DE3526516C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Isoliergas-Trennschalter, mit einem geerdeten Metallgehäuse, das mit einem elektrisch iso­ lierenden Gas gefüllt ist und die beiden Elektroden des Trennschalters aufnimmt, um einen kapazitiven Strom zu schal­ ten, der in einem elektrischen Versorgungssystem durch eine unbelastete Sammelschiene fließt, wobei die Elektroden einan­ der gegenüber in einem Abstand zueinander angeordnet sind und eine der beiden Elektroden zur Überbrückung dieses Abstandes einen beweglichen, zentrischen Kontakt hat, der zum Öffnen bzw. Schließen des Schalters in Axialrichtung verschiebbar ist.

Ein derartiger Trennschalter ist aus der DE 28 31 134 B1 be­ kannt. Dabei ist eine feststehende erste Elektrode vorgese­ hen, die ein feststehendes Schaltstück aufweist, das zur Auf­ nahme eines gegenüberliegenden Schaltstiftes ausgelegt ist.

Eine zweite gegenüberliegende Elektrode ist verschiebbar auf einem Trägerrohr angeordnet, welches den beweglichen Schalt­ stift sowie eine Betätigungseinrichtung für diesen Schalt­ stift aufnimmt. Dieser Schaltstift ist mit einem Hebelge­ triebe gekoppelt, welches die Bewegungsabläufe des bewegli­ chen Schaltstiftes und der zweiten Elektrode während des Ein­ schalt- und Ausschaltvorganges zwangsweise steuert, und zwar in der Weise, daß die bewegliche Elektrode während des Aus­ schaltvorganges in Richtung der ersten Elektrode vorgeschoben und beim Ausschalten von dieser ersten Elektrode weggezogen wird. Auf diese Weise soll erreicht werden, daß ein Auswan­ dern des Lichtbogens während des Ein- und Ausschaltvorganges vermieden wird. Über einen Zusammenhang zwischen dem Durch­ messer der Elektroden sowie dem Abstand zwischen den beiden einander gegenüberliegenden Elektroden lassen sich dieser Druckschrift keine Ausführungen entnehmen. Vielmehr ist bei der herkömmlichen Bauform des Trennschalters vorgesehen, daß dieser Abstand zwischen den beiden einander gegenüberstehen­ den Elektroden verändert wird, um auf diese Weise ein günsti­ ges elektrisches Feld zwischen den als Feldelektroden be­ zeichneten Elektroden zu erzielen, und zwar in der Weise, daß das Feld zwischen den beiden Elektroden einen starken Einfluß auf den Lichtbogen ausübt, während der Einfluß des von der äußeren Kapselung beeinflußten Feldes gering gehalten wird.

Ein Isoliergas-Trennschalter der eingangs genannten Art ist im wesentlichen auch aus der DE-Zeitschrift ETZ-Archiv, Band 3 (1981), Heft 7, Seiten 209 bis 215 aus der Veröffentlichung "Ausgleichsvorgänge beim Schalten von Trennschaltern in SF₆- isolierten Schaltanlagen" bekannt. Dabei werden beim Auftre­ ten von Rückzündungen im Trennschalter entstehende lastsei­ tige und speiseseitige Ausgleichsvorgänge untersucht, und zwar in Abhängigkeit von verschiedenen Parametern, wie z. B. der Schaltstiftgeschwindigkeit, dem Schaltaugenblick, dem Gasdruck sowie dem Aufbau der Schaltstrecke. Allerdings fin­ den sich in dieser Veröffentlichung keine Anregungen, wie die Trennschalter mit der Anordnung und der Geometrie der Elek­ troden dahingehend verbessert werden könnten, daß bei den Ausgleichsvorgängen ein niedrigerer Spannungsstoß erzeugt und die Durchschlagfestigkeit verbessert wird.

