DE19503235A1 - Anordnung zum schnellen Schalten von Strömen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zum schnellen, elektrischen Schalten von Strömen in Energieversorgungsnetzen, insbesondere bei Schaltzeiten kleiner als 1 ms, wobei piezoelektrische Aktoren als Antrieb einsetzt werden.

In elektrischen Stromkreisen ist zu fordern, daß im Störungsfall die Abschal­ tung großer elektrischer Leistungen so schnell vor sich zu gehen hat, daß der Kurzschlußstrom sich gar nicht bis zu seiner vollen Höhe (des unge­ schützten Kurzschlußstromes) entwickeln kann. Ist dies gewährleistet, kön­ nen elektrische Betriebsmittel günstig ausgelegt werden. Man spricht hier von kurzschlußstrombegrenzendem Schalten.
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Darüber hinaus ist eine schnelle Abschaltung nur dann möglich, wenn

• - eine schnelle Kurzschlußerkennung erfolgt und zusätzlich
• - der Stromkreis schnell aufgetrennt werden kann.

Für Schnellschaltmechanismen gibt es bislang das System des Haltemagne­ ten, das des Schlagankers und das der Lamellenkupplung. Zum schnellen Schalten werden alle o.a. Mechanismen mit einem Elektromagneten als An­ trieb bzw. Auslöser ausgestattet. Weiterhin ist diesen Schnellschaltmecha­ nismen gemeinsam, daß der notwendige Weg zur Trennung der Schaltstücke durch die Entspannung einer zuvor gespannten Feder erfolgt (was die Reaktionszeit erhöht).

Die Schaltzeit solcher Schalter liegt heute für Niederspannungen bei 1-2 ms im günstigsten Fall; in der Praxis jedoch eher bei 15-20 ms.
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Für eine effektive Kurzschlußstrombegrenzung ist dies jedoch bei weitem zu langsam, so daß Kurzschlußströme oft das 100-fache des Nennstromwertes erreichen und damit die Schalter (und weitere Betriebsmittel) nach wenigen Kurzschlußabschaltungen defekt sind und ausgewechselt werden müssen.

Der vorliegenden Erfindung "Anordnung zum schnellen Schalten von Strö­ men" liegt die Benutzung von piezoelektrischen Stellgliedern (Piezoaktu­ atoren) zugrunde. Diese haben eine um Größenordnungen geringere Reak­ tionszeit als elektromagnetische Verfahren.

Piezoaktuatoren weisen zwar einen verhältnismäßig kleinen Hub auf, erfin­ dungsgemäß aber wird der erforderliche (Gesamt-) Weg zur Trennung der Schaltstücke durch eine elektrische Serienanordnung mehrerer Kontakte er­ reicht. Die Aufteilung des Gesamtkontaktabstandes auf viele kleine Teilstücke, wirkt sich dabei auch günstig auf die Durchschlagfeldstärke aus.

Zudem müssen die Schaltstücke herkömmlicher Schnellschalter einen gro­ ßen Weg zurücklegen, bis der Stromkreis vollständig unterbrochen ist. Auf­ grund der mechanischen Trägheit ist dies nicht unbegrenzt schnell möglich.

Da ein Auftrennen des Stromkreises im Vordergrund der Erfindung steht, bringt die Serienschaltung weiterhin einen Gewinn in Bezug auf die Zuver­ lässigkeit der Anordnung. Sollte ein Kontaktpaar nicht öffnen, so kann die Funktion durch andere Kontakte sichergestellt werden.

Bei der Erfindung erfolgt die Trennung der Schaltstücke direkt, d. h. nicht über den Umweg der Entspannung einer mechanischen Feder. Dies erhöht zusätzlich die Geschwindigkeit der Anordnung.

