DE102022207630A1

DE102022207630A1 - Vorzündeinrichtung für eine Hochspannungs-Vakuumschaltröhre

Info

Publication number: DE102022207630A1
Application number: DE102022207630.3A
Authority: DE
Inventors: Stefan Giere; Thomas Heinz; Sylvio Kosse; Jörg Teichmann; Jan Weisker; Stefan Wilke
Original assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Current assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Priority date: 2022-07-26
Filing date: 2022-07-26
Publication date: 2024-02-01
Also published as: WO2024022885A1

Abstract

Es wird eine Hochspannungs-Schalteinrichtung aufweisend eine Hochspannungs-Vakuumschaltröhre 4 vorgeschlagen, der zur Verringerung des Kontaktverschleißes eine Vorzündeinrichtung 3 parallelgeschaltet ist. Varianten betreffen die Schaltfolge von Vakuumschaltröhre und Vorzündeinrichtung. In vorteilhafter Weise wird ein technisch robustes System geschaffen, das unter den Bedingungen von Hochspannung und hohen Strömen ein zuverlässiges Schalten bei langer elektrischer Lebensdauer aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Hochspannungs-Schalteinrichtung mit Vorzündeinrichtung und ein Verfahren zum Betrieb dieser Hochspannungs-Schalteinrichtung.
Häufiges Einschalten mit hohem Strom speziell in Vakuumschaltröhren kann zu einer Schädigung der Kontakte eines Leistungsschalters führen, was schließlich die elektrische und mechanische Lebensdauer begrenzt. Das Ausschalten eines hohen Stromes kann der Schädigung entgegenwirken, da ein während der Ausschaltung auftretendes lokales Aufschmelzen der Kontaktoberfläche zu einer elektrischen Glättung der Kontaktoberfläche führt. Bei der Anwendung des Schalters an einer kapazitiven Last wie zum Beispiel einer Kondensatorbank ist allerdings der Ausschaltstrom zu gering, als dass dieser Glättungseffekt eintreten kann. Insbesondere bei Vakuumschaltern und insbesondere in der Hochspannungstechnik kann dieses zu einer deutlich begrenzten Lebensdauer aber auch zu einer unerlaubten Anzahl von Rückzündungen führen.
In der Mittelspannung wird dieses Phänomen kinematisch durch gut gewählte Abstimmung zwischen Ein- und Ausschaltgeschwindigkeit gelöst. Hier wirkt sich positiv aus, dass die so genannten Vorzündzeiten, das heißt, die Einwirkzeit des beim Einschalten auftretenden Lichtbogens, aufgrund der relativ geringen Spannungen sehr gering sind. Dies ist allerdings in der Hochspannung nicht der Fall, hier weichen die Vorzündzeiten signifikant von Null ab.
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Lösung anzugeben, wie der Verschleiß einer Hochspannungs-Vakuumschaltröhre erheblich reduziert werden kann.
Das Problem wird durch eine Hochspannungs-Schalteinrichtung mit Vorzündeinrichtung umfassend die Merkmale des Anspruchs 1 und ein Verfahren zum Betrieb dieser Hochspannungs-Schalteinrichtung umfassend die Merkmale des Anspruchs 7 gelöst.
Die erfindungsgemäße Hochspannungs-Vakuumschalteinrichtung weist einen zusätzlichen Einschaltkontakt außerhalb der Vakuumschaltröhre auf, so dass der Einschaltlichtbogen nicht in der Vakuumröhre entsteht und die Vakuumröhre nicht schädigt.
Die erfindungsgemäße Lösung schafft ein technisch robustes System, das unter den Bedingungen von Hochspannung und hohen Strömen ein zuverlässiges Schalten bei langer elektrischer Lebensdauer aufweist.
Der Hauptkontakt 12 der Hauptschalteinheit 2 kann auf das Führen des Stromes und der Nebenkontakt 13 der Nebenschalteinheit 3 kann auf das Schalten des Stromes optimiert ausgelegt werden. Dies ist von besonderer Bedeutung für eine Ausgestaltung der Erfindung, bei der die Nebenschalteinheit 3 mit einer zusätzlichen Vakuumröhre, insbesondere als Nebenkontakt 13 im Einschaltstrompfad, gebildet ist.
In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung werden der Nebenkontakt und / oder der Hauptkontakt phasengesteuert einbeziehungsweise ausgeschaltet. Durch diese Maßnahme wird, gegebenenfalls im Betrieb mit Wechselspannung, der Zeitpunkt respective die Phasenlage des Öffnens beziehungsweise des Schileßens von Hauptkontakt und / oder Nebenkontakt, insbesondere durch die Antriebseinheit im Zusammenwirken mit dem Getriebe, derart gesteuert, dass ein minimierter Kontaktverschleiß zu erwarten ist.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung wird im Folgenden als Ausführungsbeispiel in einem zum Verständnis erforderlichen Umfang anhand von Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:

