DE3833166A1 - Verfahren zum betrieb eines leistungsschalters - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Leistungsschalters, insbesondere eines Vakuumschalters, unter Verwendung eines Auslösesteuergerätes, das unabhängig vom Zeitpunkt einer Befehlsgabe zum Ausschalten die Öffnung der Schaltstücke zu einem in fester Beziehung zum Nulldurchgang des Stromes stehenden Zeitpunkt veranlaßt.

Ein Verfahren dieser Art ist durch die US-A-35 55 354 bekannt geworden. Zweck dieses Verfahrens ist es, den Energieumsatz in den Schaltstrecken durch eine Verkürzung der Lichtbogenzeiten möglichst zu beschränken. Der Beginn der tatsächlichen Trennung der Schaltstücke wird hierzu gegenüber dem Zeitpunkt eines willkürlichen Ausschaltbefehls soweit verzögert, daß jeweils zum Zeitpunkt des Nulldurchganges des Stromes eine zum Löschen des Lichtbogens gerade ausreichende Distanz zwischen den Schaltstücken besteht. Das Auslösesteuergerät erfaßt hierzu über Wandler den fließenden Strom und gewinnt hieraus periodische Impulse jeweils beim Nulldurchgang des Stromes und im Maximum bzw. Minimum der Stromkurve. Beide Impulse werden über ein Zeitglied einem UND-Glied zugeführt, das zusätzlich durch ein Signal beaufschlagbar ist, das von der absoluten Höhe des Stromes abgeleitet ist. Das von dem UND-Glied ausgehende Auslösesignal gelangt in üblicher Weise zu einem Auslösemag­ neten, der ein Ventil oder eine Verklinkungsanordnung zur Freigabe des Schaltmechanismus bzw. des Schalterantriebes betätigt.

Beim Betrieb elektrischer Anlagen mit einer bestimmten Konfi­ guration hat sich gezeigt, daß erhebliche Überspannungen ent­ stehen können, wenn beim Abschalten des Stromes die wieder­ kehrende Spannung schneller ansteigt als die dielektrische Wiederverfestigung der Schaltstrecke. Das ist besonders bei Vakuumschaltern der Fall, wenn die Kontakttrennung kurz vor dem Stromnulldurchgang erfolgt, aber auch bei Schaltgeräten mit anderen Löschmedien, beispielsweise Druckgasschaltern. Eingehende Untersuchungen haben gezeigt, daß hohe Überspan­ nungen insbesondere beim Abschalten anlaufender Drehstrom­ motoren auftreten können, wenn zugleich netz- und lastseitig eine bestimmte Kapazität vorhanden ist.

Zur Vermeidung von schädlichen Überspannungen wären auch die bekannten Auslösesteuergeräte geeignet. Diese können hierzu so eingerichtet werden, daß sie die Trennung der Schaltstücke nahe einem Nulldurchgang des Stromes verhindern und die Schaltung in einem geeigneten zeitlichen Abstand hiervon veranlassen. Bei dem Versuch der Realisierung eines solchen Schaltverfahrens zeigt sich jedoch, daß sowohl an die elektronisch-elektrischen Steuermittel als auch an den hiervon angesteuerten Leistungs­ schalter derart hohe Anforderungen gestellt werden, daß mit vertretbarem Aufwand keine für einen praktischen Einsatz ge­ eigneten Komponenten herstellbar sind. Diese Schwierigkeiten sind leicht verständlich, wenn man die geringe Breite des sogenannten Öffnungsfensters von nur 2 ms in einem dreiphasigen 50-Hz-Netz berücksichtigt, in das der Trennvorgang der Schalt­ stücke fallen muß, um die Entstehung der multiplen Wieder­ zündungen im erstlöschenden Pol und den hierdurch bewirkten virtuellen Stromabriß in den letztlöschenden Polen zu vermeiden.

Da insbesondere bei Hochspannungsmotoren die Isolation der Wicklungen mit Rücksicht auf den verfügbaren Querschnitt der Nuten nicht so reichlich bemessen werden kann, daß auch die höchsten auftretenden Überspannungen ohne Beschädigung der Wicklungen ertragen werden können, hat man bisher den Weg beschritten, Zusatzschaltungen aus Kondensatoren und Wider­ ständen oder Überspannungsableiter vorzusehen, um die Höhe der Überspannungen zu begrenzen. Abgesehen von dem Aufwand, den diese zusätzlichen Einrichtungen erfordern, ist die er­ wünschte Wirkung oft nicht sichergestellt, weil für diesen Zweck bereitgestellte einheitliche Bauelemente in den unter­ schiedlichen elektrischen Anlagen nicht gleichermaßen wirk­ sam sind.

