DE19836270A1

DE19836270A1 - Schutzeinrichtung gegen die thermische Überlastung einer Schaltanlage

Info

Publication number: DE19836270A1
Application number: DE19836270A
Authority: DE
Inventors: Herbert Bessei; Thomas Klemme
Original assignee: EFEN Elektrotechnische Fabrik GmbH
Current assignee: EFEN GmbH
Priority date: 1998-08-11
Filing date: 1998-08-11
Publication date: 2000-02-17
Anticipated expiration: 2018-08-12
Also published as: ATE371257T1; DE19836270B4; SI0980086T1; ES2291006T3; EP0980086A1; EP0980086B1

Abstract

Beschrieben wird eine Schutzeinrichtung gegen die thermische Überlastung der Sicherungskammer (1) einer Schaltanlage (23) mit nachgeschaltetem Transformator, beispielsweise zur Versorgung eines Niederspannungsfeldes, wobei in der Sicherungskammer (1) eine Hochspannungs-Hochleistungs-Sicherung (11) mit einer Auslöseeinrichtung (16) zum Schalten eines Transformatorschalters (10) mit Freiauslösung angeordnet ist. DOLLAR A Um mit Hilfe einer solchen Schutzeinrichtung eine Abschaltung des Transformators auch bei erheblich kleineren Strömen als bisher zu ermöglichen, vorzugsweise unterhalb des Nennstromes der HH-Sicherung, insbesondere wenn letztere defekt ist, wird erfindungsgemäß vorgesehen, daß die HH-Sicherung (11) mit der Auslöseeinrichtung (16) so gestaltet ist, daß letztere spätestens bei Überschreiten eines zulässigen Leistungsaufnahmewertes der Sicherungskammer (1) über ihre Auslösespannung den Transformatorschalter (10) öffnet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schutzeinrichtung gegen die thermische Überlastung der Sicherungskammer einer Schaltanlage mit nachgeschaltetem Transformator, beispielsweise zur Versorgung eines Niederspannungsfeldes, wobei in der Sicherungskammer eine Hochspannungs-Hochleistungs-Sicherung mit einer Auslöseeinrichtung zum Schalten eines Transformatorschalters mit Freiauslösung angeordnet ist.

Die prinzipielle Aufgabe einer Hochspannungs-Hochleistungs-Sicherung, im folgenden HH-Sicherung genannt, besteht darin, bei einem Kurzschlußstrom im Transformator den Schmelzleiter zum Schmelzen zu bringen, damit der Transformator gegen die höchstgefähr lichen Folgen eines inneren Kurzschlusses geschützt ist, zum Beispiel gegen die Explosion eines mit Öl gefüllten Kessels mit Brandfolge und dergleichen. Transformatorstationen mit einem Mittelspannungsabteil, einem Transformator- und einem Niederspannungsabteil stehen zum Beispiel bei der Versorgung von Siedlungsanlagen in bewohnten Gebieten und müssen daher dringend und optimal geschützt werden.

Eine andere Gefahrenquelle ist aber die Überhitzung der Sicherung mit Folgeschäden, und es wurden dafür Sicherungen mit einem Schlagmelder entwickelt, um auch bei Überströmen, ohne daß in dem Transformator ein Kurzschluß schon entstanden ist, durch die Auslösung des Schlagmelders einen Transformatorschalter zu öffnen. Der Transformatorschalter kann nur relativ kleine Ströme in der Größenordnung von zum Beispiel bis 400 A schalten, während die HH-Sicherung eigentlich für große Ströme bis zum Beispiel 50 000 A ausgelegt ist. Diese großen Ströme werden von dem Transformatorschalter nicht beherrscht, so daß solche Teilbereichssicherungen den Transformatorschalter für die genannten kleineren Ströme und die Sicherung für die Kurzschlußströme verwenden. Solche HH-Sicherungen mit Schlagmelder sind aber mit verschiedenen Nachteilen behaftet. Zum Beispiel können sie bei relativ kleinen Strömen nicht mehr oder nicht schnell genug abschalten, so daß eine Überhitzung und thermische Überlastung der Sicherungskammer einer Schaltanlage nicht immer zuverlässig vermieden werden kann.