In einer Unterstation sind üblicherweise ein Leistungsschal­ ter und Trennschalter, die an beiden Seiten des Leistungs­ schalters angeschlossen sind, in die jeweilige Leitung einge­ setzt, welche die elektrischen Einrichtungen in der Untersta­ tion mit der Sammelschiene verbindet. In jüngerer Zeit sind vollständig mit Gas isolierte Unterstationen entwickelt wor­ den, in denen die Trennschalter, die Leistungsschalter und die Sammelschienen alle in einem mit SF₆-Gas gefüllten Metallgehäuse eingeschlossen sind; ferner gibt es dabei hybridartige Isoliergas-Unterstationen, bei denen nur die Sammelschienen Luftleitungen sind.

Wenn in derartigen Unterstationen die Trennschalter betä­ tigt werden, trennen sie die elektrischen Einrichtungen in der Unterstation von den Übertragungsleitungen und schal­ ten den Stromkreis. Das Öffnen und das Schließen des Trenn­ schalters wird vorgenommen, während sich der angrenzende Leistungsschalter in der offenen Position des Strom­ kreises befindet, und der Trennschalter schaltet einen kleinen kapazitiven Strom in einem kurzen Leitungsabschnitt innerhalb der Unterstation, der sich zum zugeordneten Leistungsschalter erstreckt.

Fig. 1 zeigt ein Beispiel einer Anordnung einer Unter­ station dieses Typs, wobei die Bezugszeichen BUS1 und BUS2 eine Sammelschiene A bzw. B bezeichnen; die Bezugszeichen DS1 bis DS8 bezeichnen Trennschalter, und die Bezugszeichen CB1 bis CB3 bezeichnen Leistungsschalter In Fig. 1 der Zeichnung schaltet der Trenn­ schalter DS1 einen kurzen Leitungsabschnitt a, der sich zwischen dem Trennschalter DS1 und dem Leistungsschalter CB1 erstreckt, und der Trennschalter DS5 schaltet den Leitungsabschnitt b, wenn der Trennschalter DS6 offen ist. Das Bezugszeichen Tr bezeichnet einen Transformator.

In einer Unterstation vom oben beschriebenen Typ findet während der Unterbrechung eines kapazitiven Stromes durch die Schaltbetätigung des Trennschalters eine große Anzahl von Wiederzündungen (Entladungen zwischen den Elektroden) statt, und in einer lastseitigen Leitung erhält man eine Spannungs-Wellenform gegen Erde, wie es in Fig. 2a dar­ gestellt ist. Genauer gesagt, im wesentlichen gleichzei­ tig mit der Kontakttrennung wird der kleine kapazitive Strom unterbrochen. Zu diesem Zeitpunkt bleibt eine Quellen- oder Versorgungsspannung zum Zeitpunkt der Unterbrechung auf der lastseitigen Leitung, so daß eine Spannungsdifferenz zwischen der Restspannung VR1 und der Quellenspannung zwi­ schen den Elektroden des Trennschalters anliegt. Da zu die­ sem Zeitpunkt der Trennschalter immer noch öffnet und unzu­ reichend in der Durchschlagfestigkeitsisolierung zwischen den Elektroden ist, findet ein Wiederzünden bei der Zwi­ schen-Elektrodenspannung VP1 statt. Da in diesem Falle je­ doch die elektrostatische Kapazität der Leitung in der Größenordnung von einigen Hundert bis einigen Tausend Pico- Farad liegt, wird die Unterbrechung beendet, unmittelbar nachdem der hindurchfließende Einschaltstrom reduziert ist, und eine Spannung in der gleichen Größenordnung wie die Quellenspannung bleibt zu diesem Augenblick auf der last­ seitigen Leitung. Da sich die Quellenspannung weiter ändert, findet das Wiederzünden bei der Zwischen-Elektrodenspannung VP2 erneut statt. Das Wiederzünden wiederholt sich in glei­ cher Weise.