Die einzelnen Kontakte der Anordnung zum schnellen Schalten von Strömen werden parallel geöffnet. Die Verwendung von z. B. Doppelunterbrechungen ist möglich. Jede Kontaktgruppe wird mit eigenen Piezoaktuator ver­ sehen um eine hohe mechanische Grenzfrequenz der Anordnung zu erzie­ len.

Die notwendige Synchronisation der Bewegung der Schaltstücke erfolgt elektrisch. Dazu ist eine elektrische Ansteuerschaltung in Form eines Hoch­ spannungsgenerators erforderlich, die die Betriebsspannung für die Piezoak­ tuatoren zur Verfügung stellt.

Die Zeitkonstanten der Ansteuerschaltung müssen klein und die Ergiebigkeit groß sein, um eine schnelle Dehnung bzw. Stauchung der piezoelektrischen Stellelemente zu erreichen.

Die erzielbaren Einzelwege der Piezostellglieder (und damit die Luft-Kriech­ wege der Einzel-Kontakte) sind gering. Um die Auflagen der gesetzlichen Vorschriften bezüglich der Mindest-Luftstrecken zu erfüllen, kann ein her­ kömmlicher, elektromagnetisch betätigter Schalter zusätzlich in Reihe zu der Anordnung zum schnellen Schalten von Strömen verwendet werden. Dies erhöht die Sicherheit und Zuverlässigkeit.

Der Einsatz eines anderen gasförmigen Isolierstoffes als Luft (z. B. SF₆) ist ebenfalls möglich. Damit, oder durch weitgehend vollständiges Evakuieren der Anordnung können höhere Durchschlagfestigkeiten erzielt werden. Auf­ grund des kompakten Aufbaus der Anordnung ist dies besonders einfach möglich.

Mit der o.a. Anordnung zum schnellen Schalten von Strömen lassen sich Schaltzeiten erzielen, die weit unterhalb von 100 µs liegen.

Damit ist ein kurzschlußbegrenzendes Schalten möglich.

Durch beliebige Kombination von Serien- und auch Parallelschaltungen kann die Anordnung unterschiedlichen Anforderungen vor allem im Bereich der Energietechnik angepaßt werden.

Literaturangaben

/1/ Stege, Manfred, Kurzschluß-Erkennungsalgorithmen zum strombe­ grenzenden Schalten, Dissertation, Braunschweig 1992
/2/ Kussy, Frank Werner, Elektrische Niederspannungsschaltgeräte und Antriebe, Zweite Auflage, Technischer Verlag Herbert Cram, Berlin 1969
/3/ Philippow, Eugen (Hrsgb.), Taschenbuch Elektrotechnik Band 5,1. Auf­ lage, Carl Hanser Verlag, Berlin 1980.

Anhand der Zeichnung wird ein Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung "Anordnung zum schnellen Schalten von Strömen" beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Niederspannungskreis mit Quelle und Verbraucher, in dem ei­ ne Anordnung zur Kurzschlußfrüherkennung und eine Anordnung zum schnellen Schalten von Strömen eingebracht sind und

Fig. 2 die Skizze einer Schalterkonstruktion gemäß der Erfindung.

Tritt ein Kurzschluß an dem in Fig. 1 eingezeichneten Verbraucher auf, so wird dieser (z. B. durch einen Anordnung gem. Patent VPA 86 P 8540 DE) detektiert und ein Auslösekommando (z. B. in Form eines TTL-Signals) an die Anordnung zur schnellen Schalten von Strömen, gem. Erfindung, gelei­ tet.

Das Steuergerät stellt eine Potentialtrennung sicher und generiert die zum Betrieb der Piezoaktuatoren notwendigen Impulse. Diese Ansteuerung ver­ zögert den Signalfluß nur minimal und weist eine hohe Ergiebigkeit auf, um die angeschlossenen Piezoaktoren schnell auszulenken. Zu diesem Zweck werden im Steuergerät niederohmige Speicherkondensatoren in Verbindung mit Insulated Gate Bipolar Transitoren/IGBT oder MosFet Transistoren ein­ gesetzt.

