DE3004521C2 - - Google Patents
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- Driving Mechanisms And Operating Circuits Of Arc-Extinguishing High-Tension Switches (AREA)
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Description
Die Erfindung betrifft ein Leistungsschaltersystem
nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs (DE-PS 11 83 998). Ein solches
Leistungsschaltersystem dient in einer Hochspannungs-
Starkstromanlage zur wirksamen Unterdrückung eines
Spannungsstoßes beim Schließen eines Schutz- oder
Leistungsschalters.
Trotz zunehmendem Strombedarf wirft die Errichtung
von Kraftwerken in den Vorortgebieten von Städten
verschiedene Schwierigkeiten auf, etwa bezüglich
Umweltverschmutzung und erschwerter Baulandbeschaffung.
Aus diesem Grund werden neue Kraftwerke zunehmend
an immer weiter von den Städten entfernten Orten
errichtet. Infolgedessen müssen immer größere Strecken
von Starkstromleitungen zur Lieferung des Stroms von
den Kraftwerken zu den Städten überspannt werden. Die
Länge der Übertragungsleitung hängt aber eng mit dem
Wirkungsgrad der Stromübertragung zusammen; je größer
nämlich die Leitungslänge ist, um so größer sind die
Widerstandsverluste in der Leitung und desto
niedriger ist der Übertragungswirkungsgrad. Eine Möglichkeit
zur Erhöhung des Übertragungswirkungsgrads besteht
in der Erhöhung der über die Leitung übertragenen Leistung
bei gleicher Stromstärke durch Erhöhung der Übertragungsspannung
auf der Leitung. Wenn die Übertragungsspannung
mit V, der Übertragungsstrom mit I und der Leitungswiderstand
mit R bezeichnet werden, stehen die übertragene
Leistung P T und der Leistungsverlust P L in der Leitung
in folgenden Beziehungen zueinander:
P T ∝ VI - P L
P L ∝ I²R
P L ∝ I²R
Bei der genannten Hochspannungs-Stromübertragung wirft die
Isolierung der Übertragungsleitungen oder -ausrüstungen
verschiedene Probleme auf. Zur Erzielung eines ausreichenden
Isolationsabstands sind häufig sehr hohe Starkstrommasten
und sperrige Geräte erforderlich. Insbesondere zeigt
die dielektrische Durchbruchspannung eines Luftspalts eine
Tendenz dahingehend, daß sie sich mit der Luftspaltlänge
nur bis zu einer festen Größe dieser Länge erhöht, d. h.
sie erreicht bei dieser Größe einen Grenzwert, ohne weiter
zuzunehmen. Bei der Hochspannungs-Starkstromübertragung ist
daher im Vergleich zur herkömmlichen Stromübertragung eine
größere Isolationsstrecke erforderlich.
Auf die Geräte des Starkstromnetzes einwirkende Überspannungen
sind neben den regulären Wechselspannungen auch Blitzschlagspannungen,
Spannungsstöße beim Öffnen und Schließen
von Schaltern und Schutz- oder Leistungsschaltern sowie
ständige abnormale Spannungen. Bei der Hochspannungs-Starkstromübertragung
muß der Höchstwert solcher Überspannungen
auf eine möglichst niedrige Größe begrenzt werden. Das Verhältnis
der Überspannung zur Übertragungsspannung wird
üblicherweise als Überspannungsvielfaches bezeichnet.
Eine Möglichkeit zur Begrenzung dieses Vielfachen auf
einen kleinen Wert besteht in der Verwendung eines Blitzschutzes,
der bisher üblicherweise für die Verringerung
von Blitzschlagspannungen eingesetzt wurde. Bezüglich
abnormaler Dauerspannungen und Spannungsstöße beim
Öffnen und Schließen von Schaltern und dgl. war es bisher
üblich, die Ursachen für solche Überspannungen zu
untersuchen und zu beseitigen. Zur Vermeidung von abnormalen
Dauerspannungen wird beispielsweise die Anlage
zweckmäßig ausgelegt und betrieben.
Von den beim Schließen und Öffnen von
Leistungsschaltern entstehenden Spannungsstößen ist der
Einschaltstoß, wenn ein mit der Leitung verbundener Leistungsschalter
geschlossen wird, von besonderer Bedeutung. Die Ursache
für die Entstehung des Einschaltstoßes läßt sich anhand
des Einphasen-Stromkreises gemäß Fig. 1 untersuchen.