1 eine erfindungsgemäße Hochspannungs-Vakuumschalteinrichtung 1 mit Hauptschalteinheit 2 und gesonderter Nebenschalteinheit 3,
2 eine erfindungsgemäße Hochspannungs-Vakuumschalteinrichtung mit Hauptschalteinheit und integrierter Nebenschalteinheit,
3 eine erfindungsgemäße Hochspannungs-Vakuumschalteinrichtung mit Hauptschalteinheit und einer einen Einschaltwiderstand aufweisenden Nebenschalteinheit,
4 Schaltfolge der erfindungsgemäßen Hochspannungs-Vakuumschalteinrichtung, Schalter in aus,
5 Schaltfolge der erfindungsgemäßen Hochspannungs-Vakuumschalteinrichtung, Vorzündung am Nebenkontakt im Isoliergas,
6 Schaltfolge der erfindungsgemäßen Hochspannungs-Vakuumschalteinrichtung, Nebenkontakt schließt,
7 Schaltfolge der erfindungsgemäßen Hochspannungs-Vakuumschalteinrichtung, Hauptkontakt schließt und
8 Schaltfolge der erfindungsgemäßen Hochspannungs-Vakuumschalteinrichtung, Nebenkontakt öffnet.

In den Figuren bezeichnen gleiche Bezeichnungen gleiche Elemente.
1 zeigt eine Hauptschalteinheit 2, die mit einer einen Hauptkontakt aufweisenden Hochspannungs-Vakuumschaltröhre 4 gebildet ist und die mit einer Stromzufuhr 5 sowie einer Stromabfuhr 6 elektrisch verbunden ist. Eine Nebenschalteinheit 3 ist mit der Stromzufuhr 5 und der Stromabfuhr 6 elektrisch verbunden, womit die Nebenschalteinheit 3 der Hauptschalteinheit 2 parallelgeschaltet ist. In dem Gehäuse der Nebenschalteinheit 3 ist ein Nebenkontakt 13 angeordnet.
Die Nebenschalteinheit 3 bildet eine Vorzündeinrichtung für die Hauptschalteinheit 2. Die Hauptschalteinheit 2 und die Nebenschalteinheit 3 sind in gesonderten Gehäusen, insbesondere gesonderten Isolierbehältern, angeordnet. Das Gehäuse der Nebenschalteinheit 3 mag mit einem, insbesondere frei von Schwefel-Hexafluorid (SF6-freien), Isoliergas hermetisch gefüllt sein. Die Hauptschalteinheit 2 und die Nebenschalteinheit 3 sind über eine Antriebseinheit 7, eine Isolierstange 8 und ein Getriebe 9 derart mechanisch betätigbar, dass die zeitliche Abfolge von Schliessen und Öffnen des Hauptkontaktes in der Hauptschalteinheit 2 und des Nebenkontaktes in der Nebenschalteinheit 3 gesteuert wird.
Die Hochspannungs-Vakuumschalteinrichtung 1 nach 2 unterscheidet sich von der Hochspannungs-Vakuumschalteinrichtung 1 nach 1 dadurch, dass die Hochspannungs-Vakuumschaltröhre 4 der Hauptschalteinheit 2 und der Schaltkontakt 13 der Nebenschalteinheit 3 in einem gemeinsamen Gehäuse, insbesondere gemeinsamen Isolierbehälter 10, angeordnet sind.
Die Hochspannungs-Vakuumschalteinrichtung 1 nach 3 weist zusätzlich zu der Hochspannungs-Vakuumschalteinrichtung 1 nach 1 einen Einschaltwiderstand 11 auf, der in Reihe mit dem Nebenkontakt 13 der Nebenschalteinheit 3 zwischen der Stromzufuhr 5 und der Stromabfuhr 6 elektrisch verbunden ist. Der Nebenkontakt der Nebenschalteinheit 3 und der Einschaltwiderstand 11 mögen gemeinsam in einem Gehäuse, insbesondere Isolierbehälter, angeordnet sein. Der Einschaltwiderstand 11 begrenzt den Einschaltstrom.
4 bis 8 zeigen mittels der Antriebseinheit 7 und des Getriebes 9 gesteuerte, charakteristische Schaltfolgen von Schliessen und Öffnen des Hauptkontaktes 12 in der Hauptschalteinheit 2 und des Nebenkontaktes 13 in der Nebenschalteinheit 3. Die Darstellung der Antriebseinheit und der Isolierstange sind der Übersichtlichkeit halber weggelassen. In der Schaltfolge 4 ist die Hochspannungs-Vakuumschalteinrichtung 1 ausgeschaltet, der Hauptkontakt 12 in der Hauptschalteinheit 2 und der Nebenkontakt 13 in der Nebenschalteinheit 3 sind geöffnet. In der Schaltfolge 5 ist das untere Kontaktstück des Nebenkontaktes 13 mittels der Antriebseinheit eine Teilstrecke des gesamten Kontaktweges nach oben bewegt, wobei eine Vorzündung 14 am Nebenkontakt im Isoliergas erfolgt. In der Schaltfolge 6 ist das untere Kontaktstück des Nebenkontaktes 13 mittels der Antriebseinheit den gesamten Kontaktweg nach oben bewegt, der Nebenkontakt 13 ist geschlossen. In der Schaltfolge 7 ist das untere Kontaktstück des Nebenkontaktes mittels der Antriebseinheit den gesamten Kontaktweg nach oben bewegt, der Nebenkontakt ist geschlossen, der Hauptkontakt ist mittels der Antriebseinheit geschlossen. In der Schaltfolge 8 ist das untere Kontaktstück des Nebenkontaktes mittels der Antriebseinheit den gesamten Kontaktweg nach unten bewegt, der Nebenkontakt 13 ist offen, der Hauptkontakt 12 ist geschlossen.
Unter Hochspannung im Sinne der Erfindung wird eine Spannung von 72,5 kilo Volt und größer verstanden.
Die vorliegende Erfindung wurde zu Illustrationszwecken anhand von konkreten Ausführungsbeispielen im Detail erläutert. Dabei können Elemente der einzelnen Ausführungsbeispiele auch miteinander kombiniert werden. Die Erfindung soll daher nicht auf einzelne Ausführungsbeispiele beschränkt sein, sondern lediglich eine Beschränkung durch die angehängten Ansprüche erfahren.
Bezugszeichenliste

