DE3924909A1 - Verfahren zum betrieb eines elektrischen leistungsschalters - Google Patents

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 t_0R befindet. Der Zeitabstand t_0R-t₂ stellt den zeitlichen Mindestabstand zum Stromnulldurchgang dar, der für einen gegebenen Leistungsschalter gewährleistet, daß zum Zeitpunkt t_0R 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 t_0S 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 t_0T 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 t_0T-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 t_0T-t_0R 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 t_0SR 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 t_{0SR 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.