Gemäß Fig. 1 ist eine Wechselstromversorgung 1 an der einen
Klemme oder Seite geerdet und an der anderen Klemme oder
Seite über eine Stromquellen-Induktivität 2 an die eine
Klemme eines Leistungsschalters 3 angeschlossen,
dessen andere Klemme über eine Starkstrom- oder Übertragungsleitung
4 mit einer Lastklemme 5 verbunden ist.
Wenn der Leistungsschalter 3 geschlossen wird, breitet sich
der Spannungsunterschied (v s - v 1) zwischen der Spannung
v s an der Stromquellenseite des Leistungsschalters 3 und der
Spannung v 1 an der Lastseite auf die in Fig. 2a gezeigte
Weise als Wanderwelle durch die Leitung 4 aus. Die Wanderwelle
wird an der Lastseite reflektiert, so daß sie gemäß
Fig. 2b die doppelte Größe des ursprünglichen Spannungspegels
besitzt, um dann an der Stromquellenseite erneut
reflektiert zu werden und mit dem Dreifachen des ursprünglichen
Spannungspegels aufzutreten (vgl. Fig. 2c). Zu diesem
Zeitpunkt wird der dreifachen Spannung ein Impuls P1
durch den Einfluß der Stromquellen-Induktivität 2 überlagert.
Wenn die resultierende Spannung zum Lastende 5
übertragen und dort reflektiert wird, liegt an der Leitung
4 eine sehr hohe Spannung mit dem Vierfachen des ursprünglichen
Spannungspegels, zuzüglich des Impulses P1, an.
Zur Begrenzung des beschriebenen, beim Schließen des Leistungsschalters
entstehenden Schließ- oder Einschaltstoßes kann
daran gedacht werden, den Spannungsunterschied (v s - v 1)
zwischen Stromquellen- und Lastseite beim Schließen des
Leistungsschalters 3 oder aber die Wanderwelle auf einen
niedrigen Wert zu begrenzen. Die zuerst genannte Möglichkeit
kann als Synchronschließsystem bezeichnet werden, wobei
der Leistungsschalter in einem Augenblick
geschlossen wird, in welchem die Stromquellenspannung Null
beträgt, um den Höchstwert des Spannungsunterschieds
(v s - v 1) innerhalb des Höchstwerts der in der Leitung
gefangenen Ladung zu halten. Für die zweitgenannte
Möglichkeit ist ein Widerstands-Verbindungssystem
bekannt, bei dem der Leistungsschalter o. dgl. über einen
Widerstand geschlossen wird, um dadurch die Wanderwelle zu
begrenzen. Wenn der Widerstandswert des Widerstands mit R,
die Stromimpedanz der Leitung mit r und der Spannungsunterschied
(v s - v 1) zwischen der Stromquellenseite und der
Lastseite des Leistungsschalters mit E bezeichnet werden,
bestimmt sich die Spannung E T der Wanderwelle zu
E T = E r/(R + r).
Wenn die beiden genannten Systeme in Kombination miteinander
angewandt werden, kann der Schließ- oder Einschaltstoß,
wie aus den obigen Ausführungen hervorgeht, bis zu einem
gewissen Grad begrenzt oder reduziert werden. Beim Widerstands-
Verbindungssystem wird jedoch auch dann, wenn der
Widerstand in Nebenschluß geschaltet wird, eine Stoßspannung
erzeugt. Aus diesem Grund ist es dabei schwierig,
die Stoßspannung effektiv auf einen niedrigen Wert zu begrenzen.
Dennoch verlangen die Isolationserfordernisse
speziell bei der Starkstromübertragung bei überhohen
Spannungen in der Größenordnung von z. B. 1000 kV, daß das
Überspannungsvielfache für Unterbrechungs- und Schließstoßspannungen
auf nur etwa 1,5-1,7 begrenzt wird. Infolgedessen
besteht ein Bedarf für einen verbesserten
Leistungsschalter mit effektiver Stoßspannungs-
Begrenzungsfunktion sowie für ein Verfahren zum Schließen
eines solchen Leistungsschalters.