Die Konzeption bekannter Schutzreinrichtungen hat sich als mangelhaft erwiesen, weil man bei der Erstellung bekannter Schutzeinrichtungen von der Überlegung ausgegangen ist, daß die thermische Überlastung der Sicherungskammer durch Überlastströme des Transformator hervorgerufen wird. Bei dem bekannten Thermoschutz wird der Schlagmelder dazu benutzt, um den Transformator im kritischen Falle abzuschalten. Unter dem minimalen Abschaltstrom I_min welches der kleinste Strom ist, welchen die Sicherung abschalten kann, schmilzt aber der Schmelzleiter, ohne daß die Sicherung die Ausschaltung beherrscht. Die Sicherung wird vielmehr bei Strömen unter I_min unter Umständen thermisch zerstört. Dennoch würde allein ein solcher "Überstrom", der unter I_min liegt, den Strom durch die betrachtete Sicherung nicht abschalten. Dieser wenn auch geringe Strom erzeugt eine sehr große Wärme und hohe Temperaturen in der Sicherung, ohne daß eine Abschaltung erfolgt. I_min ist im allgemeinen der zweifache oder dreifache Nennstrom der Sicherung.

Der Nennstrom einer Sicherung wird häufig so gewählt, daß er dem doppelten bis dreifachen Transformator-Nennstrom entspricht. Solche großen Stromwerte dürfen den Transformator aber nicht auf Dauer durchfließen. In der Praxis verhindert häufig die Netzführung, daß der Transformator wesentliche Überströme trägt, zum Beispiel damit er sich nicht übermäßig erwärmt. Ein derart hoher und unzulässiger Stromwert liegt unterhalb dem Nennstromwert der Sicherung. Letzterer wird in der Praxis also nicht erreicht, so daß eine Schutzeinrichtung für diesen Bereich der Stromwerte nicht wirksam sein kann. Der Strombereich zwischen dem Sicherungsnennstrom und dem minimalen Ausschaltstrom I_min bei bekannten Sicherungen ist für die Erfindung uninteressant.

Hingegen kann durch besondere Betriebsbedingungen der Schmelzleiterwiderstand R einer Sicherung steigen. Das kann zu einer Gefährdung der Sicherung, auch bei üblichen Transformatorbetriebsströmen, führen, zum Beispiel wenn aus dem Hauptschmelzleiter, der sich aus mehreren Teilleitern, parallel verlaufenden Schmelzleitern, zusammensetzt, einzelne Teilschmelzleiter zerstört werden. Bei sukzessiver Zerstörung einzelner Schmelzleiter kann die Wärmeleistungsabgabe P_a der Sicherung, d. h. die Verlustleistung der Sicherung, bei sehr kleinen Strömen einen kritischen Wert erreichen, der größer ist als das Leistungsaufnahmever mögen der Sicherungskammer. Dadurch wird die Sicherungskammer thermisch überlastet.

Ausgehend von dieser Erkenntnis ist es Aufgabe der Erfindung, eine Schutzeinrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, mit deren Hilfe eine Abschaltung des Transformators auch bei erheblich kleineren Strömen erfolgt als bisher möglich, vorzugsweise unterhalb des Nennstromes der HH-Sicherung, insbesondere wenn letztere defekt ist.

Diese Aufgabe läßt sich nun erfindungsgemäß dadurch lösen, daß die HH-Sicherung mit der Auslöseeinrichtung so gestaltet ist, daß letztere spätestens bei Überschreiten eines zulässigen Leistungsaufnahmewertes der Sicherungskammer über ihre Auslösespannung U_a den Transformatorschalter öffnet. Durch diese Maßnahmen kann die Öffnung des Transformator schalters unabhängig vom Betriebsstrom erfolgen, auch bei kleinem Betriebsstrom, d. h. im Extremfall sogar unterhalb des Transformatornennstromwertes. Die Auslösung erfolgt nämlich immer vor und spätestens bei Überschreiten des vorbestimmten zulässigen Leistungsauf nahmewertes der Sicherungskammer. Im Gegensatz zu bekannten Lösungen, bei denen von einer Überhitzung durch Überlastströme des Transformators ausgegangen wird, erfolgt die Auslösung erfindungsgemäß zum Beispiel auch bei Werten weit unterhalb des Sicherungsnenn stromes I_Nenn. Bei den erheblichen Wärmeleistungen durch sehr kleine Ströme unter dem Sicherungsnennstromwert, die entstehen können, wenn einzelne Schmelzleiter der Sicherung defekt sind, muß mit einer Zerstörung der Sicherungskammer gerechnet werden, und die neue Schutzeinrichtung gemäß der Erfindung verhindert gerade die thermische Überlastung der Sicherungskammer.

