnern) in Schalteinheiten mit passiven oder aktiven parallelen Kommutierungspfaden einteilen.
-
Bei einer ersten Schalteinheit mit einer hohen Lichtbogenbrennspannung kann ein passiver Schwingkreis verwendet werden, da bei geeigneter Auslegung des Kreises durch die negative Spannungs-Strom-Kennlinie eines Lichtbogens ein Aufklingen des Stromes erreicht wird. Im Idealfall kommt es in der mechanischen Schalteinheit zu einem künstlichen Stromnulldurchgang, so dass die erste Schalteinheit den Strom unterbrechen kann. Bei diesem Schaltprinzip ist jedoch die Zeit bis zu Stromunterbrechung relativ lange.
-
Durch den Einsatz eines aktiven parallelen Kommutierungspfades kann die Schaltzeit deutlich verkürzt und die Notwendigkeit einer hohen Lichtbogenbrennspannung verhindert werden. Dazu wird typischerweise ein RLC-Schwingkreis mit einem vorgeladenen Kondensator als kapazitive Komponente verwendet. Der Kondensator wird dazu idealerweise negativ in Bezug auf die Strom- und Spannungsrichtung der ersten Schalteinheit aufgeladen. Im Schaltfall wird die erste Schalteinheit geöffnet und es entsteht ein Schaltlichtbogen zwischen ihren Kontakten. Hat dieser einen ausreichend großen Isolationsabstand erreicht, um der wiederkehrenden Spannung standzuhalten, so wird nun der RLC-Schwingkreis geschlossen, sodass sich der Kondensator entlädt und ein Strom-Null-Impuls in das mechanische Schaltgerät eingeprägt wird. Ist nun die Amplitude des Strom-Null-Impulses ausreichend hoch, sodass dies zu einem Stromnulldurchgang in dem mechanischen Schaltgerät führt, dann kann der Strom durch die erste Schalteinheit unterbrochen werden.
-
Dementsprechend ist insbesondere vorgesehen, dass das Schaltungsmodul zur Bildung einer Schwingkreisschaltung zusammen mit der ersten Schalteinheit zumindest eine induktive Komponente und zumindest eine kapazitive Komponente aufweist. Das Schaltungsmodul bzw. dessen Kommutierungspfad umfasst also ein LC-Glied oder ein RLC-Glied. Über diese Schwingkreisschaltung ist dann ein Erzwingen eines Strom-Nulldurchgangs in der ersten Schalteinheit möglich. Mit anderen Worten werden in einem solchen parallelen Kommutierungspfad typischerweise die Einheiten (Widerstand R, Induktivität L, Kapazität C) für einen RC- beziehungsweise RLC-Schwingkreis verschaltet.
-
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die zweite Schalteinheit (i) im Mittel- oder Hochspannungs-Strompfad mit der ersten Schalteinheit in Serie geschaltet ist oder (ii) zum wahlweisen Zuschalten des Schaltungsmoduls zur ersten Schalteinheit im Schaltungsmodul, insbesondere im Kommutierungspfad, verschaltet ist.
-
Bevorzugt weist die Gleichstrom-Schalteinrichtung auch eine Steuereinrichtung zum Ansteuern der Schaltvorrichtungen auf. Diese Steuereinrichtung umfasst dann das Getriebe, das Schaltelement zum Ansteuern der Schaltvorrichtungen über das Getriebe, und den Antrieb zum Antreiben des Schaltelements.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Gleichstrom-Schalteinrichtung weist diese einen parallel zu der ersten Schalteinheit und zu dem Schaltungsmodul geschalteten Überspannungsableiter auf.