Aus der DE-PS 11 83 998 ist eine Schaltungsanordnung
zum Einschalten von eine Brückengleichrichterschaltung
speisenden Drehstrom-Hochspannungstransformatoren mit
einer Reihenschaltung aus einem ersten Schütz und
einem Widerstand bekannt, wobei diese Reihenschaltung
an ein Drehstromnetz und über einen Transformator an
eine Brückengleichrichterschaltung mit einer Röntgenröhre
angeschlossen ist. Ein weiteres Schütz liegt
zwischen der einen Phase und der Nullphase. Eine
Schaltungsanordnung setzt das erste Schütz in Abhängigkeit
vom Nullgang einer der Phasenspannungen unter
Strom. Die Arbeitskontakte des zweiten Schützes werden
nach dem Ansprechen der Arbeitskontakte des ersten
Schützes mit einer bestimmten Verzögerungszeit geschlossen.
Weiterhin ist aus der AT-PS 2 86 419 eine Anordnung zur
Dämpfung von Überspannungen bekannt, die auf einer
Hochspannungsleitung beim Ein- und Ausschalten eines
am Leitungsende liegenden Schalter auftreten. Im
einzelnen enthält diese Anordnung einen Leitungsschalter
und eine Parallelschaltung aus einem Widerstand
und einem Überbrückungsschalter, wobei diese Parallelschaltung
in Reihe mit dem Leitungsschalter vorgesehen
ist. Der Leitungsschalter und der Überbrückungsschalter
werden zeitlich gestaffelt betätigt, derart, daß
während einer vorgebbaren optimalen Zeitdauer ein in
der Leitung liegender Widerstand zur Wirkung kommt.
Schließlich ist aus der US-PS 41 09 288 ein Schutzsystem
für eine induktive Last mit einem ferromagnetischen
Kern bekannt, bei dem ein erster Schalterkontakt
beim Null-Durchgang einer Stromversorgungsquelle
geschlossen und dabei die Last mit einer
Stromversorgungsquelle verbunden wird, wobei ein
Relais nur dann betätigt wird, wenn der ferromagnetische
Kern der Last einen nicht gesättigten Zustand
erreicht.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein
Leistungsschaltersystem zu schaffen, das bei einfachem
Aufbau sehr genau einen ersten und dann einen zweiten
Leistungsschalter-Kontakt zu schließen vermag.
Diese Aufgabe wird bei einem Leistungsschaltersystem
nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs erfindungsgemäß
durch die in dessen kennzeichnendem Teil enthaltenen
Merkmale gelöst.
Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
im Vergleich zum Stand der Technik anhand der beigefügten
Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung des Mechanismus
bzw. der Ursache der Entstehung des Schutz-
oder Leistungsschalter-Einschaltstoßes,
Fig. 2 eine graphische Darstellung des Vorgangs der Entstehung
eines Hochspannungsstoßes infolge der
Ausbreitung eines Einschaltstoßes durch eine
Starkstromübertragungsleitung,
Fig. 3 ein Prinzipschaltbild eines Leistungsschaltersystems,
Fig. 4 ein Zeitdiagramm zur Veranschaulichung der Arbeitsweise
des Leistungsschaltersystems nach Fig. 3,
Fig. 5 ein Blockschaltbild einer speziellen Schaltungskonstruktion
für das Leistungsschaltersystem nach Fig. 3
und
Fig. 6 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform
der Erfindung.
Die Fig. 1 und 2 sind eingangs bereits erläutert worden.
In Fig. 3 ist ein Leistungsschaltersystem schematisch
dargestellt. Dabei ist eine mit einer Stromquelle
oder -versorgung verbundene Klemme 1 über einen Widerstand 12
und einen Leistungsschalter-Kontakt 13 an eine lastseitige
Klemme 14 angeschlossen. Parallel zum Widerstand 12 ist
ein weiterer Leistungsschalter-Kontakt 15 geschaltet.
Im folgenden ist anhand von Fig. 4 die Reihenfolge beim
Schließen des Leistungsschaltersystems nach Fig. 3 erläutert.
