DE3924909A1 - Verfahren zum betrieb eines elektrischen leistungsschalters - Google Patents
Verfahren zum betrieb eines elektrischen leistungsschaltersInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines elek
trischen Leistungsschalters mit Schaltstrecken für die Pha
sen eines dreiphasigen Netzes.
Aus der US-A-35 55 354 ist ein Verfahren zum Betrieb eines
elektrischen Leistungsschalters bekannt, bei dem der Energie
umsatz in den Schaltstrecken durch eine Verkürzung der Licht
bogenzeiten beschränkt wird. 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. Ein Auslösesteuergerät erfaßt hierzu
über Wandler den fließenden Strom und gewinnt hieraus periodi
sche 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 Aus
lösesignal gelangt in üblicher Weise zu einem Auslösemagneten,
der ein Ventil oder eine Verklinkungsanordnung zur Freigabe des
Schaltmechanismus bzw. des Schalterantriebes betätigt.
Beim Betrieb elektrischer Anlagen mit einer induktiven Last hat
sich gezeigt, daß erhebliche Überspannungen entstehen können,
wenn beim Abschalten des Stromes die wiederkehrende Spannung
schneller ansteigt als die dielektrische Wiederverfestigung der
Schaltstrecke. Das ist besonders bei Vakuumschaltern der Fall,
wenn die Kontakttrennung kurz vor dem Stromnulldurchgang er
folgt, aber auch bei Schaltgeräten mit anderen Löschmedien,
beispielsweise Druckgasschaltern. Eingehende Untersuchungen ha
ben gezeigt, daß hohe Überspannungen insbesondere beim Ab
schalten anlaufender Drehstrommotoren auftreten können, wenn
zugleich netz- und lastseitig eine bestimmte Kapazität vorhan
den ist.
Bei dem Versuch der Realisierung des aus der US-A-35 55 354 be
kannten Schaltverfahrens in einem dreiphasigen Netz zeigt sich
jedoch, daß sowohl an die elektronischen Steuermittel als auch
an den mechanischen Antrieb der hiervor angesteuerten Schalter
und an deren Schalteigenschaften derart hohe Anforderungen ge
stellt werden müssen, daß mit vertretbarem Aufwand keine für
den praktischen Einsatz geeigneten Komponenten herstellbar
sind. Diese Anforderungen sind darauf zurückzuführen, daß für
den gemeinsamen Trennvorgang der Schaltstücke in einem drei
phasigen 50-Hz-Netz nur ein sogenanntes Öffnungsfenster von
etwa 2 ms zur Verfügung steht, um das Auftreten der multiplen
Wiederzündungen im erstlöschenden Pol und den hierdurch bewirk
ten virtuellen Stromabriß in den letztlöschenden Polen zu ver
meiden.
Zur Vermeidung von Überspannungen in einem dreiphasigen Netz
ist bereits ein Schaltverfahren bekannt, bei dem zwei der
Schaltstrecken eines Schaltgerätes mindestens um 1/3 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 ver
hindert grundsätzlich das Auftreten des sogenannten virtuellen
Stromabrisses in den beiden letztlöschenden Polen des Lei
stungsschalters, vermag jedoch aufgrund der Tatsache, daß der
Schaltvorgang zu einem beliebigen Zeitpunkt beginnt, nicht die
multiplen Wiederzündungen im erstlöschenden Pol oder in den
letztlöschenden Polen zu verhindern, die ebenfalls Ursache von
Überspannungen sind.
Aus der englischen Patentschrift GB-A 14 73 837 ist die Mög
lichkeit bekannt, zur Vermeidung multipler Wiederzündungen in
einem mehrphasigen Netz die zugehörigen Schaltstrecken unab
hängig voneinander mit mechanisch getrennten Antriebsmitteln
für die Schalter zu schalten. Bei diesem bekannten Verfahren
werden die Stromnulldurchgänge in jeder Phase überwacht und der
Schaltvorgang für jede Phase unabhängig von den Schaltvorgängen
in den anderen Phasen ausgelöst. Diese Maßnahme ermöglicht zwar
ein relativ breites und technologisch einfach beherrschbares
Öffnungsfenster für den Schaltvorgang, das beispielsweise in
einem 50-Hz-Netz für jede Schaltstrecke etwa 8 ms beträgt, ist
aber durch den elektronisch und mechanisch für jede Schalt
strecke voneinander getrennten Aufbau kostenintensiv und unter
Berücksichtigung von wirtschaftlichen Gesichtspunkten unbe
friedigend.