-
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch in Zeichnungen gezeigt und nachfolgend näher beschrieben. Dabei zeigen:
- 1 eine Gleichstrom-Schalteinrichtung mit einem Mittel- oder Hochspannungs-Schalter gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung und
- 2 eine Gleichstrom-Schalteinrichtung mit einem Mittel- oder Hochspannungs-Schalter gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
-
Die 1 zeigt eine Schaltungsanordnung 10 mit einem Mittel- oder Hochspannungs-Strompfad 12 und einer Gleichstrom-Schalteinrichtung 14 zum Unterbrechen eines entlang des Mittel- oder Hochspannungs-Strompfades 12 fließenden elektrischen Gleichstroms 10. Um den Verlauf des Mittel- oder Hochspannungs-Strompfades 12 eindeutig darzustellen, sind Anfangs- und Endpunkt A, B des dargestellten Teils dieses Strompfades 12 entsprechend gekennzeichnet.
-
Die Gleichstrom-Schalteinrichtung 14 weist eine in dem Strompfad 12 verschaltbare erste Schalteinheit 16 und ein Schaltungsmodul 18 zum Erzwingen eines Strom-Nulldurchgangs in der Schalteinheit 16 auf. Die Schalteinheit 16 ist ein mechanisches Schaltgerät, beispielsweise eine Vakuumschaltröhre. Das Schaltungsmodul 18 zum Erzwingen eines Strom-Nulldurchgangs in der ersten Schalteinheit 16 bildet zusammen mit dieser Schalteinheit 16 eine Schwingkreisschaltung 20. Dazu ist das Schaltungsmodul 18 als Kommutierungsstrompfad, kurz: Kommutierungspfad, ausgebildet, der parallel zu der ersten Schalteinheit 16 geschaltet ist. Im Schaltungsmodul 18 bzw. Kommutierungspfad ist eine Serienschaltung eines resistiven Elements 22, eines induktiven Elements 24 und eines kapazitiven Elements 26 verschaltet. Die hier gezeigte Schwingkreisschaltung 20 ist also eine Serien-Schwingkreisschaltung eines RLC-Schwingkreises. Diese gezeigte sehr einfache Ausgestaltung des Schaltungsmoduls 18 zum Erzwingen eines Strom-Nulldurchgangs in der ersten Schalteinheit 16 ist lediglich eine von mehreren bekannten Möglichkeiten zur Ausgestaltung eines solchen Schaltungsmoduls 18.
-
Als weitere Komponente weist die Gleichstrom-Schalteinrichtung 14 eine zweite Schalteinheit 28 sowie einen parallel zu der ersten Schalteinheit 16 und zu dem Kommutierungspfad des Schaltungsmoduls 18 geschalteten Überspannungspfad 30 mit darin verschaltetem Überspannungsableiter 32 auf. Es ergibt sich eine Parallelschaltung von der ersten Schalteinheit 16 mit dem Kommutierungspfad des Schaltungsmoduls 18 und dem Überspannungspfad 30, die im Mittel- oder Hochspannungs-Strompfad 12 mit der zweiten Schalteinheit 28 in Serie geschaltet ist. Die zweite Schalteinheit 28 dient dem Zuschalten des restlichen Teils der Gleichstrom-Schalteinrichtung 14, also hier der besagten Parallelschaltung von erster Schalteinheit 16 und Kommutierungs- und Überspannungspfad 18, 30 in den Mittel- oder Hochspannungs-Strompfad 12. Wie bei derartigen Gleichstrom-Schalteinrichtungen 14 üblich ist die erste der Schalteinheiten 16 als Kommutierungsschalter und die zweite der Schalteinheiten 28 als Trennschalter ausgebildet.
-
Der zentrale Teil der Gleichstrom-Schalteinrichtung 14, der zumindest die beiden Schalteinheiten 16, 28 umfasst, wird nun von einem Mittel- oder Hochspannungs-Schalter 34 bereitgestellt. Dieser ist im Beispiel als Freiluft-Schalter ausgebildet.
