DE1809862C3

DE1809862C3 - Lichtbogenfreier Hochleistungsschalter

Info

Publication number: DE1809862C3
Application number: DE19681809862
Authority: DE
Inventors: Floris Prof. Dr.- Ing. 1000 Berlin Koppelmann
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1968-11-15
Filing date: 1968-11-15
Publication date: 1979-03-08
Also published as: GB1285218A; FR2023410A1; DE1809862A1; DE1809862B2

Description

Die Erfindung betrifft einen lichtbogenfreien Hochleistungsschalter, bei dem parallel zu mehreren in Reihe liegenden antiparallelen Thyristoren ein gut leitender mechanischer Schalter, aufgebaut aus einer größeren Zahl in Reihe liegender Schaltstrecken, vorgesehen ist, der später schließt und früher öffnet als die amiparallelen Thyristoren.

Die heutigen Hochspannungsschalter benötigen zum Ausschalten, d. h. vom Zeitpunkt des Auslösekommandos bis zur Löschung des Lichtbogens, eine Zeit von mehreren Halbschwingungen, z. B. vier Halbschwingungen, davon im günstigen Fall mindestens eine Lichtbogen-Halbschwingung. Bei der Abschaltung von Netzkurzschlüssen bedeutet dies, daß der Kurzschlußstrom erst nach vier Halbschwingungen unterbrochen wird und daher unerwünschten Störungen, beispielsweise Unstabilitäten, hervorrufen kann.

Das verhältnismäßig träge Arbeiten der heutigen Schalter hat seinen Grund darin, daß zur mechanischen Öffnung der Lichtbogeistrecken große Massen in Bewegung zu setzen und große Trennwege zu schaffen sind.

Das Einschalten konventioneller Schalter erfolgt in

der Regel auch ohne Netzsynchronisation, so daß je nach der zufälligen Lage des Einschaltzeitpunktes zur Netzspannung mehr oder weniger große Gleichstromglieder :n den einzelnen Phasen entstehen.

Diese Umstände machen sich um so schwerwiegender bemerkbar, je größer die Leistung, insbesondere die Kurzschlußleistung, der zu schaltenden Netze ist. Da diese Leistung praktisch ständig wächst — in 10 Jahren ergibt sich etwa Verdoppelung — wachsen die Schwierigkeiten des Schaltens. Schon heute sind sie so groß, daß man mit Rücksicht auf das Schaltproblem die Leistung der Netze bzw. der zu schaltenden Kupplungsleitungen zweier Netze begrenzen muß, und daß in manchen Fällen bei Kurzschlüssen die Gefahr von Unstabilitäten in der Synchronisierung auftritt. Aus diesen Gründen erwägt man, große Netzkupplungen nicht direkt, sondern unter Zwischenschaltung von entkoppelnden Gleichstromübertragungsgliedern auszuführen. Letztere arbeiten mit Stromrichtern, die neuerdings mit vielen in Reihe geschalteten Thyristoren ausgeführt werden. Diese Thyristoren stellen Schalter dar, die 50mal je Sekunde synchron zur Netzspannung öffnen und schließen.

Aus der DE-AS U 14 225 ist eine leichtbogenfrei arbeitende Wechselstromschaltanordnung für große Leistungen bekannt, bei der jeweils einem Paar von antiparallel geschalteten Halbleitertrioden ein mechanischer Schalter parallel geschaltet ist. Auch ist die Methode der Mehrfachunterbrechung auf dem Gebiet der Hochspannungsschaltertechnik seit langem bekannt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen lichtbogenfreien Hochleistungsschalter nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 dahingehend weiterzubilden, daß bei zeitlich voneinander abweichendem Schalten der einzelnen in Reihe liegenden Schaltstrekken des mechanischen Schalters an der zuletzt schließenden bzw. der zuerst öffnenden Schaltstrecke keine zu große, von der Summierung der Durchlaßspannungen der in Reihe liegenden Thyristoren herrührende Spannung auftritt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die die Thyristoren überbrückenden, einzelnen mechanischen Schalter durch eine solche Anzahl von Querverbindungen mit der Reihenschaltung der Thyristoren verbunden sind, daß die an den einer einzelnen Schaltstrecke parallel geschalteten Thyristoren abfal-

!ende Durchlaßspannung stets kleiner als die für eine Schakstrecke maximal zulässige Spannung ist.

Die mechanischen Überbrückungskontakte schließen später und öffnen früher als die Thyristoren, so daß sie lichtbogenfrei arbeiten. Dies hat zur Folge, daß sie wesentlich leichter und mit wesentlich kleinerem Trennweg ausgeführt werden können als Lichtbogenschalter.