Der Erfindung liegen nun die Aufgaben zugrunde, ein Verfahren
zum Betrieb eines Leistungsschalters sowie einen nach diesem
Verfahren arbeitenden Leistungsschalter anzugeben, mit denen
bei Abschalten von Verbrauchern in einem Drehstromnetz das Ent
stehen von Überspannungen unmittelbar beim Schaltvorgang durch
eine entsprechende Beeinflussung des Schaltvorganges zuver
lässig und mit geringem technischen Aufwand vermieden wird.
Die genannten Aufgaben werden jeweils gelöst mit den Merkmalen
der Ansprüche 1 bzw. 7. Durch diese Maßnahmen wird das soge
nannte Öffnungsfenster, d. h. der Zeitraum, in dem der Beginn
der Öffnungsbewegung der Schaltstücke erfolgen muß, auf einen
Wert vergrößert, der gegenüber der Verwendung eines in allen
Schaltstrecken gleichzeitig schaltenden Leistungsschalters
deutlich vergrößert ist, ohne daß es einer voneinander unabhängi
gen elektronischen und mechanischen Einzelansteuerung aller
Schaltstrecken gemäß dem aus der britischen Patentschrift
GB-A-14 73 837 bekannten Verfahren bedarf.
Die mit den erfindungsgemäßen Maßnahmen erreichte Vergrößerung
des Öffnungsfensters mildert die Anforderungen an die beteilig
ten Komponenten soweit, daß alle in Betracht kommenden elek
trischen und mechanischen Toleranzen aufgefangen werden können,
wie sie insbesondere im Antrieb von Leistungsschaltern durch
die Umgebungstemperatur, schwankende Hilfsschwankungen, Ab
nutzungsgrad und ähnliche Einflüsse gegeben sind. Damit läßt
sich mit vertretbarem technischen Aufwand eine wichtige Forde
rung für den allgemeinen Einsatz eines solchen Schaltverfah
rens erfüllen, nämlich die Beibehaltung der günstigen Eigen
schaften über einen Zeitraum vieler Jahre ohne Nachjustierung.
In der besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Verfahren
gemäß der Ansprüche 4 und 6 ist außerdem gewährleistet, daß
beide Verfahren sowohl in einem geerdeten als auch in einem un
geerdeten Netz eingesetzt werden können.
Dabei ist insbesondere beim Verfahren gemäß Anspruch 3 von Vor
teil, daß im Gegensatz zu einem Verfahren gemäß Anspruch 6 der
Drehsinn, d. h. die zeitliche Reihenfolge der Stromnulldurch
gänge in den einzelnen Phasen des mehrphasigen Netzes, nicht
bekannt zu sein braucht.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung eines Leistungs
schalters, der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitet,
ist außerdem ein gemeinsamer Antriebsmechanismus für die
Schaltstrecken aller Phasen vorgesehen, bei denen die vorge
gebenen Zeitabstände zwischen der Öffnung der Schaltstücke der
verschiedenen Schaltstrecken durch eine im Antriebsmechanismus
vorgesehene zwangsläufige mechanische Abhängigkeit bewirkt wer
den. Dadurch wird eine aufwendige mechanische Einzelansteuerung
der Schaltstücke vermieden.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung
verwiesen, in deren
Fig. 1 ein Schaltbild eines dreiphasigen Verbrauchers in einem
Drehstromnetz zeigt. In
Fig. 2 und 3 ist die Durchführung eines Schaltverfahrens ge
mäß der Erfindung anhand des zeitlichen Verlaufes der in
den Phasen jeweils fließenden Ströme veranschaulicht.
Gemäß Fig. 1 speist eine dreiphasige Stromquelle über einen
dreipoligen Leistungsschalter 2 einen Verbraucher 3, beispiels
weise einen Drehstrommotor. Der Leistungsschalter 2 enthält als
Schaltstrecken beispielsweise drei Vakuumröhren, welche die
Eigenschaft besitzen, daß ihre Schaltstrecken beim Ausschalten
ihre dielektrische Festigkeit sehr rasch wiedererlangen. Dies
ist eine der Ursachen für die Entstehung von Überspannungen.