Der Erfindung liegt hiervon ausgehend die Aufgabe zugrunde, beim Abschalten von Verbrauchern in einem Drehstromnetz das Entstehen von Überspannungen unmittelbar beim Schaltvor­ gang zu vermeiden, und zwar durch eine entsprechende Beein­ flussung des Schaltvorganges.

Mit dem Ziel einer Vermeidung der vorstehend beschriebenen Schwierigkeiten ist bereits ein Schaltverfahren bekannt, bei dem zwei der Schaltstrecken eines Leistungsschalters mindestens um ein Drittel eines Zyklus der Netzfrequenz später geöffnet werden als die erste Schaltstrecke, zuzüglich der minimalen Lichtbogendauer in der ersten Schaltstrecke (DE-C-28 54 092). Dieses Verfahren verhindert grundsätzlich das Auftreten des sog. virtuellen Stromabrisses in den beiden letztlöschenden Polen des Leistungsschalters, vermag jedoch aufgrund der Tat­ sache, daß der Schaltvorgang zu einem beliebigen Zeitpunkt beginnt, nicht die multiplen Wiederzündungen im erstlöschenden Pol oder in den letztlöschenden Polen zu verhindern, die eben­ falls Ursache von Überspannungen sind.

Die Erfindung löst das Problem der unter den beschriebenen Bedingungen auftretenden schädlichen Überspannungen unter Ver­ wendung eines eingangs erwähnten Auslösesteuergerätes in um­ fassender Weise dadurch, daß wenigstens eine der Schaltstrecken des Leistungsschalters durch eine im Antriebsmechanismus der Schaltstücke vorgesehene zwangsläufige Abhängigkeit um eine festgelegte Zeitdifferenz später als eine weitere Schaltstrecke geöffnet wird. Obwohl somit die gemeinsame Anwendung eines Auslösesteuergerätes und eines Leistungsschalters vorgesehen ist, dessen Antrieb eine Zeitdifferenz beim Öffnungsvorgang zwischen den Schaltstrecken zu bewirken vermag, stellt sich das überraschende Ergebnis ein, daß sowohl an das Auslöse­ steuergerät als auch an den Leistungsschalter deutlich geringere Anforderungen zu stellen sind, als sie die bisherige Lösung zur vollständigen Vermeidung von Überspannungen er­ fordert, nämlich ein Auslösesteuergerät in Verbindung mit einem normalen, d. h. für gleichzeitiges Schalten der Pole einge­ richteten Leistungsschalter. Bei dem Verfahren nach der Er­ findung weist nämlich das sogenannte Öffnungsfenster, d. h. der Zeitraum, in dem die Öffnung erfolgen muß, eine Breite von etwa 8 ms auf gegenüber nur etwa 2 ms bei Verwendung eines normalen Leistungsschalters. Dies mildert die Anforderungen an die be­ teiligten Komponenten soweit, daß alle in Betracht kommenden elektrischen und mechanischen Toleranzen aufgefangen werden können, wie sie insbesondere im Antrieb von Leistungsschaltern durch die Umgebungstemperatur, schwankende Hilfsspannungen, Abnutzungsgrad und ähnliche Einflüsse gegeben sind. Damit läßt sich eine wichtige Forderung für den allgemeinen Einsatz eines solchen Schaltverfahrens erfüllen, nämlich die Beibe­ haltung der günstigen Eigenschaften über einen Zeitraum vieler Jahre ohne Nachjustierung.

Bei der Anwendung des neuen Verfahrens in einem ungeerdeten Netz kann die Zeitdifferenz zwischen dem Öffnen zwischen der ersten Schaltstrecke und dem gemeinsamen Öffnen der weiteren Schaltstrecken etwa das 1,5fache der Dauer einer Halbwelle betragen. Damit ist sichergestellt, daß weder multiple Wieder­ zündungen noch ein virtueller Stromabriß auftreten können.

Bei geerdetem Netz ist ein ebenso günstiges Verhalten in einer Weiterbildung der Erfindung dadurch erzielbar, daß auch die dritte Schaltstrecke zeitlich versetzt geöffnet wird, derart, daß alle drei Schaltstrecken in gleichen Zeitabständen nach­ einander öffnen. Es empfiehlt sich dabei, einen Zeitabstand von 2/3 der Dauer einer Halbwelle zu wählen.