-
Besagter Mittel- oder Hochspannungs-Schalter 34 umfasst eine Schaltstrecke 36 mit einer ersten Schaltkammer 38, die eine erste Schaltvorrichtung 40 beherbergt und mit einer zweiten Schaltkammer 42, die eine zweite Schaltvorrichtung 44 beherbergt. Die beiden Schaltkammern 38 und 42 sind in Reihe geschaltet und durch Öffnen oder Schließen der Schaltvorrichtungen 40, 44 wird ein Stromfluss über die Schaltstrecke 36 des Hochspannungs-Schalters 34 verhindert oder ermöglicht. Die Schaltstrecke 36 ist im Mittel- oder Hochspannungs-Strompfad 12 verschaltet und die erste Schaltvorrichtung 40 bildet nun die erste Schalteinheit 16 der Gleichstrom-Schalteinrichtung 14 und die zweite Schaltvorrichtung 44 bildet die zweite Schalteinheit 28 der Gleichstrom-Schalteinrichtung 14.
-
Weiter umfasst der Hochspannungs-Schalter 34 ein Schaltelement 46, ein Getriebe 48 und einen Antrieb 50. Dieser Teil des Hochspannungs-Schalters 34 dient als eine Art Steuereinheit zur Ansteuerung der Schaltvorrichtungen 40, 44 bzw. Schaltkammern 38, 42. Der Antrieb 50 treibt das Schaltelement 46 an und dieses öffnet oder schließt über das Getriebe 48 die Schaltvorrichtungen 40, 44 bzw. Schaltkammern 38, 42. Das Schaltelement 46 ist im gezeigten Beispiel als Schaltstange 52 ausgebildet, die von einer Stützersäule 54 beherbergt wird. Der Antrieb 50 ist auf einem stielförmigen Basiselement 56 des Hochspannungs-Schalters 34 angeordnet, während sich unmittelbar oberhalb des Antriebs 50 ein Umlenkgetriebe 58 befindet. Die Stützersäule 54 erstreckt sich vom Antrieb 50 bzw. dem Umlenkgetriebe 58 vertikal bis zum Getriebe 48, durch das die Schaltstrecke 36 quer zur Stützersäule 54 bzw. der darin befindlichen Schaltstange 52 verläuft. Mit anderen Worten verläuft die Schaltstrecke 36 hier also waagerecht.
-
Die Schaltkammern 38, 42 schließen sich beidseitig an das Getriebe 48 an. Am Getriebe 48 befindet sich ein elektrischer Anschluss 60, über den der Kommutierungs- und der Überspannungspfad 18, 30 im Ausführungsbeispiel der 1 einen (nicht gezeigten) Mittelabgriff an der Schaltstrecke 36 zwischen den beiden Schaltkammern 38, 42 elektrisch kontaktiert.
-
Zum Unterbrechen des entlang des Mittel- oder Hochspannungs-Strompfades 12 (über die Punkte A und B) fließenden elektrischen Gleichstroms I0 müssen die Schalteinheiten 16, 28 bzw. Schaltvorrichtungen 40, 44 in einer an den Aufbau der Gleichstrom-Schalteinrichtung 14 angepassten Schaltreihenfolge öffnen bzw. schließen. Diese Schaltreichenfolge wird vom Getriebe 48 vorgegeben. Dabei ist das Getriebe 48 so ausgestaltet, dass das Schaltelement 46 beim Ansteuern der Schaltvorrichtungen 40, 44 für einen Schaltprozess des Mittel- oder Hochspannungs-Schalters 34 mittels des Schaltelements 46 in etwa gleichzeitig eine der beiden Schaltvorrichtungen 40, 44 zum Öffnen und die jeweils andere zum Schließen ansteuert.
-
Zum Unterbrechen des entlang des Mittel- oder Hochspannungs-Strompfades 12 fließenden elektrischen Gleichstroms I0 werden die beiden Schaltvorrichtungen 40, 44 nun so angesteuert, dass ein Schließen der zweiten Schaltvorrichtung 44 vor dem Öffnen der ersten der Schaltvorrichtungen 40 erfolgt.