Ein Spannungsstoß zur Erde wird zum Zeitpunkt dieses Wieder­ zündens im Trennschalter erzeugt. Das Wiederzündungs- Phänomen im Bereich (A) in Fig. 2a ist beispielsweise in Fig. 2b näher dargestellt, wobei die Zeitachse gedehnt ist. Der Spannungsstoß hat zu diesem Zeitpunkt eine hohe Frequenz aufgrund der Kürze der zu schaltenden lastseiti­ gen Leitung, und seine Grundfrequenz reicht üblicherweise von einigen Hundert kHz bis zu einigen MHz. Somit fließt während des Wiederzündens ein Strom hoher Frequenz zwischen den Elektroden des Trennschalters, und die Unterbrechung wird ausgebildet, wenn dieser Einschaltstrom ausreichend abnimmt, und der Strom wird unterbrochen, nachdem die Spannung auf der lastseitigen Leitung gleich der Quellen­ spannung ist.

Wenn die Elektroden des Trennschalters sich trennen, nimmt die Durchschlagfestigkeit zwischen den Elektroden zu, so daß die Zwischenelektroden-Potentialdifferenz beim Wieder­ zünden zwischen den Elektroden des Trennschalters beispiels­ weise für VPn-1 oder VPn zunimmt. Somit erreicht ein großer Spannungsstoß aufgrund der Übergangsschwingung die Spannung, die an den Punkten (B) und (C) in Fig. 2a dar­ gestellt ist.

Bei diesem Beispiel ist die Potentialdifferenz VPn-1 wäh­ rend der Entladung zwischen den Elektroden größer als VPn. Dies liegt daran, daß die Konfiguration der Elektroden des Trennschalters während des Schaltvorganges im allgemeinen asymmetrisch ist, und zwar wegen des beweglichen Kontaktes bei einer der Elektroden, wie es Fig. 3 zeigt, und die (dielektrische) Durchschlagfestigkeits-Wiederkehrspannung zwischen den Elektroden ist asymmetrisch wegen der Polari­ tät der Zwischenelektrodenspannung VPn-1 und VPn, was man als sogenannten Polaritätseffekt bezeichnet. Dieser Polaritätseffekt tritt bei den meisten Isoliergas-Trenn­ schaltern auf.

Das Verhältnis der obigen Asymmetrie (ausgedrückt als Durchschlagfestigkeits-Wiederkehrspannung positiver Pola­ rität zwischen den Elektroden/Durchschlagfestigkeits- Wiederkehrspannung negativer Polarität zwischen den Elektro­ den) beträgt im allgemeinen 1,3.

Aus der Literaturstelle "Disconnect Switch Induced Transients and Trapped Charged in Gas-Insulated Substations" von S.A. Boggs et al. IEEE Trans. PAS, Bd. 101, 1982, Nr. 10, Sei­ ten 3593-3600, ist es bekannt, daß die maximale Potential­ differenz zwischen den Elektroden während der Entladung zwischen den Elektroden selten den zu erwartenden Maximal­ wert von 2,0 Potentialeinheiten erreicht, wobei eine Poten­ tialeinheit dem Standard-Spitzenspannungswert gegen Erde entspricht.

Eine Überspannung aufgrund der Übergangsschwingung während der Entladung zwischen den Elektroden des Trennschalters oder der sogenannte Trennschalter-Spannungsstoß ist extrem hoch im Vergleich mit dem Standard-Spitzenspannungswert gegen Erde, wie in Fig. 2 gezeigt. Da außerdem der Trenn­ abstand zwischen den Elektroden des Trennschalters sehr groß ist, wenn ein derartiger Trennschalter-Spannungsstoß er­ zeugt wird, verzweigt sich der elektrische Bogen, der zum Zeitpunkt der Entladung zwischen den getrennten Elektroden erzeugt wird, oft zum Metallgehäuse, das sich auf Erdpoten­ tial befindet, mit dem Ergebnis, daß leicht ein Erdfehler er­ zeugt werden kann, während die Unterbrechung des kapazitiven Stromes erfolgt.