Die Erfindung ermöglicht es ferner, für die Schaltstücke des Leistungsschalters solche Werkstoffe auszuwählen, die zur Unterbrechung hoher Schaltleistungen besonders geeignet sind. Hierzu gehören insbesondere Kupfer-Chromwerkstoffe. Im Gegen­ satz hierzu ist empfohlen worden, zur Vermeidung von Über­ spannungen beim Schalten mit Vakuumleistungsschaltern Kontakt­ werkstoffe einzusetzen, die aufgrund des verhältnismäßig hohen Dampfdruckes einzelner Komponenten eine sehr niedrige Abreiß­ stromstärke erreichen und dadurch zur Entstehung von Überspan­ nungen kaum Anlaß geben. Jedoch sind solche Werkstoffe nur bei Schaltaufgaben einsetzbar, bei denen nicht gleichzeitig die Forderung nach Vermeidung von Überspannungen und hoher oder sehr hoher Schaltleistung gestellt werden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren näher er­ läutert.

Die Fig. 1 zeigt ein Schaltbild eines dreiphasigen Ver­ brauchers in einem nicht geerdeten Drehstromnetz.

In der Fig. 2 ist schematisch die Durchführung eines Schalt­ vorganges gemäß der Erfindung in der Schaltungsanordnung gemäß der Fig. 1 anhand von Kurvenverläufen gezeigt.

Die Fig. 3 zeigt ein Schaltbild mit einem dreiphasigen Ver­ braucher in einem geerdeten Drehstromnetz.

Die Fig. 4 dient zur Erläuterung des Schaltvorganges gemäß der Erfindung in der Schaltungsanordnung gemäß der Fig. 3.

In der Fig. 1 ist mit 1 eine dreiphasige Stromquelle bezeich­ net, die über ein dreipoliges Schaltgerät 2 einen Verbraucher 3 speist. Als Schaltgerät 2 wird ein Vakuumschalter angenommen, der die Eigenschaft besitzt, daß seine Schaltstrecken beim Aus­ schalten ihre dielektrische Festigkeit sehr rasch wiedererlangen. Dies ist zusammen mit den eingangs erläuterten Bedingungen eine der Voraussetzungen für die Entstehung von Überspannungen. Der Verbraucher 3 wird als Drehstrommotor angenommen. Nach den vor­ liegenden Untersuchungen können in dieser Schaltungsanordnung besonders dann schädliche Überspannungen entstehen, wenn die Schaltstrecken des Schalters 2 bei blockierten oder anlaufendem Läufer geöffnet werden.

In der Fig. 2 ist dargestellt, wie durch Anwendung eines neuen Schaltverfahrens die Entstehung jeglicher Überspannungen ver­ mieden werden kann. Zunächst wird mittels eines von den Phasenströmen beaufschlagten Auslösesteuergerätes 4 (Fig. 1) der Schaltmechanismus 5 des Schaltgerätes 2 derart betätigt, daß die Öffnung der Schaltstrecke des einen Poles in der Phase R innerhalb des schraffierten Bereiches der Zeitachse (Fig. 2) erfolgt. Dieser Zeitraum beträgt etwa 8 ms in einem 50 Hz-Netz und stellt das sogenannte Öffnungsfenster dar, bei dessen Ein­ haltung keine multiplen Wiederzündungen auftreten können. Be­ kanntlich ist dieses Problem dadurch bedingt, daß aufgrund der begrenzten Geschwindigkeit der Öffnungsbewegung der Schalt­ stücke der Fall eintreten kann, daß der Abstand der Schalt­ stücke noch keine ausreichende Spannungsfestigkeit der Schalt­ strecke gegenüber der wiederkehrenden Spannung ergibt. Keines­ falls darf daher die Kontaktöffnung erst kurz vor dem Strom­ nulldurchgang beginnen. Das in der Fig. 2 schraffiert gezeigte Öffnungsfenster weist daher ausreichende Abstände zum voran­ gehenden und zum nachfolgenden Stromnulldurchgang auf.

Erfolgt nun in der angegebenen Weise die Öffnung der Schalt­ strecke für die Phase R innerhalb dieses Öffnungsfensters, so erlischt der Strom in der Phase R beim Erreichen des Augen­ blickswertes "Null". Da die beiden weiteren Schaltstrecken in den Phasen S und T noch geschlossen sind, fließen die Ströme in diesen weiter, jedoch in anderer Weise als im stationären Zustand. Vielmehr erleiden die Ströme in den Phasen S und T eine Unregelmäßigkeit und eine Verschiebung derart, daß der nächste Nulldurchgang beider Phasen S und T gemeinsam eine halbe Halbwelle nach dem Nulldurchgang der Phase R erfolgt. Die Öffnung der Schaltstrecken für die Phasen S und T erfolgt nun gleichfalls innerhalb eines Öffnungsfensters mit der zuvor erläuterten Breite, das 1,5 Halbwellen gegenüber dem ersten Öffnungsfenster für die Phase R verschoben ist. Auch in den Phasen S und T können somit keine multiplen Wiederzündungen entstehen. Gleichzeitig ist das Problem des virtuellen Strom­ abrisses in den letztlöschenden Polen vollständig vermieden.