Der Kontakt 13 wird gemäß Fig. 4b zu einem Zeitpunkt
t 1 geschlossen, welcher einem Nulldurchgang der
Stromquellenspannung (Fig. 4a) an der stromquellenseitigen
Klemme 11 entspricht. Infolgedessen ist der Widerstand 12
in eine nicht dargestellte, an die Klemme 14 angeschlossene
Starkstrom-Übertragungsleitung in Reihe eingeschaltet.
Zu einem späteren Zeitpunkt t 2 (Fig. 4a) nach Ablauf einer
Halbperiode der Stromquellenspannung wird dann der andere
Kontakt 15 des Leistungsschalters geschlossen, um den
Widerstand 12 in Nebenschluß zu schalten (vgl. Fig. 4c).
Wahlweise kann dieser Kontakt 15 zu einem Zeitpunkt t 3
gemäß Fig. 4a nach einer vollen Periode geschlossen werden.
Da der Widerstand zu einem Zeitpunkt entsprechend einem
Nulldurchgang der Spannung eingeschaltet wird, kann der
Schließ- oder Einschaltstoß beim Einschalten des Widerstands
12, wie beim Synchronschließsystem, auf einen
niedrigen Pegel begrenzt werden. Wenn in der Übertragungsleitung
beispielsweise eine Ladung gefangen ist,
kann somit die maximale Amplitude einer Wanderwelle auf
die Hälfte der Größe, die ohne das Synchronschließsystem
auftritt, verringert werden.
Die Stoßspannung, die beim Nebenschlußschalten ("shunten")
des Widerstands 12 durch den Kontakt 15 erzeugt wird,
wird durch die Beziehung zwischen der Phase der Stromquellenspannung
und der Phase des Spannungsabfalls über
den Widerstand 12 beeinflußt. Es wird nun die
Periode oder Zeitspanne vom Einschalten bis zum Shunten des
Widerstands 12 auf ein ganzzahliges Vielfaches von 10 ms
bei einer Stromquellenfrequenz von 50 Hz und auf ein ganzzahliges
Vielfaches von 8,3 ms bei einer solchen Frequenz
von 60 Hz festgelegt. Auf diese Weise kann der Widerstand
12 stets zu einem Zeitpunkt entsprechend einem Nulldurchgang
der Stromquellenspannung geshuntet werden. Im allgemeinen
ist als Widerstands-Einschaltperiode eine Periode
nötig, die einem ganzzahligen Vielfachen von 1/(2f), mit
f = Stromquellenfrequenz, entspricht. Der am Widerstand
zum Zeitpunkt seines Shuntens erzeugte Spannungsabfall
wird anhand von Gruppenkonstanten berechnet,
welche für den Widerstandswert des Widerstands und die
Impedanz der Übertragungsleitung stehen. Die Reaktanz der
Übertragungsleitung wird allgemein durch die Kapazität
dargestellt, und wenn diese mit C bezeichnet wird, beträgt
der über den Widerstand am Zeitpunkt des Einschaltens
desselben erzeugte Spannungsabfall VR in bezug auf
die Stromquellenspannung VS sin ω t
mit α = arc tan (1/ω CR).
Ersichtlicherweise ist der Spannungsabfall über den Widerstand
groß, wenn die Kapazität C groß ist und der Wert von
nahezu VS entspricht. Zu diesem Zeitpunkt
beträgt die Größe von 1/(ω CR), und somit α, nahezu Null.
Demzufolge koinzidiert die Phase des Spannungsabfalls
über den Widerstand mit der Phase der Stromquellenspannung,
und der Spannungsabfall beträgt Null, wenn der
Widerstand zu einem Zeitpunkt entsprechend dem Nulldurchgang
der Spannung (in die Leitung) eingeschaltet wird. Wenn
die Größe der Kapazität C klein ist, ist auch
klein, so daß der Spannungsabfall einen kleinen Pegel besitzt.
Erfindungsgemäß erfolgen also das Einschalten und das
Shunten bzw. Nebenschlußschalten des Widerstands jeweils
zu Zeitpunkten entsprechend den Nulldurchgängen der
Stromquellenspannung, so daß der
Spannungsstoß beim Einschalten des Widerstands und der
Spannungsabfall beim Shunten desselben auf niedrige
Werte begrenzt werden können und damit die Übertragung
von extrem hohen Spannungen in der Größenordnung von
z. B. 1000 kV möglich wird.