Dieses Phänomen hat man jedoch bislang nicht in ausreichendem Maße verstanden, und bei einem herkömmlichen Isoliergas- Trennschalter können keine wirksamen Maßnahmen mit Ausnahme der Vergrößerung der erwähnten Asymmetrien zwischen den Elek­ troden ergriffen werden, um die Spannung zwischen den Elektro­ den während der Entladung zwischen den Elektroden zu verrin­ gern und den Trennschalter-Spannungsstoß zu verringern.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Isoliergas- Trennschalter anzugeben, bei dem ein niedrigerer Trennschal­ ter-Spannungsstoß erzeugt wird und bei dem die Durchschlagfe­ stigkeit gegen Erde während der Unterbrechung des kapazitiven Stromes erhöht wird.

Die erfindungsgemäße Lösung besteht darin, einen Isoliergas- Trennschalter der gattungsgemäßen Art so auszubilden, daß der Durchmesser der Elektroden bei Elektroden gleichen Durchmes­ sers, sonst bei Elektroden ungleichen Durchmessers der klei­ nere dieser Durchmesser, in einem bestimmten, vorgegebenen Verhältnis zum Abstand steht und daß dieses Verhältnis im Be­ reich zwischen 2 und 4 gewählt wird.

Mit dieser speziellen Geometrie der Elektrodenanordnung wird die Aufgabe in zufriedenstellender Weise gelöst. Dadurch näm­ lich, daß gemäß der Erfindung der Durchmesser von jeder Elek­ trode eines Paares von Elektroden das Zweifache bis Vierfache des Abstandes zwischen den Elektroden während der Trennung ausmacht, kann der Maximalwert des Spannungsstoßes, der bei der Unterbrechung des kapazitiven Stromes erzeugt wird, ver­ ringert werden, während der Maximalwert der Ladespannung zwi­ schen den Elektroden vergrößert werden kann, mit der Folge, daß ein Erdfehler unterdrückt werden kann, der sonst während der Unterbrechung des kapazitiven Stromes auftreten könnte.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels und unter Bezugnahme auf die beiliegen­ den Zeichnungen näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen in

Fig. 1 ein Schaltbild einer Isoliergas-Unterstation;

Fig. 2a und 2b Kurven zur Erläuterung der Spannungswellenform wäh­ rend der Unterbrechung eines kapazitiven Stromes;

Fig. 3 eine Schnittansicht der Elektroden des Trennschal­ ters;

Fig. 4 eine Kurve zur Erläuterung der charakteristischen Eigenschaften einer dielektrischen Wiederkehrspan­ nung zwischen den Elektroden;

Fig. 5 und 6 Kurven zur Erläuterung der Wirkung des Knie­ punktes der dielektrischen Wiederkehrspannung und

Fig. 7 Kurven zur Erläuterung, wie sich die dielektrische Wiederkehrspannung ändert.

Da die Fig. 1, 2a und 2b bereits eingangs erläutert worden sind, wird in der nach stehenden Beschreibung auf Fig. 3 Bezug genommen. In Fig. 3 bezeichnet das Bezugszeichen 1 ein Metallgehäuse, das geerdet und mit einem Isoliergas, beispielsweise SF₆-Gas, gefüllt ist. Das Bezugszeichen 2 bezeichnet eine zylindrische stationäre Elektrode, die in­ nerhalb des Metallgehäuses 1 angeordnet ist und einen Durchmesser d1 besitzt. Die stationäre Elektrode 2 hat einen stationären Kontakt 2a. Das Bezugszeichen 3 bezeich­ net eine zylindrische bewegliche Elektrode, die innerhalb des Metallgehäuses 1 angeordnet ist und der stationären Elektrode 2 gegenüberliegt, wobei die bewegliche Elektrode 3 einen Durchmesser d2 besitzt und in einem vorgegebenen Abstand von 1 angeordnet ist. Die bewegliche Elektrode 3 hat einen beweglichen Kontakt 3a, der zur Kontaktherstel­ lung mit dem stationären Kontakt 2a vorsteht. In der dar­ gestellten Weise bewegt sich der bewegliche Kontakt 3a während der Kontaktbildung, d. h. während des Schließens in der Folge (D)-(C)-(B)-(A) und beim Kontakttrennen (Unterbrechen) in der Folge (A)-(B)-(C)-(D). Während die Durchmesser der beiden Elektroden 2 und 3 im allgemeinen so ausgelegt sind, daß die Beziehung d = d1 = d2 gilt, ist es keinesfalls erforderlich, daß diese Durchmesser gleich groß sind.