Nach den vorliegenden Untersuchungen können in dieser Schal
tungsanordnung besonders dann schädliche Überspannungen ent
stehen, wenn die Schaltstrecken des Leistungsschalters 2 bei
blockiertem oder anlaufendem Läufer geöffnet werden. Die Schalt
stücke der Schaltstrecken sind in Wirkverbindung mit einem
Schaltmechanismus 5, der von einem elektrischen Auslösesteuer
gerät 4 angesteuert wird. Dem Auslösesteuergerät 4 wird über
mindestens einen Stromwandler 7 eine elektrische Größe zuge
führt, die dem in einer Phase, beispielsweise der Phase R,
fließenden Strom proportional ist und mit der die Stromnull
durchgänge in dieser Phase erfaßt werden. Gemäß dem Ausfüh
rungsbeispiel der Figur können auch für die Phasen T und S
Stromwandler 7 zum Erfassen der jeweiligen Nulldurchgänge
vorgesehen sein. Dies ermöglicht eine Kontrolle darüber, ob die
aktuellen Phasenverschiebungen zwischen den Nulldurchgängen in
den drei Phasen mit den für die Schaltstrecken vorgesehenen
Staffelzeiten verträglich sind. Außerdem ist das Auslösesteuer
gerät 4 mit einem Eingang für ein Steuersignal B für eine
externe Befehlsgabe zum Abschalten des Verbrauchers 3 von der
Stromquelle 1 versehen. Bei der Netzkonfiguration kann es sich
sowohl um ein geerdetes als auch um ein ungeerdetes Netz han
deln, wie es in der Figur durch die gestrichelt eingezeich
neten Erdleitungen angedeutet ist.
In Fig. 2 sind die Phasenströme für die Phasen R, S, T für
einen Ausschaltvorgang gemäß der Erfindung gegen die Zeit t
aufgetragen. Dabei geben die durchgezogenen Kurven den Strom
verlauf in einem ungeerdeten Netz wieder und die gestrichelten
Kurven entsprechen den Verhältnissen im geerdeten Netz. Die
Öffnung der Schaltstrecke der Phase R erfolgt innerhalb des
schraffierten Öffnungsfensters 10 der Zeitachse, das sich zwi
schen den Zeitpunkten t1 und t2 vor dem Stromnulldurchgang der
Phase R zum Zeitpunkt t0R befindet. Der Zeitabstand t0R-t2
stellt den zeitlichen Mindestabstand zum Stromnulldurchgang
dar, der für einen gegebenen Leistungsschalter gewährleistet,
daß zum Zeitpunkt t0R die Schaltstücke soweit voneinander ent
fernt sind, daß eine Wiederzündung in der Schaltstrecke der
Phase R nicht mehr erfolgen kann und somit der in der Phase R
fließende Strom mit dem Stromnulldurchgang löscht. Dieser Zeit
abstand beträgt für Mittelspannungs-Vakuumschalter erfahrungs
gemäß etwa 1,5 ms.
Nach dem Löschen des Stromes in der Phase R fließen die Ströme
in den zunächst noch geschlossenen Phasen S und T weiter. Die
Öffnung der Schaltstrecken der Phasen S und T erfolgt im Bei
spiel der Fig. 2 gemeinsam im schraffierten Öffnungsfenster
12, das sich zwischen den Zeitpunkten t3 und t4 befindet. Die
Grenzen für das Öffnungsfenster 12 ergeben sich dadurch, daß
der frühestmögliche Schaltzeitpunkt t3 nach dem Zeitpunkt t0S
für den nächsten Stromnulldurchgang liegen muß. Dieser Strom
nulldurchgang folgt im Beispiel der Figur für ein Netz mit dem
Drehsinn RST in der Phase S. Der spätestmögliche Schaltzeit
punkt t4 muß dabei genügend Abstand zum nächsten möglichen
Stromnulldurchgang haben, der im ungünstigsten Fall bei einem
geerdeten Netz in der Phase T zum Zeitpunkt t0T erfolgt. Dieser
Abstand muß zur Vermeidung multipler Wiederzündungen ebenfalls
etwa 1,5 ms betragen.
