DE3444317C2 - Reaktorschalter - Google Patents

Description

Bei der Erfindung wird ausgegangen von einem Reaktorschalter nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.

Ein derartiger Schalter ist aus dem DE-Fachbuch "Grundlagen der Schaltgerätetechnik", (1974), A.Erk/M.Schmelzle, Seite 34 sowie aus GB Patent Specification 1 589 071, insbesondere Fig. 1 und 3, bekannt. Der bekannte Schalter weist eine durch einen nichtlinearen Widerstand überbrückte Schaltstelle auf. Dieser Widerstand dämpft den Einschwingvorgang eines in einem leerlaufenden Transformator oder einer Drosselspule fließen­ den Schwingstromes, welcher beim Abreißen des Schaltlichtbo­ gens während des Ausschaltens des leerlaufenden Transforma­ tors oder der Drosselspule gebildet wird. Mit dem sich einschwingenden Strom verbundene Überspannungen können so unterhalb eines Grenzwertes gehalten und damit die Isola­ tionen des Transformators oder der Drossel vor Beschädigung geschützt werden. Beim Auftreten von Rückzündungen sind diese Isolationen jedoch nicht mit Sicherheit vor Beschädigungen geschützt.

In DE 23 61 203 A1 ist ein elektrischer Leistungsschalter beschrieben, bei dem parallel zu einem Teil seiner Schalt­ strecken spannungsabhängige Widerstände geschaltet sind. Diese Widerstände weisen ein hohes Maß an Nichtlinearität auf und übernehmen beim Ausschalten den im Schaltlichtbogen fließenden Strom, sobald die Lichtbogenspannung die Schwell­ spannung der Widerstände überschreitet.

Die Erfindung nimmt ferner Bezug auf einen Stand der Technik von Reaktorschaltern, wie ihn G. Köppl und E. Ruoss im Aufsatz "Schaltüberspannungen in Hoch- und Höchstspannungsnetzen", veröffentlicht in Brown Boveri Mitt. 1970, S. 554 ff., beschrieben haben. Beim Öffnen der Schaltstelle des bekannten Reak­ torschalters kann beim Abreißen des Stromes vor seinem natürlichen Nulldurchgang bedingt durch die Induktivität und die Kapazität des Reaktors als wiederkehrende Spannung eine Schwingspannung auftreten, deren Amplitude falls notwendig, durch parallel zur Schaltstelle gelegte Dämp­ fungswiderstände begrenzt werden kann. Trennen sich beim Öffnen die Kontakte der Schaltstelle erst kurz vor dem Stromnulldurchgang, so kann es zu einer Rück­ zündung im Schalter kommen. Findet diese Rückzündung bei einer genügend hohen Amplitude der Schwingspannung der wiederkehrenden Spannung statt, so können am Reak­ tor zusätzlich Rückzündschwingungen mit sehr raschen Spannungsänderungen auftreten, welche eine Gefährdung der Isolation des Reaktors nach sich führen können.

Die Erfindung wie sie in Anspruch 1 gekennzeichnet ist, löst die Aufgabe, einen Reaktorschalter der gattungsge­ mäßen Art anzugeben, bei dem Rückzündschwingungen mit unzulässig hohen Spannungsänderungen in einfacher und sicherer Weise vermieden werden.

Die Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs gelöst.

Der erfindungsgemäße Reaktorschalter zeichnet sich dadurch aus, daß auch bei extremen Schaltfällen Steilhei­ ten von möglicherweise am Reaktor auftretenden hochfre­ quenten Rückzündschwingungen bei vergleichsweise geringer Energieabsorption begrenzt werden. Isolationsschäden am Reaktor können daher bereits schon mit Widerständen vermieden werden, welche lediglich zur Aufnahme kleiner Energiemengen bemessen sind. Darüber hinaus lassen sich mit diesem Schalter innerhalb kürzester Zeit problemlos eine große Anzahl von Schaltungen vornehmen.

Aus der DE 30 38 561 A1 ist es zwar bekannt, spannungs­ abhängige Widerstände parallel zu einer Schaltstrecke anzuordnen, um so ein optimales Schalten von Transforma­ toren zu ermöglichen. Hierbei ist jedoch zwischen dieser Schaltstrecke und dem Transformator eine weitere Schalt­ strecke vorgesehen, zu welcher ein Widerstand und eine Hilfsschaltstrecke parallel geschaltet sind. Eine solche Anordnung ist jedoch ziemlich aufwendig, da sie zwei unterschiedlich beschaltete Schaltstrecken benötigt.

Ferner hat F. Parschalk im Aufsatz "Höchstspannungs-Druck­ luftschnellschalter großer Ausschaltleistungen für Schwerpunkte des Verbundbetriebes", BBC-Nachrichten Bd. 41 (1959) S. 328 einen Schalter beschrieben, bei dem parallel zu einem Löschkontakt eine Serienschaltung einer Hilfsschaltkammer und eines spannungsabhängigen Widerstandes liegt. Dieser Widerstand liegt dem Lösch­ kontakt nur während des sehr kurzen Ausschaltvorganges parallel, wodurch eine ideale Potentialsteuerung und damit eine optimale Ausschaltleistung erreicht werden.