Die (dielektrische) Durchschlagfestigkeits-Wiederkehrspan­ nung über bzw. zwischen den Elektroden 2 und 3 der oben beschriebenen Art ändert sich in nicht-linearer Weise in bezug auf den Hub des beweglichen Kontaktes 3a und zeigt ein steiles Ansteigen bei einer bestimmten Spannung. Der Punkt, bei dem dieses abrupte Ansteigen zu beobachten ist, wird nachstehend als "Kniepunkt" der dielektrischen Wieder­ kehrspannung oder Erholungsspannung bezeichnet. Als Resul­ tat einer Analyse des elektrischen Feldes zwischen den Elektroden ist ermittelt worden, daß diese nicht-lineare Änderung auf der Tatsache beruht, daß sich der bewegliche Kontakt 3a durch den Raum zwischen den Elektroden 2 und 3 bewegt, und daß diese Änderung im wesentlichen von dem Verhältnis des Abstandes l zwischen den Elektroden 2 und 3 sowie dem Durchmesser d der Elektroden abhängt.

Somit ergibt sich, daß der Kniepunkt der dielektrischen Wiederkehrspannung in Abhängigkeit von dem Verhältnis zwi­ schen l und d bestimmt wird.

Während Fig. 4 die Änderung der dielektrischen Wiederkehr­ spannung zeigt, wenn die Polarität der Spannung zwischen den Elektroden negativ ist, kann man die Kurve der dielek­ trischen Wiederkehrspannung, wenn die Polarität positiv ist, dadurch erhalten, daß man jeden Wert mit 1,3 multi­ pliziert, welches das Verhältnis der Asymmetrie der Kurve der positiven Polarität ist.

Die Fig. 5 und 6 zeigen Kurven, die man durch Computer­ simulation erhalten hat. Die Kurven zeigen, wie sich die maximale Spannung zwischen den Elektroden sowie der maxi­ male Spannungsstoß bei einer gegebenen dielektrischen Wie­ derkehrspannung ändern, wenn sich die Spannung des Knie­ punktes ändert, indem man das Verhältnis zwischen dem Ab­ stand l zwischen den Elektroden und dem Elektrodendurch­ messer d ändert.

In diesen Kurven sind sämtliche Entladungsspannungswerte zwischen den Elektroden in negative Werte umgewandelt, um den Einfluß des Kniepunktes deutlicher verständlich zu machen.

Aus diesen Kurven ergibt sich, daß dann, wenn die Spannung am Kniepunkt sich ändert, sich entsprechend die maximale Entladungsspannung zwischen den Elektroden sowie der maxi­ male Spannungsstoß ändern. Wenn die Spannung am Kniepunkt ungefähr 1,0 Potentialeinheiten beträgt, haben die maxi­ male Entladungsspannung zwischen den Elektroden sowie der maximale Spannungsstoß die Tendenz zur Vergrößerung. Die Daten der maximalen Entladungsspannung zwischen den Elek­ troden innerhalb des schraffierten Bereiches implizieren, daß das Wiederzünden (Entladung zwischen den Elektroden) beendet ist, bevor der Kniepunkt erreicht ist; die maxi­ male Entladungsspannung zwischen den Elektroden und der maximale Spannungsstoß nehmen ab, wenn das Wiederzünden innerhalb dieses Bereiches beendet ist, insbesondere dann, wenn der Kniepunkt größer als 1,4 Potentialeinheiten ist.