Anhand der Figur erkennt man, daß das für das Schalten der
Schaltstrecken der Phasen S und T verbleibende Öffnungsfen
ster 12 etwa 2/3 der Dauer einer Halbperiode, verringert um den
zeitlichen Mindestabstand t0T-t4 beträgt. Für ein 50-Hz-Netz
ergibt sich somit ein Öffnungsfenster 12, dessen Breite etwa
5 ms beträgt, bei dessen Einhaltung keine multiplen Wiederzün
dungen auftreten können. Der frühestmögliche Schaltzeitpunkt
für die Schaltstrecke der Phase R kann bis zum Zeitpunkt t0
vorverlegt werden, so daß der Zeitabstand t3-t1 auf maximal
2/3 der Dauer einer Halbperiode vergrößert werden kann.
Unter der Voraussetzung, daß die Öffnungsfenster 10 und 12 für
alle Schaltstrecken gleich lang sein sollen, kann dieser Zeit
abstand auf etwa 1/3 der Dauer einer Halbperiode entsprechend
dem Zeitabstand t0T-t0R zwischen zwei aufeinanderfolgenden
Stromnulldurchgängen in der Phase R und T verringert werden.
Die praktische Bedeutung der Öffnungsfenster 10 und 12 besteht
nun darin, daß sie eine Toleranzzone für den Zeitpunkt der
wahren Kontaktöffnung darstellen. Legt man den Zeitpunkt der
theoretischen Kontaktöffnung in die Mitte eines Öffnungs
fensters, so gibt die halbe Breite des Öffnungsfensters die
maximal mögliche Abweichung des Zeitpunkts der wahren Kontakt
öffnung vom Zeitpunkt der theoretischen Kontaktöffnung an.
Diese Abweichung ergibt sich in der Praxis beispielsweise durch
fertigungstechnisch verursachte Streuung in den Eigenschaften
der mechanischen Komponenten, durch Alterung während des
Betriebs oder durch umgebungsabhängige Einflüsse wie beispiels
weise der Temperatur.
Der Figur ist weiterhin zu entnehmen, daß für ein ungeerdetes
Netz der Zeitpunkt t0SR für den Stromnulldurchgang der Phasen S
und T zusammenfällt und abhängig von den Verbrauchereigen
schaften in einem durch einen Doppelpfeil gekennzeichneten
Zeitfenster liegt, das sich an den Stromnulldurchgang für die
Phase T im geerdeten Netz anschließt, so daß das erläuterte
Schaltverfahren sowohl für ein geerdetes als auch ein unge
erdetes Netz geeignet ist.
Gemäß dem Ausführungsbeispiel der Fig. 3 erfolgt die Öffnung
der Schaltstrecke der Phase R innerhalb eines schraffierten
Öffnungsfensters 14 auf der Zeitachse, das sich zwischen den
Zeitpunkten t5 und t6 befindet. Der frühestmögliche Schalt
zeitpunkt t5 schließt sich dabei unmittelbar an einen Strom
nulldurchgang der Phase R an. Zeitlich verzögert hierzu erfolgt
zunächst die Öffnung der Schaltstrecke der Phase T im Öff
nungsfenster 16, dessen frühestmöglicher Zeitpunkt t7 sich
ebenfalls unmittelbar an einen Stromnulldurchgang der Phase T
anschließt. Nach einer weiteren Verzögerungszeit erfolgt die
Öffnung der Schaltstrecke der Phase S im Öffnungsfenster 17
zwischen den Zeitpunkten t10 und t11.
Um den Verhältnissen im geerdeten und ungeerdeten Netz
gleichermaßen Rechnung zu tragen, muß der Zeitpunkt t11 einen
ausreichenden Zeitabstand zum frühestmöglichen Stromnulldurch
gang der Phase S haben, der nicht früher erfolgen kann, als der
Stromnulldurchgang für die Phase T im geerdeten Netz.
Der Figur ist zu entnehmen, daß die Länge des zur Verfügung
stehenden Öffnungsfensters 17 für die Ausschaltung der Phase S
begrenzt wird auf einen Wert, der sich aus der Differenz aus
2/3 der Dauer einer Halbperiode und dem zeitlichen Mindestab
stand des Zeitpunktes t11 zum Stromnulldurchgang in der Phase S
ergibt, der in einem ungeerdeten Netz zum Zeitpunkt t0SR 0T
erfolgt. Für ein 50-Hz-Netz ergibt sich somit ein Öffnungs
fenster 17 von etwa 6,67 ms -1,5 ms ≈ 5 ms Dauer.
