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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.
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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 höchstgefährlichen
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.
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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.
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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 Imin,
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 Imin unter
Umständen
thermisch zerstört.
Dennoch würde
allein ein solcher ”Überstrom”, der unter
Imin 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.
Imin ist im allgemeinen der zweifache oder
dreifache Nennstrom der Sicherung.
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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 Imin bei bekannten Sicherungen ist für die Erfindung
uninteressant.
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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 Pa der Sicherung, d. h. die Verlustleistung
der Sicherung, bei sehr kleinen Strömen einen kritischen Wert erreichen,
der größer ist als
das Leistungsaufnahmevermögen
der Sicherungskammer. Dadurch wird die Sicherungskammer thermisch überlastet.
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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.
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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 bei Erreichen ihrer
elektrischen Auslösespannung
Ua den Transformatorschalter öffnet. Durch
diese Maßnahmen
kann die Öffnung
des Transformatorschalters 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 Leistungsaufnahmewertes
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 Sicherungsnennstromes INenn. 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.
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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.
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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.
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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
Sicherungskammer überschreiten.
In Verbindung mit einem Transformatorschalter mit Freiauslösung verhindert
die Schutzeinrichtung gemäß der Erfindung
in überraschender
Weise eine mögliche
thermische Überlastung
der Sicherungskammer.
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Die
erfindungsgemäße Maßnahme,
den Leistungsabgabewert als Auslösekriterium
zu verwenden, erlaubt ein leichteres Messen. Die Leistungs- bzw.
Wärmeleistungsabgabe
Pa der Sicherung darf nämlich den zulässigen Leistungsaufnahmewert
der Sicherungskammer nicht überschreiten.
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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 Pa ≤ 75 W.
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Durch
die Schutzeinrichtung gemäß der Erfindung
wird die Leistungsabgabe der Sicherung überwacht. Dabei ist es vorteilhaft,
wenn die Schutzeinrichtung spannungs- und somit leistungsbezogen auslöst: Ua = R × Ib Ua × Ib = Pa ≤ 75 W.
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Die
Auslösespannung
Ua des Systems mit der erfindungsgemäßen Schutzeinrichtung
ist so bemessen, daß das
Produkt aus der Auslösespannung Ua und dem Betriebsstrom Ib 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
Leistungsaufnahmewerte von Sicherungskammern in SF6-isolierten
Schaltanlagen ausgelegt werden.
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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 erfindungsgemäßen Schutzeinrichtung zu den
Transformatoren besteht keine thermische Überlastungsgefahr für die Sicherungskammern,
solange die Sicherungen in Ordnung sind. Im Falle deren Beschädigung oder
teilweisen Zerstörung
wird unter besonderen Umständen
der Leistungsabgabewert der Sicherung erreicht oder überschritten,
und dann öffnet
die Auslöseeinrichtung
den Transformatorschalter.
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Vorteilhaft
ist es dabei, wenn erfindungsgemäß die Auslöseeinrichtung
als Schlagstiftvorrichtung ausgebildet ist. Die vorstehende Formel
des Produktes von Auslösespannung
Ua und Betriebsstrom Ib gilt
in gleicher Weise.
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Besonders
günstig
arbeitet die Schutzeinrichtung gemäß der Erfindung, wenn nach
einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel die HH-Sicherung
wenigstens einen Hauptschmelzleiter 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.
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Weitere
Vorteile der Schmelzeinrichtung gemäß der Erfindung sind außer der Überwachungsmöglichkeit
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.
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Setzt
man die neue Einrichtung gemäß der Erfindung
in einer Schaltanlage mit gekapselten Abteilen ein, zum Beispiel
in einem Transformatorhäuschen
mit einer Mittelspannungsschaltanlage, 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.
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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:
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1 schematisch
die Sicherungskammer einer SF6-Schaltanlage
mit einer Ringkabelleitung,
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2 einen
Ausschnitt der Schutzreinrichtung im Transformatorabgangsfeld der
Sicherungskammer mit nachgeschaltetem Transformator und
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3 die
schematische Darstellung einer Sicherung mit einem Hauptschmelzleiter
und einem parallel dazu geschalteten Hilfsschmelzleiter mit Haltedraht
und Schlagstift.
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In
einer Mittelspannungsschaltanlage 23 zeigt 1 die
Sicherungskammer 1 schematisch durch eine strichpunktierte
Linie. Es handelt sich hier speziell um eine SF6-isolierte
Schaltanlage. 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 Transformatorfeld 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.
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Der
Transformator 15 ist samt Transformatorabgang 14 und
HH-Sicherung 11 in 2 vergrößert und
deutlich herausgezeichnet. Die an der HH-Sicherung 11 anschließende gestrichelte
Linie 16 veranschaulicht die Schlagstifteinrichtung an
der HH-Sicherung 11. Der Transformatorschalter 10 ist mit
Freiauslösung
gezeigt.
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In 3 ist
die Hochspannungs-Hochleistungs-Sicherung 11 vergrößert herausgezeichnet.
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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.
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Die
in den Zeichnungen dargestellte Schutzeinrichtung sorgt für einen
Schutz der Sicherungskammer 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-40 A-Sicherung zum Beispiel drei Teilschmelzleiter, von denen
zwei defekt sind, dann überschreitet
die Leistungsabgabe der Sicherung Pa 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.
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- 1
- Sicherungskammer
- 2
- unteres
Kabelfeld
- 3
- oberes
Kabelfeld
- 4
- Tansformatorfeld
- 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