Aus den obigen Resultaten ergibt sich, daß die maximale Entladungsspannung zwischen den Elektroden und der maxi­ male Spannungsstoß verringert werden können, indem man die Konfiguration der Elektroden so wählt und vorgibt, daß der Kniepunkt der dielektrischen Wiederkehrspannung mindestens bei 1,4 Potentialeinheiten liegt. Infolgedessen kann ein Erdschluß während der Unterbrechung des kapaziti­ ven Stromes weniger wahrscheinlich gemacht werden.

Fig. 7 zeigt die Variation oder Änderung der dielektrischen Wiederkehrspannung, wenn das Verhältnis k = d/l geändert wird, wobei d der Durchmesser der Elektrode und l der Ab­ stand zwischen den Elektroden ist. Wie sich aus den Kurven ergibt, liegt der Kniepunkt der dielektrischen Wiederkehr­ spannung über etwa 1,4 Potentialeinheiten, wenn das Ver­ hältnis k < 2 gilt. Wenn der Elektrodendurchmesser d wesentlich größer ist als der Elektrodenabstand l zwischen den beiden Elektroden 2 und 3, muß das geerdete Metallgehäuse 1, das die Elektroden 2 und 3 umgibt, entsprechend groß sein, so daß die Gesamt­ abmessungen des Trennschalters unerwünscht groß werden. Andererseits überschreitet die Spannung zwischen den Elek­ troden während der Unterbrechung niemals den Wert von 2,0 Potentialeinheiten und kommt selten dicht an den Wert von 2,0 Potentialeinheiten heran, so daß es unter dem Aspekt der Praxis unerwünscht ist, den Wert k = d/l extrem groß zu machen.

Somit liegt ein in der Praxis wünschenswerter Bereich des Wer­ tes von k = d/l zwischen Werten von 2 bis 4. Innerhalb die­ ses Bereiches tritt ein Erdschluß während der Unterbrechung des kapazitiven Stromes weniger häufig auf.

Während bei der oben beschriebenen Ausführungsform die Durchmesser d1 und d2 der einander gegenüberliegenden Flächen der Elektroden 2 und 3 gleich groß sind, kann die gleiche Wirkung auch dann erzielt werden, wenn diese Werte ungleich groß sind. In diesem Falle ist das Verhältnis k bestimmt durch den Durchmesser der Elektrode mit kleinerem Durchmesser zum Abstand zwischen den Elektroden.

Auch wenn bei der oben beschriebenen Ausführungsform die Verwendung von SF₆ als Isoliergas in dem Metallgehäuse beschrieben worden ist, kann auch ein anderes Gas verwen­ det werden, das zur Bogenlöschung geeignet ist, wie zum Beispiel eine Mischung aus N₂-Gas und SF₆-Gas.

Claims (1)

1. Isoliergas-Trennschalter, mit einem geerdeten Metall­ gehäuse (1), das mit einem elektrisch isolierenden Gas gefüllt ist und die beiden Elektroden (2, 3) des Trennschalters aufnimmt, um einen kapazitiven Strom zu schalten, der in einem elektrischen Versorgungssystem durch eine unbelastete Sammelschiene fließt, wobei die Elektroden (2, 3) einander gegenüber in einem Abstand (1) zueinander angeordnet sind und eine der beiden Elektroden (2, 3) zur Überbrückung dieses Abstandes (1) einen beweglichen, zentrischen Kontakt (3a) hat, der zum Öffnen bzw. Schließen des Schalters in Axialrichtung verschiebbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser (d) der Elektroden (2, 3) bei Elektroden (2, 3) gleichen Durchmessers (d), sonst bei Elektroden (2, 3) ungleicher Durchmesser (d1, d2) der kleinere dieser Durchmesser (d1, d2), in einem bestimmten, vorgegebenen Verhältnis k = d : 1 zum Abstand (1) steht und daß dieses Verhältnis (k) im Bereich zwischen 2 und 4 gewählt wird.