Der Leistungsabgabewert des Sicherungseinsatzes wird auf einen zulässigen, maximalen Wert unter dem Leistungsaufnahmewert der Sicherungskammer voreingestellt und darf nicht überschritten werden. Wenn zum Beispiel innen von einem stromdurchflossenen Schmelzleiter eine zu große Leistungsabgabe erfolgt, dann heizt sich die Sicherungskammer auf und kann bei Überschreiten des zulässigen Leistungsaufnahmewertes thermisch überlastet werden.

Vorteilhaft ist es deshalb erfindungsgemäß, wenn die Auslösespannung spätestens bei Überschreiten eines zulässigen Leistungsabgabewertes der Sicherung erreicht wird. Der maximale Leisungsabgabewert ist dann erreicht, wenn das Leistungsaufnahmevermögen der Sicherungskammer überschritten wird. Solange die Leistungsabgabe der Sicherung das maximale Leistungsaufnahmevermögen der Sicherungskammer nicht überschreitet, besteht für die Schaltanlage keine Gefahr. Das maximale Leistungsaufnahmevermögen wird von dem jeweiligen Hersteller der Schaltanlage angegeben.

Es können infolge impulsförmiger Strombelastungen durch Inrush- oder Blitzströme einzelne oder mehrere der vorstehend schon erwähnten, parallel geschalteten Teilschmelzleiter unterbrochen werden. Hierdurch steigt die Wärmeleistungsabgabe der Sicherung und kann sogar bei Transformatornennstrom den zulässigen Leistungsaufnahmewert der Sicherungs kammer überschreiten. In Verbindung mit einem Transformatorschalter mit Freiauslösung verhindert die Schutzeinrichtung gemäß der Erfindung in überraschender Weise eine mögliche thermische Überlastung der Sicherungskammer.

Die erfindungsgemäße Maßnahme, den Leistungsabgabewert als Auslösekriterium zu verwenden, erlaubt ein leichteres Messen. Die Leistungs- bzw. Wärmeleistungsabgabe P_a der Sicherung darf nämlich den zulässigen Leistungsaufnahmewert der Sicherungskammer nicht überschreiten.

Es ist vorteilhaft, wenn erfindungsgemäß der Leistungsabgabewert im Bereich zwischen 60 W und 90 W liegt; wobei es besonders bevorzugt ist, wenn der Leistungsabgabewert etwa = 75 W beträgt. Es sollte also gelten

P_a ≦ 75 W.

Durch die Schutzeinrichtung gemäß der Erfindung wird die Leistungsabgabe der Sicherung überwacht. Dabei ist es vorteilhaft, wenn die Schutzeinrichtung spannungs- und somit leistungsbezogen auslöst:

U_a = R × I_b
U_a × I_b = P_a ≦ 75 W.

Die Auslösespannung U_a des Systems mit der erfindungsgemäßen Schutzeinrichtung ist so bemessen, daß das Produkt aus der Auslösespannung U_a und dem Betriebsstrom I_b bei steigendem Schmelzwiderstand R den Wert von zum Beispiel 75 W nicht überschreitet. Durch die Schutzeinrichtung gemäß der Erfindung wird die Leistungsabgabe der Sicherung nicht nur überwacht, sondern auch der Transformatorschalter ausgelöst, bevor der zulässige Leistungsabgabewert bzw. spätestens wenn dieser Wert oder der Leistungsaufnahmewert der Sicherungskammer überschritten wird. Im Gegensatz zu einer bekannten Lösung wirkt der Schutz unabhängig vom Sicherungsnennstrom und nur abhängig von der Leistungsabgabe der Sicherung. Die Schutzeinrichtung kann somit auf die üblichen zulässigen Leistungsauf nahmewerte von Sicherungskammern in SF₆-isolierten Schaltanlagen ausgelegt werden.