Fig. 5 ist ein Blockschaltbild eines speziellen
Beispiels eines auf dem Prinzip gemäß Fig.
3 beruhenden Leistungsschaltersystems, wobei den Teilen
von Fig. 3 entsprechende Teile mit denselben Bezugsziffern
wie vorher bezeichnet sind. Gemäß Fig. 5 ist eine an der
stromquellenseitigen Klemme 11 anliegende Wechselspannung
an die Primärwicklung 21 a eines Potentialtransformators
21 angekoppelt, und die in dessen Sekundärwicklung 21 b
induzierte Spannung wird einem Phasendetektor 22 zugeführt,
welcher die Phase der induzierten Spannung feststellt oder
bestimmt und einen Impuls z. B. zu einem Zeitpunkt t 1 (Fig.
4a) erzeugt. Dieser Impuls wird an eine elektromagnetische
Spule in einem Treibermechanismus 23 angekoppelt, woraufhin
dieser den Leistungsschalter-Kontakt 13 augenblicklich
gemäß Fig. 4b schließt. Der Impuls vom Phasendetektor 22
wird auch an eine Verzögerungsschaltung 234 angekoppelt,
welche den Eingangsimpuls zwischen den Zeitpunkten t 1
und t 2 um eine Periode T verzögert, so daß der Leistungsschalter-
Kontakt 15 den Widerstand 12 zum Zeitpunkt t 2
im Nebenschluß schalten kann.
Fig. 6 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, bei welcher der
Kontakt 15 parallel zu einer Reihenkombination aus dem
Leistungsschalter-Kontakt 13 und einem Widerstand 12 geschaltet
ist.
Gemäß Fig. 6 wird zuerst ein Treibermechanismus 23 zum
Schließen des Kontakts 13 durch das Ausgangssignal des
Phasendetektors 22 zum Zeitpunkt t 1 betätigt, um den
Widerstand 12 zwischen die Klemmen 11 und 14 einzuschalten;
anschließend wird ein anderer Treibermechanismus
25 z. B. zum Zeitpunkt t 2 durch das Ausgangssignal der
Verzögerungsschaltung 24 betätigt, um den Kontakt 15
zum Shunten des Widerstands 12 zu schließen. Bei der
Schaltung nach Fig. 5 sind die Leistungsschalter-
Kontakte 13 und 15 in Reihe zwischen die Klemmen 11 und
14 eingeschaltet, wobei beide Kontakte 13 und 15 geschlossen
werden, während der Widerstand 12 nur durch den Kontakt
15 in Nebenschluß geschaltet wird, so daß beide Kontakte
13 und 15 eine große Strombelastbarkeit besitzen müssen.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 6 fließt dagegen nach
dem Schließen des Kontakts 15 der Strom größtenteils
über den Kontakt 15, so daß die Strombelastbarkeit des
Widerstands 12 und des Kontakts 13 nicht so groß zu sein
brauchen.
Die bei den beschriebenen Ausführungsformen vorgesehenen
Kontakte können beide in einem gemeinsamen Gehäuse oder
aber in zwei getrennten Gehäusen angeordnet sein.
Claims (2)
- Leistungsschaltersystem, mit
- - einer Reihenkombination aus einem ersten Leistungsschalter- Kontakt (13) und einem Widerstand (12), der mit einer Stromübertragungsleitung in Reihe geschaltet ist, wobei die Reihenkombination zwischen eine Stromversorgungsquelle (11) und eine Stromübertragungsleitung (14) geschaltet ist,
- - einem zweiten Leistungsschalter-Kontakt (15), und
- - einer Steuereinrichtung (23, 25), welche den zweiten Leistungsschalter-Kontakt (15) nach einer vorgeschriebenen Zeitdauer nach dem Schließen des ersten Leistungsschalter-Kontakts (13) schließt,
- dadurch gekennzeichnet, daß
- - der zweite Leistungsschalter-Kontakt (15) parallel zu der Reihenkombination angeordnet ist.
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JP1374679A JPS55105921A (en) | 1979-02-08 | 1979-02-08 | Method of closing breaker |
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Also Published As
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FR2448782B1 (de) | 1983-09-23 |
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