Eigenschaften und Vorteile der Erfindung werden nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Hierbei zeigt:

Fig. 1 ein Schaltbild mit einem erfindungsgemäß ausge­ bildeten Reaktorschalters,

Fig. 2 eine graphische Darstellung des zeitlichen Verlau­ fes der beim Ausschalten eines bekannten Reaktor­ schalters über dem Reaktor wirkenden Spannung, und

Fig. 3 eine graphische Darstellung des zeitlichen Ver­ laufes der beim Ausschalten eines erfindungsge­ mäßen Reaktorschalters über dem Reaktor wirkenden Spannung.

In Fig. 1 sind zwei in Serie geschaltete Schaltstellen 1 und 2 eines Reaktorschalters angegeben, welche zwischen einer Phase einer Hochspannungsleitung 3 und einem Reaktor 4 angeordnet sind. Parallel zu jeder der beiden Schaltstellen 1 bzw. 2 ist jeweils ein spannungsabhängiger Wider­ stand 5 bzw. 6 geschaltet. Solche Widerstände sind vor­ zugsweise als Metalloxid-Widerstände auf der Basis von Zinkoxid ausgebildet, kann aber auch jeder andere span­ nungsabhängige Widerstand sein, dessen Strom-Spannungs- Kennlinie stark nichtlinear ausgebildet ist und eine gegenüber Siliziumkarbid-Widerständen wesentlich höhere Nichtlinearität aufweist. Parallel zum Reaktor 4 ist noch eine Kapazität 7 dargestellt, welche im wesentlichen durch die Eigenkapazität des Reaktors 4 gegeben ist.

Die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Reaktorschalters wird nachfolgend anhand der Fig. 2 und 3 näher erläutert.

Beim Ausschalten öffnen sich die Schaltstrecken 1 und 2 und der im Reaktor 4 geführte Strom kann vor seinem natürlichen Nulldurchgang zum Zeitpunkt t_A abreißen. Der Stromabriß führt zu einer Überspannung, welche mit der Eigenfrequenz des Reaktors 4 um Null oder um eine gegenpolige betriebsfrequente Spannung mit der Eigenfrequenz des Reaktors 4 von beispielsweise einigen kHz schwingt. Über den Schaltstellen 1 und 2 erscheint als wiederkehrende Spannung U die Differenz der Netzspannung und dieser Schwingspannung.

Der Verlauf der wiederkehrenden Spannung ist in den Fig. 2 und 3 in p.u.-Einheiten dargestellt, wobei das √2/√3-fache des Scheitelwertes einer Phase der Netzspannung der Hochspannungsleitung 3 einer p.u.-Einheit gleichgesetzt ist. Hierbei ist der Verlauf der Netzspan­ nung im Spannungsmaximum gestrichelt dargestellt. Dieses Maximum ist über den in diesen Figuren angegebenen Zeitab­ schnitten nahezu konstant, da sich die maximale Amplitude der Netzspannung während der in den Fig. 2 und 3 dargestellten Zeiträume praktisch nicht verändert.

In Fig. 2 ist nun bei einem Reaktorschalter gemäß dem Stand der Technik der maximale Scheitelwert der wieder­ kehrenden Spannung über den Schaltstellen eingetragen. Dieser Scheitelwert beträgt 2,4 p.u., da sich zu der im Spannungsmaximum ein p.u. betragenden Netzspannung noch der 1,4 p.u. betragende Scheitelwert der Reaktor­ schwingspannung addiert.

Es ist jedoch möglich, daß die Trennung der Kontakte der Schaltstellen kurz, d. h. z. B. 1 oder 2 ms, vor dem Stromnulldurchgang stattfindet. Dann haben die Kontakte erst eine kleine Isolierdistanz erreicht, und es kann zu einer Rückzündung im bekannten Reaktorschalter kommen. Der Zeitpunkt der Rückzündung ist in den Figuren mit t_W bezeichnet. An diesem Zeitpunkt schwingt die Spannung des Reaktors mit hoher Frequenz mit einem Überschwingen den Momentanwert der Netzspannung zurück. Dieses Überschwingen ist mit einer sehr steilen Spannungsände­ rung am Reaktor 4 verbunden. Bei dem in Fig. 2 angegebenen Beispiel tritt unmittelbar nach der Rückzündung eine Rückzündschwingung von 500 kHz mit einer Amplitude von 3,3 p.u. auf. Diese Rückzündschwingung weist eine Steil­ heit von 3,3 p.u./µs auf. Hierdurch kann die Isolation des Reaktors in lokalen Bereichen ganz erheblich über­ beansprucht werden.

Beim erfindungsgemäßen Reaktorschalter bewirken die spannungsabhängigen Widerstände 5 und 6, daß die nach dem Stromabriß zum Zeitpunkt t_A über den Schaltstellen 1 und 2 wiederkehrende Spannung derart begrenzt wird, daß die Spannungsänderungen der bei einer Rückzündung dieser Schaltstellen am Reaktor auftretenden hochfre­ quenten Rückzündschwingung stets unterhalb eines Grenz­ wertes liegen. Es hat sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, diesen Grenzwert auf etwa 2,4 p.u./µs zu legen, da es viele Reaktoren gibt, die keine steileren Spannungsänderungen als 2,4 p.u./µs ertragen.