Zweckmäßig ist die Erfindung ferner dadurch ausgestaltet, daß die HH-Sicherung in einem Gießharzgehäuse innerhalb einer SF₆-Kammer als Sicherungskammer angeordnet ist. Durch das isolierende Schwefelhexafluoridgas hat man hervorragende Isoliereigenschaften, kann die Abstände der Bauteile verkleinern und damit auch eine gekapselte Schaltanlage sehr kompakt aufbauen. Bei solchen Anlagen werden die Sicherungen in engen Kammern eingesetzt, die einerseits die Wärmeableitung von der Sicherung stark einschränken und andererseits selbst nur ein begrenztes Wärmeaufnahmevermögen haben. Bei richtiger Zuordnung der erfindungs gemäßen Schutzeinrichtung zu den Transformatoren besteht keine thermische Überlastungs gefahr für die Sicherungskammern, solange die Sicherungen in Ordnung sind. Im Falle deren Beschädigung oder teilweisen Zerstörung wird unter besonderen Umständen der Leistungs abgabewert der Sicherung erreicht oder überschritten, und dann öffnet die Auslöseeinrichtung den Transformatorschalter.

Vorteilhaft ist es dabei, wenn erfindungsgemäß die Auslöseeinrichtung als Schlagstiftvor richtung ausgebildet ist. Die vorstehende Formel des Produktes von Auslösespannung U_a und Betriebsstrom I_b gilt in gleicher Weise.

Besonders günstig arbeitet die Schutzeinrichtung gemäß der Erfindung, wenn nach einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel die HH-Sicherung wenigstens einen Haupt schmelzleiter und wenigsten einen Hilfschmelzleiter aufweist. Man kann dann auf in der Literatur teilweise schon angegebene Vorschläge für Schlagstiftvorrichtungen zurückgreifen, die auf das Durchschmelzen zum Beispiel eines Hilfsschmelzleiters ansprechen.

Weitere Vorteile der Schmelzeinrichtung gemäß der Erfindung sind außer der Überwachungs möglichkeit der Wärmeleistungsabgabe der Sicherung zum Beispiel die Alterungsfreiheit und die Funktionsfähigkeit unabhängig von der Einbaulage der Sicherung. In sehr einfacher Weise basiert die neue Schutzeinrichtung auch auf dem ohm'schen Gesetz.

Setzt man die neue Einrichtung gemäß der Erfindung in einer Schaltanlage mit gekapselten Abteilen ein, zum Beispiel in einem Transformatorhäuschen mit einer Mittelspannungsschalt anlage, dann kann man die gefürchteten Schäden bei der Zerstörung von SF₆-Schaltanlagen mit Vorteil verhindern. Es können auf diese Weise Schaltanlagen auch in besiedelte Gebiete gesetzt und dort gefahrlos betrieben werden. Weil die Schutzeinrichtung gemäß der Erfindung auch bei niedrigen Auslösespannungen für das Schlagstiftsystem einwandfrei arbeitet, kann man bis zu großen Betriebsströmen noch einen guten und sicheren Schutz vorsehen.

Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispieles in Verbindung mit den anliegenden Zeichnungen. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch die Sicherungskammer einer SF₆-Schaltanlage mit einer Ringkabelleitung,

Fig. 2 einen Ausschnitt der Schutzreinrichtung im Transformatorabgangsfeld der Siche rungskammer mit nachgeschaltetem Transformator und

Fig. 3 die schematische Darstellung einer Sicherung mit einem Hauptschmelzleiter und einem parallel dazu geschalteten Hilfsschmelzleiter mit Haltedraht und Schlagstift.

In einer Mittelspannungsschaltanlage 23 zeigt Fig. 1 die Sicherungskammer 1 schematisch durch eine strichpunktierte Linie. Es handelt sich hier speziell um eine SF₆-isolierte Schalt anlage. Die gesamte Schaltanlage 23 ist aufgeteilt in ein unteres Kabelfeld 2, ein oberes Kabelfeld 3 und das in der Mitte befindliche Transformatorfeld 4. Von einer Sammelschiene 5, welche durch alle drei Felder 2, 3, 4 hindurchgeht, führt der obere Kabelschalter 6 des Kabelfeldes 3 zu einem Ringkabelabgang 7, während der Kabelschalter 8 im unteren Kabelfeld 2 zu dem Ringkabelabgang 9 führt. Auch der in dem in der Mitte angeordneten Trans formatorfeld 4 angeordnete Kabel- oder Transformatorschalter 10 schafft einen Abgang von der Sammelschiene 5, wenn er geschlossen ist, allerdings über die mit 11 bezeichnete Hochspannungs-Hochleistungs-Sicherung. Diese ist mit dem Transformatorabgang 14 zu dem Transformator 15 hin verbunden.