In der Fig. 3 ist eine weitere Schaltungsanordnung gezeigt, die in gleicher Weise wie die Schaltungsanordnung gemäß der Fig. 1 einen Generator 1, ein Schaltgerät 2 und einen drei­ phasigen Verbraucher 3 umfaßt. Ferner sind ein Auslösesteuer­ gerät 4 sowie ein Schaltmechanismus 5 vorhanden. Im Unter­ schied zu der Schaltungsanordnung gemäß der Fig. 1 sind jedoch die Sternpunkte des Generators 1 und des Verbrauchers 3 ge­ erdet. Dies hat zur Folge, daß beim Schalten nach dem Erlöschen des Stromes in der Phase R die Ströme in den weiteren Phasen S und T unverändert weiter fließen, wie dies in der Fig. 4 gezeigt ist. Ein von Überspannungen vollkommen freies Schalten wird auch in diesem Fall dadurch erreicht, daß der Schalter 3 zunächst die Phase R mittels des Auslösesteuergerätes 4 inner­ halb des schraffiert gezeigten Öffnungsfensters öffnet, worauf der Strom der Phase R beim folgenden Nulldurchgang endet. Innerhalb eines gegenüber dem ersten Öffnungsfenster um 2/3 einer Halbwelle verzögerten Öffnungsfensters wird daraufhin die Schaltstrecke der Phase S geöffnet, worauf auch deren Strom mit dem folgenden Nulldurchgang endet. In gleicher Weise wird mit der dritten Schaltstrecke in der Phase T verfahren, die eben­ falls innerhalb eines um 2/3 einer Halbwelle versetzten Öff­ nungsfensters unterbrochen wird.

Als Auslösesteuergerät sind grundsätzlich die bekannten Steuergeräte geeignet, die für synchrones Schalten entwickelt worden sind. Diese können sowohl mit Hilfe analog wirkender Schaltungselemente aufgebaut sein, als auch unter Verwendung digitaler Schaltungselemente und insbesondere mit Mikropro­ zessoren.

Als Schaltgeräte zur Verwendung in Verbindung mit dem be­ schriebenen Verfahren eignen sich insbesondere Vakuumschalter, deren Antriebsmechanismus eine gleichzeitige Einschaltung aller drei Schaltstrecken und eine steuerbare Verzögerung zwischen einzelnen oder allen Schaltstrecken beim Ausschalten gestattet. Dies kann beispielsweise mit Hilfe einer Kulissen­ steuerung gemäß der DE-A-20 21 575 oder einer hydraulischen Einzelpolsteuerung gemäß der DE-A-31 48 142 erfolgen. Prin­ zipiell geignet sind auch Nockensteuerungen etwa entsprechend der DE-A-27 02 962.

Claims (5)

1. Verfahren zum Betrieb eines Leistungsschalters (2), ins­ besondere eines Vakuumschalters, unter Verwendung eines Aus­ lösesteuergerätes (4), das unabhängig vom Zeitpunkt einer Befehlsgabe zum Ausschalten die Öffnung der Schaltstücke zu einem in fester Beziehung zum Nulldurchgang des Stromes stehenden Zeitpunktes veranlaßt, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der Schaltstrecken des Leistungsschalters (Phase R) durch eine im Antriebsmechanismus (5) der Schaltstücke vorgesehene zwangs­ läufige Abhängigkeit um eine festgelegte Zeitdifferenz später als eine weitere Schaltstrecke geöffnet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Anwendung in einem ungeerdeten Netz die Zeitdifferenz zwischen dem Öffnen der ersten Schaltstrecke (Phase R) und dem gemeinsamen Öffnen der weiteren Schaltstrecken (Phasen S, T) etwa das 1,5fache der Dauer einer Halbwelle beträgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in einem geerdeten Netz auch die dritte Schaltstrecke (Phase T) zeitlich versetzt geöffnet wird, derart, daß alle drei Schaltstrecken in festen Zeitabständen nacheinander öffnen.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Zeitabstand 2/3 der Dauer einer Halbwelle beträgt.

5. Vakuum-Leistungsschalter für das Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltstücke einen Kupfer-Chrom-Kontaktwerkstoff enthalten.