Die vorzugsweise als Metalloxid-Widerstände auf der Basis von Zinkoxid ausgebildeten veränderlichen Wider­ stände 5 und 6 sind hierbei derart bemessen, daß sie unterhalb 1,2 bis 1,7 p.u. einen sehr großen Widerstands­ wert aufweisen. Oberhalb einer Grenzspannung, welche wie im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 bei 1,7 p.u. liegt, wird ihr Widerstandswert nahezu vernachlässigbar, so daß ab dem in Fig. 3 mit t_B bezeichneten Zeitpunkt des Leitendwerdens der spannungsabhängigen Widerstände 5 und 6 keine wesentliche Zunahme der wiederkehrenden Spannung oberhalb der vorgegebenen Grenzspannung eintritt.

Zündet der Reaktorschalter beim Zeitpunkt t_W wieder, so erreicht die Anfangsamplitude der infolge dieser Rückzündung auftretenden hochfrequenten Rückzündschwingung höchstens noch 2,3 p.u. Dies entspricht bei 500 kHz einer Spannungsänderung von 2,3 p.u./µs, liegt also deutlich unter 2,4 p.u./µs, einem für die meisten Reak­ toren noch vertretbaren Grenzwert der Spannungsänderung.

Ist der Wert der wiederkehrenden Spannung, bei dem die spannungsabhängigen Widerstände leitend werden, und somit also der zugeordnete Grenzwert der Steilheit der Spannungsänderung der hochfrequenten Rückzündschwingung hoch gelegt, dann müssen die spannungsabhängigen Wider­ stände 5 und 6 vergleichsweise wenig Energie (schraffierte Fläche in Fig. 3) aufnehmen.

Beim Schalten großer Spannungen ist es im Hinblick auf eine gute Spannungsverteilung über den Reaktorschalter mitunter vorteilhaft, jeweils einen spannungsabhängigen Widerstand parallel zu jeweils einer von mehreren Schalt­ stellen zu legen. Im Hinblick auf eine einfache konstruk­ tive Ausbildung des erfindungsgemäßen Reaktorschalters, etwa wenn zwei seiner Schaltstellen V-förmig angeordnet sind, ist es gegebenenfalls empfehlenswert, einen span­ nungsabhängigen Widerstand parallel zu mindestens zwei in Serie geschalteten Schaltstellen zu legen.

Claims (5)

1. Reaktorschalter für ein elektrisches Netz mit einer Hochspannungsleitung (3) und mit einem Hochspannungs­ reaktor (4), wobei nach Öffnen mindestens einer zwischen Hochspannungsleitung (3) und Hochspannungsreaktor (4) angeordneten Schaltstelle (1, 2) eine erste Überspannung mit der Eigenfrequenz des Hochspannungsreaktors (4) von einigen kHz oszillieren kann, und wobei die mindestens eine Schaltstelle (1, 2) parallelgeschaltet ist zu einem spannungsabhängigen Widerstand (5, 6), welcher beim Öffnen des Reaktorschalters eine als Differenz zwischen der Netzspannung und der ersten Überspannung über der mindestens einen Schaltstelle (1, 2) auftretende wieder­ kehrende Spannung begrenzt, dadurch gekennzeichnet, daß der spannungsabhängige Widerstand oberhalb einer Grenz­ spannung von höchstens 1,2 bis 1,7 [p.u.] elektrisch leitend ist und unterhalb dieser Grenzspannung einen großen Widerstandswert aufweist, wobei die Grenzspannung in Abhängigkeit von der Isolation des Hochspannungs­ reaktors (4) derart bestimmt ist, daß die Steilheit des Spannungsanstiegs einer bei einer möglichen Rückzündung des Schaltlichtbogens im Reaktorschalter mit einer Frequenz von typischerweise 500 kHz am Hochspannungs­ reaktor (4) oszillierenden zweiten Überspannung unterhalb eines die Isolation des Hochspannungsreaktors (4) nicht überbeanspruchenden Grenzwerts bleibt.

2. Reaktorschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der Grenzwert etwa 2,4 [p.u./µs] ist.

3. Reaktorschalter nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der spannungsabhängige Widerstand (z. B. 5) mindestens ein Metalloxid enthält.

4. Reaktorschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine in Serie zu der mindestens einen Schaltstelle (z. B. 1) geschaltete weitere Schaltstelle (z. B. 2) vorgesehen ist, welche parallel zu einem weiteren spannungsabhängigen Wider­ stand (z. B. 6) liegt.

5. Reaktorschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in Serie zu der mindestens einen Schaltstelle mindestens eine weitere Schaltstelle angeordnet ist, und daß die mindestens zwei Schalt­ stellen parallel zum spannungsabhängigen Widerstand liegen.