Der Transformator 15 ist samt Transformatorabgang 14 und HH-Sicherung 11 in Fig. 2 vergrößert und deutlich herausgezeichnet. Die an der HH-Sicherung 11 anschließende gestrichelte Linie 16 veranschaulicht die Schlagstifteinrichtung an der HH-Sicherung. Der Transformatorschalter 10 ist mit Freiauslösung gezeigt.

In Fig. 3 ist die Hochspannungs-Hochleistungs-Sicherung 11 vergrößert herausgezeichnet.

Man erkennt den Schlagstift 16, der von einem Haltedraht 17 gegen die Kraft einer Druckfeder 18 gehalten wird. Zu dem schlagstiftseitigen Sicherungskontakt 19 fließt der Strom aus dem gegenüberliegenden Sicherungskontakt 20 einmal über den Hauptschmelzleiter 21 und zum anderen über den parallel dazu geschalteten Hilfsschmelzleiter 22. In an sich bekannter Weise fließt der durch den Hilfsschmelzleiter 22 fließende Strom auch durch den Haltedraht 17, der nach dem Schmelzen reißt und den Schlagstift 16 zum Öffnen des Transformatorschalters 10 auslöst.

Die in den Zeichnungen dargestellte Schutzeinrichtung sorgt für einen Schutz der Sicherungs kammer 1 auch gegen thermische Überlastung, wenn der eine oder andere (oder mehrere) der Teilschmelzleiter des Hauptschmelzleiters 21 geschmolzen sind und sich dadurch der Widerstand der HH-Sicherung 11 ungewünscht erhöht. Hat eine 20 kV-40A-Sicherung zum Beispiel drei Teilschmelzleiter, von denen zwei defekt sind, dann überschreitet die Leistungs abgabe der Sicherung P_a den vorgegebenen Schwellwert von 75 W mit der Folge, daß der Schlagstift 16 auslöst und den Transformatorschalter mit Freiauslösung 10 öffnet. Auch bei einem Strom, der unter dem Nennstrom der Sicherung liegt, kann damit eine Auslösung erfolgen und auf diese Weise die thermische Überlastung der Sicherungskammer 1 vermieden werden.

Bezugszeichenliste

1

Sicherungskammer

2

unteres Kabelfeld

3

oberes Kabelfeld

4

Transformatorfeld

5

Sammelschiene

6

Kabelschalter des Kabelfeldes

3

7

Ringkabelabgang

8

Kabelschalter

8

9

Ringkabelabgang

9

10

Transformatorschalter

11

HH-Sicherung

12

13

14

Transformatorabgang

15

Transformator

16

Schlagstift

17

Haltedraht

18

Druckfeder

19

Sicherungskontakt

20

Sicherungskontakt

21

Hauptschmelzleiter

22

Hilfsschmelzleiter

23

Mittelspannungsschaltanlage

Claims

1. Schutzeinrichtung gegen die thermische Überlastung der Sicherungskammer (1) einer Schaltanlage mit nachgeschaltetem Transformator (15), beispielsweise zur Versorgung eines Niederspannungsfeldes, wobei in der Sicherungskammer (1) eine Hochspannungs- Hochleistungs-Sicherung (11) mit einer Auslöseeinrichtung (16-18) zum Schalten eines Transformatorschalters (10) mit Freiauslösung angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die HH-Sicherung (11) mit der Auslöseeinrichtung (16-18) so gestaltet ist, daß letztere spätestens bei Überschreiten eines zulässigen Leistungsaufnahmewertes der Sicherungskammer (1) über ihre Auslösespannung (U_a) den Transformatorschalter (10) öffnet.

2. Schutzeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslösespannung (U_a) spätestens bei Überschreiten eines zulässigen Leistungsabgabewertes (P_a) der Sicherung (11) erreicht wird.

3. Schutzeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Leistungs abgabewert (P_a) im Bereich zwischen 60 W und 90 W liegt.

4. Schutzeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Leistungsabgabewert (P_a) etwa gleich 75 W ist.

5. Schutzeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die HH-Sicherung (11) in einem Gießharzgehäuse innerhalb einer SF₆-Kammer als Sicherungs kammer (1) angeordnet ist.

6. Schutzeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslöseeinrichtung (16-18) als Schlagstiftvorrichtung ausgebildet ist.

7. Schutzeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die HH-Sicherung (11) wenigstens einen Hauptschmelzleiter (21) und wenigstens einen Hilfsschmelzleiter (22) aufweist.