Die Staffelung erfolgt gemäß dem Beispiel der Figur in der
Reihenfolge RTS und ist vom Drehsinn des Drehstromnetzes ab
hängig. Für ein Netz mit dem Drehsinn RTS muß die Staffelung in
der Reihenfolge RST erfolgen, so daß für eine Staffelung gemäß
dem Ausführungsbeispiel der Fig. 3 die Kenntnis des Netzdreh
sinns erforderlich ist.
Im Beispiel der Figur sind die Zeitabstände t7-t5 und t10-t7
zwischen den Schaltzeitpunkten der Phasen etwa gleich groß und
betragen etwa 1/3 der Dauer einer Halbperiode. Die Staffelzeit
t7-t5 zwischen dem Schaltzeitpunkt für die Schaltstrecke der
Phase R und dem Schaltzeitpunkt für die Schaltstrecke der Phase
T kann auch verkürzt werden, wobei dann der Zeitpunkt t5 auf
der Zeitachse entsprechend nach rechts verschoben werden muß.
So können beispielsweise die Schaltstrecken für die Phasen R
und T gemeinsam geöffnet werden, so daß das Öffnungsfenster 14
und das Öffnungsfenster 16 zusammenfallen. Entsprechend kann
auch das Öffnungsfenster 14 und das Öffnungsfenster 16 gemein
sam auf der Zeitachse nach rechts verschoben werden, bis die
Öffnungsfenster 16 und 17 zusammenfallen und die Betriebs
situation gemäß Fig. 2 erreicht wird.
Claims (8)
1. Verfahren zum Betrieb eines elektrischen Leistungsschalters
(2) mit Schaltstrecken für die Phasen (R, S, T) eines drei
phasigen Netzes mit folgenden Merkmalen:
- a) Die Öffnung der Schaltstücke der einzelnen Schaltstrecken erfolgt nach dem Zeitpunkt einer Befehlsgabe zum Ausschal ten jeweils zu einem Zeitpunkt, der in einer festen Be ziehung zum Nulldurchgang des Stromes in einer Phase (R) steht,
- b) die Schaltstücke der Schaltstrecke wenigstens einer Phase (R) werden in einem Zeitpunkt geöffnet, der um einen vorge gebenen Zeitabstand (t3-t1) gegenüber dem Zeitpunkt der Öffnung der Schaltstücke der Schaltstrecke einer weiteren Phase (S oder T) versetzt ist.
2. Verfahren zum Betrieb eines elektrischen Leistungsschalters
nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Schaltstücke der Schaltstrecken zweier Phasen (S, T)
gemeinsam geöffnet werden.
3. Verfahren zum Betrieb eines elektrischen Leistungsschalters
nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß der Zeitabstand (t3-t1) etwa ein Drittel der Dauer einer
Halbperiode beträgt.
4. Verfahren zum Betrieb eines elektrischen Leistungsschalters
nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Öffnung der Schaltstücke der Schaltstrecken aller
Phasen (R, S, T) zeitlich versetzt zueinander erfolgt.
5. Verfahren zum Betrieb eines elektrischen Leistungsschalters
nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
daß die Zeitabstände (t7-t5, t10-t7) aufeinanderfolgender
Zeitpunkte für die Öffnung gleich sind.
6. Verfahren zum Betrieb eines elektrischen Leistungsschalters
nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß die Zeitabstände etwa ein Drittel der Dauer einer Halb
periode betragen.
7. Leistungsschalter (2) zur Durchführung eines Verfahrens nach
einem der Ansprüche 1 bis 6 mit
- a) Mitteln (7) zum Erfassen der Stromnulldurchgänge wenigstens einer Phase (R),
- b) einem Auslösesteuergerät (4) für einen Antriebsmechanismus
(5) zum Öffnen der Schaltstücke der Schaltstrecken, das
- b1) mit einem Eingang für einen Steuerbefehl (B) zum Ausschal ten sowie mit
- b2) Mitteln für eine in Abhängigkeit vom Stromnulldurchgang verzögerte Steuerung des Antriebsmechanismus (5).
8. Leistungsschalter (2) nach Anspruch 7, dadurch
gekennzeichnet, daß ein gemeinsamer Antriebs
mechanismus (5) für die Schaltstrecken aller Phasen (R, S, T)
vorgesehen ist, bei dem die vorgegebenen Zeitabstände zwischen
der Öffnung der Schaltstücke der verschiedenen Schaltstrecken
durch eine im Antriebsmechanismus vorgesehene zwangsläufige
mechanische Abhängigkeit bewirkt werden.
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Legal Events
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AF | Is addition to no. |
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