In Fig. 2 ist eine Anordnung zum schnellen Schalten von Strömen mit vier Doppelkontakten dargestellt. Im geschlossenen Zustand durchfließt der Laststrom die Anordnung horizontal (von links nach rechts, bzw. umgekehrt). Zur Verdeutlichung ist ein Doppelkontakt vergrößert dargestellt (Fig. 2b).

Beim Öffnen des Schalters werden die Piezoaktoren (1) durch entsprechen­ de Signale der Ansteuerung gedehnt und damit die beweglichen Schaltstücke (2) angehoben. Der Stromfluß durch die feststehenden Schaltstücke (3) wird so zweifach an jedem der rotationssymmetrischen Kontaktteller (2) un­ terbrochen. Die Formgebung und das Kontaktmaterial aus hochfesten Werkstoffen gewährleisten eine Volumenkühlung des Schaltlichtbogens. Das Schaltergehäuse besteht aus einem Oberteil (4), der Trägerplatte (5) für die feststehenden Schaltstücke und einem Unterteil (6) zur Aufnahme der Piezoaktoren, aus Gründen der Isolation und einfacheren Fertigung zu­ nächst aus hochfestem Kunststoff hergestellt.

Mit (7) sind die Achsen zur spielfreien Bewegung der beweglichen Schalt­ stücke bezeichnet, (8) ist eine Justiermöglichkeit für den optimalen Ar­ beitspunkt und (9) sind Befestigungsschrauben für das Gehäuse.

Durch Parallel- und Reihenschaltungen von weiteren Kontaktgruppen ist die Anordnungen zum schnellen Schalten von Strömen in der Lage, den Anfor­ derungen im Nieder- und Mittelspannungsnetz gerecht zu werden.

Claims (10)

1. Anordnung zum schnellen, elektrischen Schalten von Strömen, insbeson­ dere bei Schaltzeiten kleiner als 1 ms, dadurch gekennzeichnet, daß piezoelektrische Stellglieder als Antrieb für diesen Schalter eingesetzt werden.

2. Anordnung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein gesteuerter Hochspannungsgenerator als Teil der Anordnung zur Er­ zeugung der Impulse für die Ansteuerung der Piezoaktuatoren verwendet wird.

3. Anordnung nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erforderliche (Gesamt-) Weg zur Trennung der Schaltstücke durch eine elektrische Serienanordnung mehrerer Kontakte erreicht wird.

4. Anordnung nach Patentanspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die Trennung der Schaltstücke direkt erfolgt, d. h. die Entspannung einer mechanischen Feder ist nicht notwendig, kann aber zusätzlich ausgenutzt werden.

5. Anordnung nach Patentanspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß alle Schaltstücke parallel geöffnet oder geschlossen werden.

6. Anordnung nach Patentanspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die notwendige Synchronisation der Bewegung der Schaltstücke durch die elektrische Ansteuerung der Piezoaktuatoren erfolgt.

7. Anordnung nach Patentanspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß auch die Andruckkraft der Schaltstücke (und damit die Kontaktsicherheit) mit Hilfe der elektrischen Ansteuerung der Piezoaktuatoren verändert werden kann.

8. Anordnung nach Patentanspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erfüllung der Auflagen der gesetzlichen Vorschriften bezüglich der Mindest-Luftstrecken ein herkömmlicher, elektromagnetisch betätigter Schalter, in Reihe zu der Anordnung zum schnellen Schalten von Strömen, verwendet werden kann.

9. Anordnung nach Patentanspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Isolierstoff zwischen den Schaltstücken auch ein anderes Gas als Luft verwendet werden kann oder die Anordnung sogar evakuiert wird.

10. Anordnung zum schnellen, elektrischen Schalten von Strömen nach Pa­ tentanspruch 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung anstatt mit Piezoaktuatoren mit magnetostriktiven Stelle­ lementen aufgebaut werden kann.