1: Hochspannungs-Vakuumschalteinrichtung
2: Hauptschalteinheit
3: Nebenschalteinheit, Vorzündeinrichtung
4: Vakuumschaltröhre
5: Stromzufuhr
6: Stromabfuhr
7: Antriebseinheit
8: Isolierstange
9: Getriebe
10: Gemeinsames Gehäuse
11: Einschaltwiderstand zur Strombegrenzung
12: Hauptkontakt
13: Nebenkontakt
14: Vorzündung am Nebenkontakt
a: Schalter in aus
b: Vorzündung am Nebenkontakt im Isoliergas
c: Nebenkontakt schließt
d: Hauptkontakt schließt
e: Nebenkontakt öffnet

Claims

Hochspannungs-Schalteinrichtung mit Vorzündeinrichtung umfassend eine Hauptschalteinheit (2), die mit einer einen Hauptkontakt (12) aufweisenden Hochspannungs-Vakuumschaltröhre (4) gebildet ist und die mit einer Stromzufuhr (5) sowie einer Stromabfuhr (6) elektrisch verbunden ist, eine Antriebseinheit (7), mittels derer die Hochspannungs-Vakuumschaltröhre mechanisch betätigbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine einen Nebenkontakt (13) aufweisende Nebenschalteinheit (3) mit der Stromzufuhr und der Stromabfuhr elektrisch verbunden ist, von der Antriebseinheit mechanisch betätigbar ist und eine Vorzündeinrichtung für die Hochspannungs-Vakuumschaltröhre bildet.
Hochspannungs-Schalteinrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Nebenschalteinheit (3) ein Gehäuse aufweist, das mit einem, insbesondere frei von Schwefel-Hexafluorid, Isoliergas gefüllt ist.
Hochspannungs-Schalteinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptschalteinheit (2) und die Nebenschalteinheit (3) ein gemeinsames Gehäuse (10) aufweisen.
Hochspannungs-Schalteinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Nebenschalteinheit (3) mit einer zusätzlichen Vakuumröhre, insbesondere als Nebenkontakt (13) im Einschaltstrompfad, gebildet ist.
Hochspannungs-Schalteinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Nebenschalteinheit (3) einen mit dem Nebenkontakt (13) in Reihe geschalteten ohmschen Widerstand (11) zur Begrenzung des Einschaltstroms aufweist.
Hochspannungs-Schalteinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptschalteinheit (2) und die Nebenschalteinheit (3) über eine Antriebseinheit (7), eine Isolierstange (8) und ein Getriebe (9) derart mechanisch betätigbar sind, dass die zeitliche Abfolge von Schliessen und Öffnen des Hauptkontaktes (12) in der Hauptschalteinheit (2) und des Nebenkontaktes (13) in der Nebenschalteinheit (3) gesteuert wird.
Verfahren zum Betrieb einer Hochspannungs-Schalteinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass ausgehend von einem Schaltzustand, bei dem sowohl der Hauptkontakt (12) wie auch der Nebenkontakt (13) geöffnet sind, zunächst der Nebenkontakt geschlossen wird und dann der Hauptkontakt geschlossen wird.
Verfahren zum Betrieb einer Hochspannungs-Schalteinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass ausgehend von einem Schaltzustand, bei dem sowohl der Hauptkontakt (12) wie auch der Nebenkontakt (13) geschlossen sind, zunächst der Nebenkontakt geöffnet wird und dann der Hauptkontakt geöffnet wird.
Verfahren zum Betrieb einer Hochspannungs-Schalteinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Nebenkontakt (13) und / oder der Hauptkontakt (12) zur Begrenzung der Kontaktbelastung durch einen hohen Einschaltstrom phasengesteuert eingeschaltet werden / wird.
Verfahren zum Betrieb einer Hochspannungs-Schalteinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Nebenkontakt (13) und / oder der Hauptkontakt (12) phasengesteuert ausgeschaltet werden / wird.