Die weitere Folge ist, daß sie schneller betätigt werden können, und zwar so schnell, daß sie in einer Zeit von der Größenordnung einer Millisekunde den erforderlichen Trennweg erreichen. Letzterer braucht, wenn eine genügend große Zahl von Trennstrecken in Reihe geschaltet wird und die Trennstrecken in einem noch isolierenden Medium arbeiten, z.B. in SF₆ von r> 10 atü bei Doppelunteibrechung von 2 χ 1 Millimeter, eine Spannungsfestigkeit von der Größenordnung 10 000 VolL 100 derartige Kontakte in Reihe isolieren also — bei richtiger Spannungssteuerung durch Whierstände oder Kondensatoren eine Spannung von einer Million VolL

Die mechanischen Schaltstrecken werden durch Querverbindungen derart gruppenweise mit der Reihenschaltung der Thyristoren verbunden, daß bei unvermeidbaren kleinen Unregelmäßigkeiten der 2s Schließ- und Öffnungszeiten der einzelnen Kontakte keine die Kontakte gefährdende Spannung an ihnen auftreten kann. Beispielsweise würde ohne Querverbindungen bei 100 in Reihe liegenden Thyristoren die gesamte Durchlaßspannung dieser Thyristoren, etwa 200.. 300V, an dem zuletzt schließenden Kontakt liegen und diesen in die Gefahr des Verschweißens bringen. Bei Querverbindungen zu je 2 in Reihe liegenden Thyristorgruppen würde diese Spannung nur etwa 4 Volt betragen, also unterhalb der kritischen r> Lichtbogenspannung von etwa 10 Volt liegen.

Damit die zuletzt schließenden Thyristoren beim Einschalten des Stromkreises nicht zu hohe Spannung bekommen, ist eine genügend gleichzeitige Zündung und eine genügend niederohmige Beschallung durch Kondensatoren und Widerstände erforderlich. Unter Umständen kann eine Sättigungsstufendrossel in Reihe mit den Thyristoren zur Erleichterung des Einschaltens benutzt werden.

Als mechanische Schalter können Druckkontakte mit 4> Doppelunterbrechung verwendet werden, die durch eine Nocken- oder Exzenterwelle synchron zur Netzspannung bzw. zum Netzstrom betätigt werden. Bei geringeren Anforderungen an die Schaltgeschwindigkeit und an dij Stromentlastung der Ventile können ^r>u sie auch nicht synchron geschlossen und geöffnet werden.

Den Einschaltzeitpunkt der Thyristoren wird man in schwierigen Fällen derart wählen, daß kein Gleichstromglied entsteht. Bei Drehstrom sind dabei die « Schaltzeitpunkte der einzelnen Phasen gestaffelt zu wählen, und zwar abhängig vom Verschiebungsfaktor des zu erwartenden Laststromes.

Es ist zweckmäßig, bei geschlossenen mechanischen Kontakten die Thyristoren dauernd gezündet zu halten, mi so daß sie schon einen gewissen Grundstrom führen, bevor die mechanischen Schalter öffnen. Da letzteres sehr plötzlich vor sich geht (Übergang vom leitenden in den isolierenden Zustand in etwa 10~⁷s), müssen die Thyristoren nämlich in der Lage sein, den Strom der μ mechanischen Schalter mit großer Anstiegsgeschwindigkeit zu übernehmen, ohne dabei unzulässige Spannung aufzunehmen, welche sie selbst und auch die Kontakte gefährden könnte. Gegebenenfalls muß der Grundstrom der Thyristoren durch Weine Widerstände oder Reaktanzen auf einen günstigen Wert gebracht und die Stromanstiegsgeschwindigkeit durch Beschaltung begrenzt werden.

Die Zündung der Thyristoren kann unmittelbar nach Beginn der letzten Stromhalbscnwingung gesperrt werden, spätestens kurz vor dem Ende dieser Halbschwingung, sie kann beispielsweise gleichzeitig mit der öffnung der mechanisierten Kontakte erfolgen. Die Zündung der Hochspannungsventile erfolgt in bekannter Weise durch Übertrager, durch Licht od. dgl-

Ein geschlossener Hochspannungsschalter für 380 000 V Drehstrom und 2000 A, d.h. 1000 MVA, würde bei 100 in Reihe geschalteten Thyristoren etwa 220 V Spannungsabfall, d. h. ein Promill oder 1000 KW, Verluste in den Thyristoren haben, wenn sie nicht mechanisch überbrückt wären.

Anhand einer Zeichnung sei ein schematisehes Ausführungsbeispiel der Erfindung erläutert. Es zeigt die F i g. 1 den Aufbau eines Hochleistungsschalters nach der Erfindung und es veranschaulicht die F i g. 2 ein Oszillogramm für synchrone Ein- und Ausschaltungen.

In dem einphasigen Ausführungsbeispiel nach F i g. 1 sind 1 bis η antiparallele Thyristoren, Γ bis «'parallel liegende Kontakte, a Querverbindungen zwischen den mechanischen Kontakten und den Thyristoren und b spannungsstbuernde Beschallungen. S ist ein Trennschalter. Die Steuerung Si liefert die öffnungs- und Schließbefehle für 1 bis n, 1' bis n'und 5. Sie erhält ihre »Ein« und »Aus«-Befehle von Hand oder von dem das Netz automatisch steuernden und überwachenden elektronischen Rechner.