-
Bei der in 2 gezeigten Schaltungsanordnung 10 mit Mittel- oder Hochspannungs-Strompfad 12 und Gleichstrom-Schalteinrichtung 14 zum Unterbrechen eines entlang des Mittel- oder Hochspannungs-Strompfades 12 fließenden elektrischen Gleichstroms I0 entspricht die Gleichstrom-Schalteinrichtung 14 im Wesentlichen der in 1 gezeigten Gleichstrom-Schalteinrichtung 14, sodass im Folgenden nur auf die Unterschiede eingegangen werden soll.
-
Bei dem in 2 gezeigten Beispiel verläuft der Mittel- oder Hochspannungs-Strompfad 12 „nur“ zwischen dem mit dem Mittelabgriff im Getriebe 48 verbundenen Anschluss 60 als Punkt A und dem auf der gegenüberliegenden Seite der ersten Schaltkammer 38 liegenden Punkt B. Somit ist die erste Schalteinheit 16 bzw. die erste Schaltvorrichtung 40 unmittelbar in diesem Strompfad verschaltet. Die zweite Schalteinheit 28 bzw. die zweite Schaltvorrichtung 44 ist über eine Parallelschaltung von Kommutierungs- und der Überspannungspfad 18, 30 parallel zu der ersten Schalteinheit 16 bzw. erste Schaltvorrichtung 40 geschaltet, sodass diese Parallelschaltung der beiden Pfade 18, 30 über die zweite Schalteinheit bzw. zweite Schaltvorrichtung zuschaltbar ist. Bezüglich der vollständigen Schaltstrecke 36 des Mittel- oder Hochspannungs-Schalters 34 (mit beiden Schaltkammern 38, 42) sind das den Kommutierungspfad bereitstellende Schaltungsmodul 18 als auch der Überspannungsstrompfad 30 parallelgeschaltet.
-
Zum Unterbrechen des entlang des Mittel- oder Hochspannungs-Strompfades 12 (über die Punkte A und B) fließenden elektrischen Gleichstroms I0 müssen die Schalteinheiten 16, 28 bzw. Schaltvorrichtungen 40, 44 in einer an den Aufbau der Gleichstrom-Schalteinrichtung 14 angepassten Schaltreihenfolge öffnen bzw. schließen. Diese Schaltreichenfolge wird auch bei diesem Ausführungsbeispiel vom Getriebe 48 vorgegeben.
-
Zum Unterbrechen des entlang eines Mittel- oder Hochspannungs-Strompfades 12 fließenden elektrischen Gleichstroms I0 werden die beiden Schaltvorrichtungen 40, 44 nun so angesteuert, dass ein Schließen der zweiten Schaltvorrichtung 44 nach dem Öffnen der ersten der Schaltvorrichtungen 40 erfolgt.
-
Bezugszeichenliste
-
- 10
- Schaltungsanordnung
- 12
- Mittel- oder Hochspannungs-Strompfad
- 14
- Gleichstrom-Schalteinrichtung
- 16
- Schalteinheit, erste
- 18
- Schaltungsmodul
- 20
- Schwingkreisschaltung
- 22
- Komponente, resistiv
- 24
- Komponente, induktiv
- 26
- Komponente, kapazitiv
- 28
- Schalteinheit, zweite
- 30
- Überspannungsstrompfad
- 32
- Überspannungsableiter
- 34
- Mittel- oder Hochspannungs-Schalter
- 36
- Schaltstrecke
- 38
- erste Schaltkammer
- 40
- erste Schaltvorrichtung
- 42
- zweite Schaltkammer
- 44
- zweite Schaltvorrichtung
- 46
- Schaltelement
- 48
- Getriebe
- 50
- Antrieb
- 52
- Schaltstange
- 54
- Stützersäule
- 56
- stielförmiges Basiselement
- 58
- Umlenkgetriebe
- 60
- Anschluss
- I0
- Gleichstrom
- A
- Punkt
- B
- Punkt
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102016202764 A1 [0003, 0013]
- DE 102013213602 A1 [0004]