Konstruktiv können mechanische Kontakte und Halbleiterschalter in einer mit SF 6 gefüllten Säule aus Hartpapier oder Porzellan angeordnet sein, wobei die Betätigung der Kontakte durch Druckgas oder durch eine isolierte Nockenwelle und die Steuerung der Ventile durch Licht erfolgen kann. An den Trenner S werden nur dann Anforderungen bezüglich Schaltgeschwindigkeit gestellt, wenn der Leistungsschalter nach längeren Ruhepausen unvermittelt und sehr schnell eingeschaltet werden muß. In solchen Fällen kann man ihn ähnlich ausführen wie die Schaltstrecken Γ bis π'.

F i g. 2 zeigt ein Beispiel für die synchrone Ein- und Ausschaltung. Die Aufhebung der Zündung der Thyristoren (Zeitpunkt U) muß zwischen k und is liegen. Die Thyristoren führen nur die schraffierten Stromflächen, die um so geringer werden, je näher h an ii und f3 an £4 herangerückt werden kann. Die Zeitpunkte (3 und U können in der gleichen Halbschwingung liegen wie ft; in diesem Fall würde, wenn der Schalter versehentlich auf einen Kurzschluß schaltet (cos φ = ο), nur eine Halbschwingung des Kurzschlußstromes entstehen.

Die schraffierte Stromfläche der Linie T stellt den in den Thyristoren fließenden Strom dar, während die schraffierte Stromfläche auf der Linie 5 den im Schalter fließenden Strom veranschaulicht.

Die vorliegende Erfindung kann nicht nur bei großen Leistungen sondern mit Vorteil auch bei mittleren und kleinen Leistungen angewendet werden, wenn es sich darum handelt, sehr oft und sehr präzise ein- und auszuschalten.

Die Thyristoren können als Scheibenzellen ausgefühi". werden. Der Aufwand an Halbleiterzellen reduziert sich infolge der kurzen Stromführungsdauer auf einen Bruchteil gegenüber dem Fall, bei dem kein Überbrückungsschalter vorhanden ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Lichtbogenfreier Hochleistungsschalter, bei dem parallel zu mehreren in Reihe liegenden antiparallelen Thyristoren ein gut leitender mechanischer Schalter, aufgebaut aus einer größeren Zahl in Reihe liegender Schaltstrecken, vorgesehen ist, der später schließt und früher öffnet als die antiparallelen Thyristoren, dadurch gekennzeichnet, daß die die Thyristoren überbrückenden, einzelnen mechanischen Schalter durch eine solche Anzahl von Querverbindungen mit der Reihenschaltung der Thyristoren verbunden sind, daß die an den einer einzelnen Schaltstrecke parallel geschalteten Thyristoren abfallende Durchlaßspannung stets kleiner als die für eine Schaltstrecke maximal zulässige Spannung ist

2. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mechanischen Schaltstrecken aus Druckkontakten mit Doppelunterbrechung bestehen, die durch eine Nockenwelle od. dgl. derart betätigt werden, daß sie etwa eine halbe Halbschwingung früher schließen und etwa eine halbe Halbschwingung später öffnen als die Thyristoren.

3. Schalter nach einem der Ansprüche 1—2, dadurch gekennzeichnet daß die Kontakte und die Thyristoren unter einer isolierenden Flüssigkeit oder unter Gas von erhöhtem Druck, z. B. Sfa, arbeiten.

4. Schalter nach einem der Ansprüche 1—2, dadurch gekennzeichnet daß die Kontakte und die Thyristoren unter Vakuum arbeiten.

5. Schalter nach einem der Ansprüche 1 —4, dadurch gekennzeichnet daß der Zündzeitpunkt der Thyristoren in den einzelnen Phasen derart gewählt wird, daß beim Einschalten kein Gleichstromglied auftritt

6. Schalter nach einem der Ansprüche 1—5, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe mit der Parallelschaltung von Thyristoren und mechanischen Kontakten ein Trennschalter angeordnet ist, der nur geöffnet wird, wenn der Stromkreis längere Zeit unterbrochen werden soll.

7. Schalter nach einem der Ansprüche 1—6, dadurch gekennzeichnet, daß die Thyristoren bei geschlossenen, stromführenden mechanischen Schaltstrecken ständig gezündet bleiben, so daß sie bei einer plötzlichen Öffnung der Schaltstrecken sofort ihren Strom übernehmen können.

8. Schalter nach einem der Ansprüche 1—7, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündung der Thyristoren gleichzeitig mit dem Öffnungskommando für die mechanischen Schaltstrecken gesperrt wird.

9. Schalter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß durch den Spannungsabfall der geschlossenen stromführenden Kontakte oder durch kleine zusätzliche Widerstände oder Induktivitäten die Thyristoren bereits vor der Öffnung der mechanischen Kontakte einen kleinen Strom führen, derart, daß sie beim öffnen der Kontakte deren Strom schnell und ohne wesentlich erhöhte Brennspannung übernehmen können.